非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋拆除工藝研究

譚仁兵, 馬馬, 霍嘯蘇

(江蘇交科交通設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 淮安 223001)

1 引言

老橋、危橋的拆除工作是一項(xiàng)技術(shù)難度、安全風(fēng)險(xiǎn)較大的工程，拆除過程中充滿著許多不確定的因素。近年來，隨著交通流量的增大、荷載等級(jí)的提高、道路及航道等級(jí)的提升，許多橋梁已不能適應(yīng)目前的交通發(fā)展。同時(shí)因各老橋所處的位置、結(jié)構(gòu)體系等不同，拆除中需面對(duì)及解決的問題也復(fù)雜多樣，所以選擇合適的拆除方案顯得尤為重要。

淮鋼大橋?yàn)榻K省淮安市西安路上的一座跨越京杭運(yùn)河的大橋，橋梁建成于1990年，荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用汽車-20級(jí)，掛車-100。主橋橋型為獨(dú)塔雙索面非對(duì)稱斜拉橋，橋梁全長194 m，橋跨布置為獨(dú)塔雙索面斜拉橋(邊跨64 m混凝土主梁+主跨90 m鋼結(jié)構(gòu)橋梁)+2×20 mT梁，橋面寬度為：2.5 m(人行道)+12 m(行車道)+2.5 m(人行道)，總寬17 m。

因淮安市快速一期建設(shè)工程的需要，淮鋼大橋已不能滿足道路通行的需求，同時(shí)京杭運(yùn)河于淮安市境內(nèi)為Ⅱ級(jí)航道，最高通航水位為10.63 m，通航標(biāo)準(zhǔn)按最高通航水位滿足凈空110 m×7 m控制。原有老橋既不能滿足道路通行需要也不能滿足航道通航需求，故需考慮對(duì)淮鋼大橋進(jìn)行拆除新建。

老橋跨越航運(yùn)繁忙的京杭運(yùn)河且位于淮安城區(qū)段，采用爆破法拆除橋梁必將影響通航安全，且嚴(yán)重影響周圍的環(huán)境，造成一定的社會(huì)影響。因此必須選擇適用、安全的老橋拆除方案來保證橋梁的順利拆除，經(jīng)過綜合考慮比選，最終確定主橋采用靜力拆除方案。

2 拆除總體方案概述

2.1 淮鋼大橋構(gòu)造簡述

淮鋼大橋主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，主跨(北側(cè)河跨)為90 m工字鋼縱橫梁、鋼筋混凝土橋面組合梁，邊跨(南側(cè)岸跨)為64 m現(xiàn)澆后張預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土縱梁、預(yù)制鋼筋混凝土橫梁，微彎板組合結(jié)構(gòu)。主橋索塔位于南側(cè)河岸，采用墩、塔、梁固結(jié)體系，塔高為46 m，順橋向?yàn)榈筜形，橫橋向?yàn)镠形。斜拉索按扇形布置，全橋共42根，河跨每組2根，橋面索距為10 m；南岸跨每組1根，橋面索距為7.3 m。南岸跨主梁設(shè)3列鋼管柱+單鏈桿擺式支座，將64 m南岸跨分成3跨，鋼管柱為直徑325 mm的鋼管混凝土柱，鋼管壁厚20 mm，單排設(shè)2根鋼管柱，其下為混凝土底座，主橋布置圖見圖1。

主跨(北側(cè)河跨)工字鋼縱梁長86 m，高1.65 m，按索距10 m分段制作，全橋共分為GL1～GL9段；兩縱梁間用高1.14 m的橫梁連接，橫梁間距2.5 m，縱、橫梁接頭分別采用M24、M22高強(qiáng)緊固摩擦型連接，現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面厚0.18～0.25 m，其上鋪設(shè)8 cm瀝青鋪裝層。

邊跨(南側(cè)岸跨)采用現(xiàn)澆后張預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土縱梁，預(yù)制鋼筋混凝土橫梁，微彎板組合結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)澆縱梁高1.9 m，寬1.4 m；預(yù)制橫梁高1.04 m，寬0.3 m，橫梁距離為2.4 m；微彎板由2.05 m一節(jié)拼裝而成，其上為瀝青鋪裝層。

2.2 老橋拆除流程

該橋?yàn)樾崩瓨蚪Y(jié)構(gòu)體系，多次超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，拆除風(fēng)險(xiǎn)較大，目前可供參考的類似橋梁拆除方案較少。為達(dá)到可行、安全、合理的拆除目的，考慮采用對(duì)原有老橋建造過程的一個(gè)“倒拆”方式進(jìn)行拆除。原有建橋順序概述如下：① 搭設(shè)主塔到南岸橋臺(tái)滿堂腳手架；② 施工1#～4#墩柱，同步施工北岸5#～7#墩；③ 施工南岸跨縱橫梁并張拉預(yù)應(yīng)力，之后安裝微彎板，同步施工北岸引橋；④ 施工主塔；⑤ 通過北岸臨時(shí)地錨、主塔上橫梁、南岸臨時(shí)地錨設(shè)置纜載吊機(jī)，通過纜載吊機(jī)吊裝施工GL1梁段，之后進(jìn)行橋面板澆筑，橋面板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值并拆除橋面板模板后，施工GL2梁段；⑥ 通過纜載吊機(jī)吊裝施工GL2梁段，安裝1#、1′#索，之后進(jìn)行橋面板澆筑，橋面板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值并拆除橋面板模板后，張拉斜拉索；⑦ 重復(fù)步驟⑥，直至全部河跨施工完畢，拆除臨時(shí)措施，施工橋面系及附屬措施。橋梁建設(shè)完畢。

