鋼管混凝土系桿拱橋臨時系桿法拆除技術

岳忠文,黃 翔

(1.淮安市航道管理處，淮安 246000；2.中交二航局第四工程有限公司，蕪湖 241000)

1 工程難點

京杭運河淮海路大橋老橋采用主跨54.8 m系桿拱結構，老橋拆除施工邊界條件較差，其在施工及安全方面存在一系列需要解決的技術難題：

1.1 拱橋拆除支撐難度大

拱橋拆除工藝主要有整體拆除及分段拆除。整體拆除包含整體吊裝、爆破拆除、整體船舶頂升托運。受橋梁結構現狀、航道實際情況，拱橋需分段進行拆除，常規拱橋拆除時需對拱圈進行支架支撐，但京杭運河航道通航頻繁，老橋主跨54.8 m寬度范圍搭設支架對通航影響較大，拱橋拆除支架支撐難度大。系桿拱拆除時結構受力體系破壞，需針對工程的特點，尋找一種施工操作方便、安全可靠的體系解決拱橋支撐問題。

1.2 拱橋分段拆除吊裝難度大

京杭運河航道凈高為7 m，大型水上起重浮吊設備進場受限。拱橋拱肋、拱肋單件重量大，需通過兩臺浮吊抬吊進行拱橋主要構件拆除，吊裝重量重、浮吊抬吊協作要求高。

1.3 拱橋拆除時安全穩定性控制

三幅拱橋采用分段拆除，拆除時結構受力體系發生變化，支撐、切割、吊裝、移運等施工環節安全風險源較多，施工安全控制難度大。

1.4 拱橋分段單次拆除允許時間短

京杭運河為黃金水道，航務繁忙，航道單次斷航時間不允許超過4個小時，構件拆除需在一個封航時間段內完成。系桿拱系桿及拱肋吊裝難度大、吊裝重大、切割面積多，需緊湊施工工藝，提高單次拆除施工工效。

因此，需對系桿拱橋拆除支撐體系、構件吊裝、安全控制、高效拆除進行專項研究。

2 混凝土系桿拱橋拆除

2.1 鋼管拱臨時系桿鎖定

拱橋系桿拆除后因墩頂簡支結構的支座無法提供水平推力，拱肋將在自重作用下破壞，因此拱肋需先支撐后拆除。

(1)精軋螺紋臨時系桿

拱肋支撐考慮在系桿拆除前采取臨時系桿加固措施，臨時系桿由兩個設置自在拱腳處的Φ32 mm精軋螺紋鋼組成，總長47.8/45.7 m，通過反力牛腿與拱腳連接，精軋螺紋縱向自重通過在吊桿焊接水平角鋼進行支撐，確保臨時系桿只受拉。

經計算，拱肋在自重作用下產生的水平推力為65 t，兩個臨時系桿端部各施加32.5 t預緊力，用于抵消拱肋水平推力。

圖1 精軋螺紋臨時系桿側面布置圖

(2)拱腳塞填

老橋為5跨結構，引橋為4跨16.7 mT梁，通過橋臺與路基相連，主跨拱橋與邊跨T梁間縫寬寬6 cm，為提高拱橋系桿拆除后拱肋結構安全性，在單跨簡支伸縮縫處采用鋼板填充密實，拱肋水平力可通過邊跨T梁傳遞至橋臺，通過橋臺克服水平推力，提高拱肋結構的安全性。

圖2 精軋螺紋臨時系桿側面布置圖

(3)拱腳反壓

為進一步提高系桿拆除時拱肋的安全性，在拱腳根部設置了豎向反壓裝置，單個拱腳處該裝置由兩根Φ32 mm精軋螺紋，及2工22a反壓梁組成，反壓精軋螺紋施加20 t預應力。拱腳底部支座附近塞填型鋼，通過反壓裝置增加拱腳底部摩阻，利用墩帽輔助抵消拱肋的水平推力，以進一步提高拱肋安全性。

