跨航道系桿拱橋拆除及施工監(jiān)控技術(shù)

張守軍

（江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京 211112）

0 引言

我國(guó)在20世紀(jì)中后期修建了大批跨航道橋梁，由于未能很好預(yù)測(cè)交通及航道運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展態(tài)勢(shì)，做出足夠準(zhǔn)確的規(guī)劃，使得目前大批航道橋梁不滿足目前道路交通發(fā)展和航道通航能力的需求，不同程度地面臨拆除重建的困境?？偨Y(jié)面臨拆除重建航道橋梁的特點(diǎn)可知，其主要特點(diǎn)是航道通航能力要求提高，航道橋梁跨徑大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜[1]，拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，對(duì)服役多年的舊橋存在不同程度的損傷，使得在拆除時(shí)不可預(yù)見的因素增多[2-7]，給航道橋梁的拆除帶來(lái)很大的技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文以無(wú)錫市某系桿拱橋的拆除為例，研究系桿拱橋在通航條件下的拆除方案及施工監(jiān)控措施[8-11]，對(duì)該類橋梁的拆除有技術(shù)支持和相互借鑒的意義。

1 工程背景

該橋位于京杭運(yùn)河無(wú)錫段，所處航道原設(shè)計(jì)通航等級(jí)為四級(jí)。由于航道通航要求提高，航道拓寬升級(jí)為三級(jí)航道，且橋梁寬度不能滿足目前交通流量要求，需對(duì)其進(jìn)行拆除重建。該橋跨域河道主跨徑70 m，橋面總寬14 m，為下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋，采用剛性系桿柔性拱肋，系桿、吊桿和橫梁均為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，整體屬于三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。橫向由兩片拱肋組成，拱肋凈間距9.5 m，拱肋上部設(shè)置四道I形風(fēng)撐，下部吊桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)有14道中橫梁及2道端橫梁。橋墩采用鋼筋混凝土矩形雙柱式橋墩。圖1為該橋立面圖。

圖1 橋梁立面

2 橋梁拆除方案

2.1 橋梁拆除難點(diǎn)分析

（1）蘇南運(yùn)河無(wú)錫段船舶流量大。該段航道船舶流量近2000艘/d，運(yùn)量達(dá)39.73萬(wàn)t/d，通航壓力大。根據(jù)海事部門要求，施工過(guò)程中通航水面凈寬須大于35 m，盡量減小對(duì)船舶通航的影響，且每次斷行持續(xù)時(shí)間不得大于4 h。

（2）跨航道橋梁跨徑大。該下承式系桿拱橋主跨跨徑70 m，橫跨蘇南運(yùn)河干線航道，陸地施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)拆除。由于結(jié)構(gòu)自重大，無(wú)法采用浮吊整體吊裝拆除，只能采用分段切割方式拆除。

（3）拆除過(guò)程結(jié)構(gòu)體系變化復(fù)雜。在進(jìn)行切割拆除過(guò)程中，航道橋各構(gòu)件的受力形式、穩(wěn)定性及荷載傳遞路徑都隨拆除工況不斷發(fā)生變化，保證拆除施工安全難度大。

2.2 拆除方案

由于該橋?yàn)橄禇U拱橋體系，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，跨度長(zhǎng)、自重大，使得該橋只能在搭設(shè)支架的情況下采取分段切割配合浮吊吊運(yùn)拆除的方法。為符合通航要求，支架間距設(shè)定為40 m。當(dāng)?shù)鯒U切斷后拱肋與系桿間的聯(lián)系瞬間消失，會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的劇烈震動(dòng)，不利于保證施工安全。因此吊桿被切斷時(shí)，在橋跨跨中部位設(shè)置一臺(tái)浮吊頂緊系桿，減小由于瞬間釋放的吊桿力引起的結(jié)構(gòu)震動(dòng)。在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后浮吊迅速駛離，保證航道暢通。圖2為航道內(nèi)設(shè)置的臨時(shí)支架和跨中浮吊。

圖2 臨時(shí)支架及浮吊

橋梁結(jié)構(gòu)拆除的一般原則為先拆除次要構(gòu)件后拆除主要構(gòu)件，主體結(jié)構(gòu)拆除前恒載應(yīng)最小。結(jié)合以上原則，該橋拆除施工步驟確定為：拆除橋面板及中橫梁，切斷吊桿，鑿除風(fēng)撐，鑿斷并吊除拱肋，鑿斷并吊除系桿中段，最后將兩側(cè)系桿及端橫梁吊除。橋梁拆除施工順序如圖3所示。