經(jīng)對(duì)原有建橋過程的仔細(xì)分析，因現(xiàn)狀條件與原建橋時(shí)所處的環(huán)境有所不同，故不可能完全采用建橋過程的逆向進(jìn)行，但是總體上本著“倒拆”的思路考慮橋梁拆除，全橋拆除施工流程圖如圖2所示。

圖2 全橋拆除施工流程圖

3 橋梁拆除有限元建模分析

橋梁的拆除施工與新建橋梁不同，因拆除結(jié)構(gòu)一般都已運(yùn)營多年，橋梁結(jié)構(gòu)的時(shí)變特性已經(jīng)穩(wěn)定，故計(jì)算過程中，此類問題已不需考慮，而需重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀工作狀態(tài)。

為保證拆橋過程安全可靠，對(duì)橋梁現(xiàn)狀索力(索力值見表1)、主橋工作情況等進(jìn)行了檢測，并依據(jù)檢測狀況，采用Midas Civil對(duì)橋梁進(jìn)行了拆除全過程的分析，梁、主塔、基礎(chǔ)等采用梁單元，斜拉索采用桁架單元，全橋共計(jì)300個(gè)節(jié)點(diǎn)，350個(gè)單元。

表1 橋梁拉索現(xiàn)存索力值

根據(jù)總體“倒拆”思路，將結(jié)構(gòu)模擬為表2所示工況進(jìn)行計(jì)算。

表2 橋梁拆除計(jì)算工況

根據(jù)有限元模型，對(duì)拆除過程中主要構(gòu)件的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，并判斷主要構(gòu)件是否能滿足受力要求分析結(jié)果見表3～5。

表3 河跨鋼主梁應(yīng)力

表4 主塔根部最大彎矩值

由表3可知：在橋梁拆除過程中，鋼主梁最大拉應(yīng)力為153.2 MPa，最大壓應(yīng)力為138.9 MPa，河跨工字鋼縱梁材質(zhì)為16Mn鋼(彎曲應(yīng)力設(shè)計(jì)值為210 MPa)，在橋梁拆除過程中，河跨鋼縱梁應(yīng)力值始終維持一定的富余值。由表4可知：在橋梁拆除過程中，主塔根部最大彎矩值能保持一定的安全系數(shù)。

表5 岸跨混凝土主梁最大彎矩值

由表5可知：在工況6～8拆除過程中，岸跨混凝土主梁的彎矩值已超過主梁截面抗力，表明岸跨混凝土主梁在拆除過程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)。在岸跨混凝土主梁施工時(shí)，邊跨相當(dāng)于堆在滿堂支架上的混凝土散體重量，而倒拆橋時(shí)已成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并具有承受荷載的能力，故為解除岸跨混凝土拆除風(fēng)險(xiǎn)，考慮在邊跨設(shè)置少量支架鋼管支撐。

4 橋梁拆除過程監(jiān)控分析

根據(jù)上節(jié)的理論分析可知，該橋梁拆除方案理論上安全可行。在淮鋼大橋拆除過程中，結(jié)構(gòu)在每個(gè)拆除工況不停地變化，每節(jié)段拆除中就包括了斜拉索拆除、橋面板拆除、鋼橫梁拆除及鋼縱梁的拆除，且施工中吊裝重量及各種臨時(shí)荷載不斷變化；為保證橋梁拆除安全可控，必須對(duì)橋梁的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中主要位移監(jiān)測點(diǎn)包括：每根拉索在梁上的外側(cè)位置處(SZ1～SZ7)、塔頂位移(TSZ1)，主要應(yīng)力檢測點(diǎn)包括：主塔根部(YL1、YL2)、臨時(shí)鋼管支撐處(GYL1～GYL6)等，具體位移及應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 位移及應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置圖

在各工況拆除過程中，對(duì)相應(yīng)控制截面處的變形進(jìn)行觀測，以便掌握橋梁當(dāng)前的變形狀況，為橋梁拆除提供有效、安全的保證。表6、7分別為控制斷面的理論計(jì)算值及現(xiàn)場觀測值的比較，其值以向上為正，向下為負(fù)。

表6 河跨鋼梁懸臂端、塔頂變形值

表7 主塔河側(cè)、岸側(cè)根部應(yīng)力變化值

從表6、7可看出：在拆除相應(yīng)節(jié)段的斜拉索后，梁段位移均有不同程度的下?lián)希诓鸪鄳?yīng)節(jié)段的橋面板后，會(huì)有較大幅度的上翹；塔頂位移也隨著不同的拆除工況發(fā)生一定程度的左右變形；另外主塔根部的應(yīng)力值，由計(jì)算模型可知主要為壓應(yīng)力，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，主塔根部的應(yīng)力變化幅度較小。

另外，通過現(xiàn)場實(shí)測得到臨時(shí)鋼管支撐的壓應(yīng)力基本為35 MPa以下；由以上分析可知，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本上與理論分析保持一致，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)變化比較明確，拆除過程處于安全可控的狀態(tài)。

5 結(jié)論

歷時(shí)3個(gè)多月，該非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋的拆除工作順利結(jié)束，通過對(duì)大橋拆除工況的計(jì)算分析及實(shí)時(shí)監(jiān)控，得出以下主要結(jié)論：

(1) 對(duì)于大橋的拆除，必須按照事先指定的總體拆除方案，進(jìn)行理論計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)方案中的不足及可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并采取措施降低風(fēng)險(xiǎn)源，確保拆除方案理論上安全可行。

(2) 獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu)，每個(gè)不同的拆除工況，都會(huì)引起結(jié)構(gòu)受力的反復(fù)變化，采取切實(shí)有效的監(jiān)控措施，可隨時(shí)監(jiān)測橋梁工作狀況，并判斷撓度、應(yīng)力等是否與理論計(jì)算保持一致，保證結(jié)構(gòu)處于可控狀態(tài)。