圖3 拱腳反壓裝置圖

2.2 鋼管混凝土拱拆除

(1)系桿拆除

混凝土拱橋拆除完成進行鋼管拱橋拆除，鋼管拱橋先拆除兩根系桿，拱肋通過臨時系桿進行鎖定，系桿拆除前進行橋面附屬及中橫梁拆除，系桿采用靜力切割，采用兩臺150 t浮吊一次性吊裝，單根系桿總重160 t，切割面靠近拱腳根部，四點吊最合理吊點布置距離梁端分別為0.104 L、0.396 L。

系桿吊裝時浮吊船選用60°仰角、23 m吊幅，其抬吊吊重127×2×0.9=228.6 t，系桿考慮1.1倍動荷載系數為176 t，吊重滿足系桿拆除要求。吊裝時選用6×37Φ72規格，破張力250 t，鋼絲繩夾角72°，安全儲備為6倍，鋼絲繩滿足拱肋吊裝要求。

圖4 鋼管拱拱肋拆除側面布置圖

系桿切割先采用氣割將外包鋼箱切割出切割線，露出混凝土。然后采用鏈式切割機進行切割，系桿切割立面從上到下成“正八字”形，平面上成“正八字”形，平面切割傾角取5°，豎向切割傾角取45°，便于系桿先下放再水平前移后提升，留有足夠空間移運出拱肋線。

(2)鋼管拱拱肋拆除

鋼管拱跨度54.8 m，高8.5 m，鋼管拱肋采用Φ700×16 mm鋼管，填充C50混凝土，吊桿采用10根Φ194×16 mm鋼管，風撐采用3根Φ402×16 mm鋼管，鋼管內填充C40混凝土。單幅橋拱肋、吊桿及風撐結構自重共164 t。

鋼管拱拱肋采用兩臺150 t浮吊一次性吊裝，結構總重164，拆除時浮吊船選用60°仰角、23 m吊幅，其抬吊吊重127×2×0.9=228.6 t，拱肋、風撐、吊桿考慮1.1倍動荷載系數為180.4 t，吊重滿足系桿拆除要求。

吊裝時采用八點吊，每個拱肋出設置四點，采用4根鋼絲繩，每根鋼絲繩分別捆綁兩側拱肋。鋼絲繩采用6×37Φ56規格，破張力156 t，安全系數6.8，鋼絲繩滿足拱肋整體吊裝要求。

圖5 鋼管拱橋拱肋整體拆除側面布置圖

3 系桿拱橋拆除安全風險控制研究

3.1 風險分析

系桿拱橋通過系桿克服拱肋產生的水平推力，自身為穩定的結構。系桿拱橋分段拆除時整體結構發生了體系變化，受力復雜，拱肋及系桿均無法獨自承受自重。須對拆除剩余部分結構安全穩定、已切割結構吊裝時安全穩定兩者的不利情況及不利因素進行分析并提出控制措施。

表1 拱橋拆除風險分析及控制內容

經分析，兩種拱橋在系桿及拱肋拆除過程中，結構整體性差，需重點進行結構及支撐系統安全穩定性控制。

3.2 鋼管混凝土拱橋拆除安全驗算

單幅拱橋兩側系桿分別拆除。先拆除下游側系桿，再拆除上游側系桿，采用靜力切割工藝，兩臺150 t浮吊船進行抬吊。

(1)下游側系桿拆除

下游側拱系桿切斷后，在自重作用下兩個拱肋彎矩及剪力均較小，軸力最大2 079 KN<26 266 KN；剩余上游側系桿彎矩最大321 KN·m<3 627.4 KN·m，剪力113.4 KN<4 075 KN。鋼管拱剩余部分結構內力均未超過抗力值，結構安全。

兩側拱肋根部分別安裝兩根Φ32精軋螺紋，下游系桿拆除前下游側兩根精軋螺紋共施加65 T預緊力。系桿拆除后精軋螺紋拉力增長至65.6 T，精軋螺紋應力滿足拱肋鎖定要求。