2.3 拆除方案仿真分析

在橋梁拆除過(guò)程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)和邊界條件隨施工工況的改變而改變，為保證拆除施工的安全性，應(yīng)對(duì)拆除過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以確定關(guān)鍵控制工序的安全性。根據(jù)分析結(jié)果，影響拆除安全的關(guān)鍵工況為風(fēng)撐拆除及吊桿切斷后的拱肋穩(wěn)定性、系桿承載能力，系桿拱肋分段吊除過(guò)程中構(gòu)件的承載能力。

2.3.1 拱肋穩(wěn)定分析

在該橋的拆除過(guò)程中，中橫梁和風(fēng)撐的拆除降低了構(gòu)件橫向抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，而且在吊桿切斷后，系桿和拱肋的整體性減弱，所以應(yīng)對(duì)該工況之后的拱肋穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖3 拆除施工步驟

在恒載和風(fēng)載作用下，拱肋的第一階失穩(wěn)模態(tài)均表現(xiàn)為拱肋面外對(duì)稱側(cè)傾失穩(wěn)，最小穩(wěn)定安全系數(shù)9.582。拱肋的穩(wěn)定安全系數(shù)大于4～5，其穩(wěn)定性滿足穩(wěn)定要求。圖4給出拱肋裸拱的一階屈曲模態(tài)，表明裸拱的一階屈曲形式為面外失穩(wěn)。

圖4 裸拱一階屈曲模態(tài)

2.3.2 系桿承載力分析

當(dāng)?shù)鯒U切斷后，橋梁系桿所承受的吊桿力消失，系桿的自重通過(guò)臨時(shí)支撐及端支點(diǎn)傳遞到地面。由于臨時(shí)支撐由鋼管樁和貝雷梁組成，整體支撐剛度小，在支撐處可能發(fā)生較大沉降。系桿變形及彎矩分布如圖5所示。

圖5 系桿變形及彎矩分布

在不考慮支撐沉降的情況下，在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載作用下，跨中最大撓度為44 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范的限值要求，系桿結(jié)構(gòu)效應(yīng)都小于結(jié)構(gòu)抗力?？紤]支撐沉降效應(yīng)，當(dāng)沉降量將達(dá)到15 cm時(shí)，系桿跨中變形增大，系桿彎矩接近系桿承載能力不能繼續(xù)承載。因而在拆除施工過(guò)程中應(yīng)著重加強(qiáng)臨時(shí)支撐的承載能力，并采取必要措施減小支撐沉降。此外還應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支撐的剛度和對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，防止臨時(shí)支撐發(fā)生過(guò)大變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突發(fā)破壞。

2.3.3 系桿、拱肋吊裝驗(yàn)算

切斷的系桿和拱肋均采用一臺(tái)浮吊吊除，設(shè)置兩個(gè)吊點(diǎn)，應(yīng)對(duì)起吊時(shí)兩個(gè)吊點(diǎn)作用下構(gòu)件的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，以確保起吊過(guò)程中拱肋構(gòu)件不致斷裂。對(duì)拱肋和系桿的吊裝驗(yàn)算表明，在吊點(diǎn)位置選擇合適的情況下，吊裝時(shí)拱肋構(gòu)件內(nèi)力以及吊裝鋼絲繩承受的拉力小于構(gòu)件本身抗力以及吊裝鋼絲繩的破斷拉力，滿足吊裝要求。

3 拆除施工監(jiān)控

舊橋拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系及內(nèi)力傳遞路徑不斷發(fā)生變化，而且舊橋服役多年，其結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失等因素均不能在拆除施工前很確切地掌握，使得在拆除過(guò)程中不可預(yù)見因素增多，因而在拆除施工過(guò)程中應(yīng)引入施工監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布及各構(gòu)件的邊界狀態(tài)，以確保拆除過(guò)程安全順利進(jìn)行。在拆除施工時(shí)，一旦橋梁進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)出現(xiàn)報(bào)警信息，通過(guò)分析采集的預(yù)警指標(biāo)信息指導(dǎo)下一步拆除施工的實(shí)施。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、跨徑大、不確定因素較多的橋梁結(jié)構(gòu)在拆除施工中進(jìn)行必要的施工監(jiān)控顯得非常重要。

