空腹式石拱橋拱上填料拆除施工方案分析

王一飛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

石拱橋是一種造型美觀、承載潛力大、方便就地取材的橋型，在我國具有悠久的歷史。隨著運(yùn)營時間的增加，早期修建的石拱橋均出現(xiàn)不同程度的病害，尤其是主拱圈裂縫和橋面系，目前常用的加固方法是卸載法，即將原有拱上填料換成更輕質(zhì)的材料，在主拱圈加固完成后再按拆除順序相反的工序回填。由于石拱橋材料抗拉強(qiáng)度低，加之空腹式結(jié)構(gòu)本身受力狀態(tài)復(fù)雜，所以該類型橋梁在施工階段，特別是拆除施工階段的受力特點尤為重要，擬通過一座實橋拱上填料的拆除分析，對該類橋梁拆除施工階段的受力特點進(jìn)行深入研究[1]。

1 橋梁概況

本文所述需要拆除的橋梁為一座空腹式石拱橋，主拱跨徑為3-凈16 m，腹拱跨徑為凈2 m。主拱圈厚度為0.8 m、腹拱圈厚度為0.3 m。主拱圈為無鉸拱；主拱圈頂最大填料厚度為135 cm，最小填料厚度為65 cm；腹拱圈頂最大填料厚度為120 cm，最小填料厚度為65 cm。下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)，拱圈、立墻及墩臺身材料為漿砌塊石（見圖1）。

該橋本次需要拆除的部位為全橋橋面系及拱上填料均全部拆除，主拱圈及部分腹拱圈進(jìn)行加固處理。

圖1 橋型布置圖

2 拱上填料拆除方案

限于篇幅，僅對該橋拱上填料的拆除過程進(jìn)行優(yōu)化分析，初步擬定以下3種拆除方案[2]。

2.1 方案一

主要考慮到節(jié)約時間、方便施工。具體實施方案：從中跨跨中依次向兩橋臺處對稱拆除拱上填料，橫橋向一次性拆除。

2.2 方案二

主要考慮到全橋拆除過程中各階段受力均衡，方便施工。具體實施方案：從中跨跨中依次向兩橋臺處對稱拆除拱上填料，橫橋向分3次拆除（見圖2）。

圖2 方案一、二拆除工序圖

2.3 方案三

同時考慮到全橋、每跨及腹拱跨的受力均衡。具體實施方案：從主跨每跨跨中依次對稱向拱腳處拆除拱上填料，橫橋向分3次拆除（見圖3）。

圖3 方案三拆除工序圖

3 計算圖示及單元劃分

為了模擬全橋拱上填料拆除過程，本次分析采用Midas桿系進(jìn)行拆除施工模擬，材料的容重、彈模等計算參數(shù)按規(guī)范取值。其中每孔主拱圈縱橋向劃分為20個單元，從第一跨到第三跨依次編號為1～60號單元；每孔腹拱圈劃分為8個單元，依次編號為61～156號（見圖4）。

圖4 單元劃分圖

4 拆除施工計算結(jié)果及分析

由于本次計算單元劃分較密，為了表達(dá)清晰直觀，僅以圖示方式顯示各方案的最不利工況計算結(jié)果，如圖5所示。

圖5 各方案最不利階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

由圖5可見，方案一中當(dāng)5、8號腹拱頂填料被完全拆除時，墩頂立墻根部的最大拉應(yīng)力為1.301 MPa，遠(yuǎn)超過圬工砌體的抗拉強(qiáng)度。

方案二中當(dāng)5、8號腹拱頂填料被完全拆除時，墩頂立墻根部的最大拉應(yīng)力為0.287 MPa，同樣超過圬工砌體的抗拉強(qiáng)度。

方案三中當(dāng) 4、5、8、9 號腹拱頂填拆完后，1、2、4、5、7、8 號立墻根部最大拉應(yīng)力為 0.063 MPa，低于圬工材料的抗拉設(shè)計強(qiáng)度。

從3種方案的計算結(jié)果來看，方案一拆除施工階段劃分少，計算簡單，主要考慮全橋?qū)ΨQ拆除，主拱圈及墩身受力均衡，但未考慮到墩頂立墻局部的受力狀態(tài)；方案二主要考慮采用分塊拆除的方案，對方案一進(jìn)行了優(yōu)化，橫橋向分3次拆除，盡可能降低施工過程中的應(yīng)力變化，但應(yīng)力依然較大；方案三同時考慮每一跨拆除過程上的對稱性，以及墩頂腹拱和立墻受力的均衡性，橫橋向同樣分3次拆除，結(jié)構(gòu)整體及各部件受力狀態(tài)更加合理，拉應(yīng)力水平比其他兩種方案有明顯的降低。

5 結(jié)論

a）石拱橋與一般混凝土橋梁有很大的差別，由于其材料抗拉性能差、自重大等缺點，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制拉應(yīng)力水平，充分發(fā)揮其抗壓性能高的優(yōu)勢。

b）空腹式石拱橋結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，拆除施工過程中應(yīng)同時考慮主拱圈及拱上建筑等各部位的應(yīng)力水平和施工工序的對稱性，以保證結(jié)構(gòu)的施工安全。