3.1 監(jiān)控方案

施工監(jiān)控應(yīng)在仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)每一個(gè)施工階段的構(gòu)件應(yīng)力和變形情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對(duì)比分析，并設(shè)定橋梁進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)的控制閥值。根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)形式和拆除方案，吊桿拆除后拱肋和系桿受力形式發(fā)生變化，系桿的狀態(tài)控制是保證整個(gè)施工安全的關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際情況主要施工監(jiān)控工況為拆除部分橋面板及中橫梁、吊桿切斷、鑿除風(fēng)撐、鑿斷并吊除拱肋4個(gè)階段。

經(jīng)驗(yàn)算知在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載作用下，吊桿拆除后臨時(shí)墩沉降為15 cm時(shí)，系桿跨中截面累計(jì)變形為26 cm，此時(shí)跨中所受彎矩已經(jīng)達(dá)到系桿抗彎承載能力的96%，因此設(shè)定預(yù)警控制閥值為：

（1）臨時(shí)墩累計(jì)沉降量達(dá)到15 cm；

（2）系桿跨中截面累計(jì)下?lián)现颠_(dá)到26 cm；

（3）監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)力增量異?；虺^(guò)理論增量。

圖6給出了監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)布置位置，主要有系桿中部、臨時(shí)支撐處及其對(duì)應(yīng)的拱肋部位。在控制點(diǎn)處粘貼棱鏡及應(yīng)變傳感器以監(jiān)測(cè)該部位的變形和應(yīng)力變化。系桿中部應(yīng)變傳感器粘貼在系桿底面，支撐部位傳感器粘貼在系桿頂面。

圖6 橋梁監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

3.2 監(jiān)控結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力分析

舊橋拆除施工前，對(duì)不同施工階段的應(yīng)力進(jìn)行了分析計(jì)算。在施工過(guò)程中，通過(guò)與不同階段采集的實(shí)際應(yīng)力數(shù)據(jù)比對(duì)，掌據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律和各構(gòu)件的應(yīng)力情況。圖7給出了各施工階段特征截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值曲線。

圖7 結(jié)構(gòu)特征測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分析

分析可知，在各施工階段理論值的絕對(duì)值均大于實(shí)測(cè)值。結(jié)果表明，有限元計(jì)算獲得的理論解偏于安全。

3.2.2 變形分析

從橋面拆除施工至系桿拆除，各測(cè)點(diǎn)變形量與理論變形值吻合較好，未出現(xiàn)較大異常變形。各工序完成后，監(jiān)控點(diǎn)的變形情況如表1所示。由于夜間通航要求限制，吊桿切割、拱肋拆除后，需間隔一天再進(jìn)行下一道施工工序，考慮在間歇期間臨時(shí)支座可能發(fā)生沉降，故對(duì)間歇期間各特征測(cè)點(diǎn)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)表1數(shù)據(jù)分析可知，系桿的跨中截面累計(jì)最大實(shí)測(cè)變形值為17.1 cm，小于預(yù)警值26 cm。4個(gè)臨時(shí)墩的最大沉降值為8.2 cm，遠(yuǎn)小于預(yù)警值15 cm，因而在主橋拆除施工中，系桿及拱肋結(jié)構(gòu)均處于安全范圍內(nèi)。吊桿切割、拱肋拆除后，間歇期間臨時(shí)支撐發(fā)生一定沉降，造成系桿撓度增大，可見在對(duì)主要構(gòu)件拆除施工后應(yīng)盡量減小間歇時(shí)間。此外，分析可知橋梁各拆除施工階段對(duì)拱肋的變形影響不大，拱肋總體變形量較小，利于保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

該橋航道船舶流量大，通航要求高，通過(guò)制定合理的施工方案，采取施工監(jiān)控等有效措施，保證了通航要求。橋梁拆除過(guò)程中僅暫時(shí)性斷航3次，每次不超過(guò)4 h，最大限度減少了施工對(duì)航道的影響。

航道橋梁往往具有跨度大、橋型復(fù)雜等特點(diǎn)，橋梁拆除過(guò)程中構(gòu)件的受力形式不斷發(fā)生轉(zhuǎn)變，施工方案確定過(guò)程中，應(yīng)對(duì)關(guān)鍵拆除工況進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)算，以保證橋梁拆除各階段的承載能力和穩(wěn)定性。舊橋經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，拆除時(shí)不可預(yù)見因素較多，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜橋梁拆除采取必要的監(jiān)控措施，準(zhǔn)確把握橋梁的受力狀態(tài)是很有必要的。

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表1 主要測(cè)點(diǎn)變形量（單位：cm）