(2)上游側系桿拆除

上游側系桿拆除前上游側兩根精軋螺紋共施加65 T預緊力。上游側系桿切斷后剩余結構拱肋軸力、彎矩均較小。兩根精軋螺紋內力為65 T，拱肋拱腳縱向水平位移較小，僅3 mm，結構安全。

鋼管拱采用臨時精軋螺紋鎖定，先拆除系桿，再拆除拱肋的工藝，經驗算拆除過程自身結構安全，安全儲備較大。

(3)鋼管拱吊裝

鋼管拱肋通過臨時精軋螺紋系桿鎖定后進行單幅橋兩側系桿拆除。系桿通過兩臺150 t浮吊抬吊，吊點設置在第2、4、7、9根吊桿根部處，系桿切割長度48.9 m，切割系桿重量160 T。經計算系桿內力最大值位于吊點附近，該系桿在承載能力極限狀態下，結構各控制截面的正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力均滿足規范要求。

表2 系桿吊裝時承載能力計算結果

鋼管拱肋采用Φ700×16 mm鋼管，填充C50混凝土，單幅橋通過臨時精軋螺紋系桿鎖定拱肋后拆除系桿，然后在拱腳位置處切斷兩側拱肋，混凝土拱肋與吊桿同時吊裝，采用兩臺150 t浮吊抬吊，四根鋼絲繩八點吊，分別捆綁兩側拱肋第2、4、7、9根吊桿頂面根部。

經計算系桿內力最大值位于吊點附近，該拱肋在承載能力極限狀態下，結構各控制正截面抗彎承載力、抗剪承載力以及組合應力均滿足規范要求。

表3 鋼管拱肋時承載能力計算結果

3.3 拱橋拆除安全保障措施

(1)拱橋拆除變形觀測

從橋面拆除施工至系桿拆除，各測點變形量與理論變形值吻合較好，未出現較大異常變形。系桿的跨中截面累計最大實測變形值為2.0 cm，小于預警值15 cm。橋梁各拆除施工階段對拱肋的變形影響不大，拱肋總體變形量較小，利于保持結構穩定。

(2)結構預緊力施加

拱橋在發生破壞前拱肋、吊桿、系桿形成多次超靜定穩定體系，當吊桿切斷后拱肋與系桿的聯系瞬間消失，會引其橋梁結構的劇烈振動，不利于保證施工安全。拱肋與系桿吊裝時，在切斷順間，結構重量轉移至起重浮吊船，將會給浮吊船沖擊，因此受力構件防止施工過程振動，需在支撐及吊裝過程施加預緊力。

混凝土拱拆除過程，拱肋吊裝時反吊貝雷梁通過吊桿施加所承受系桿重量荷載荷載的1.0倍預緊力；鋼管拱拆除過程，系桿切斷時臨時精軋螺紋施加拱肋水平推力的1.0倍的預緊力；拱肋、系桿、拱腳等構件吊裝時浮吊船施加結構自重的1.05倍預緊力。

(3)鋼管拱拱腳鎖定保險措施

兩側橋鋼管混凝土拱橋內部由拱肋、吊桿、系桿組成，系桿克服拱肋水平推力，為超靜定體系，拱橋整體為靜定體系。拱橋系桿拆除后因墩頂簡支結構的支座無法提供水平推力，拱肋將在自重作用下破壞，因此拱肋需先支撐后拆除。

拱肋支撐考慮在系桿拆除前采取臨時系桿鎖定措施，兩個臨時系桿端部各施加65 t力，用于抵消拱肋水平推力。同時采取拱腳反壓裝置及伸縮縫塞填的保險措施，確保拱肋在系桿切斷后無較大的變形。

(4)拱肋橫向剛度提高措施

拱腳位置處切斷兩側拱肋，混凝土拱肋與吊桿同時吊裝，采用兩臺150 t浮吊抬吊，四根鋼絲繩八點吊，分別捆綁兩側拱肋第2、4、7、9根吊桿頂面根部。

拱肋整體吊裝時鋼絲繩對拱肋有向內的拉力，為確保拱肋吊裝時結構安全性，在吊點位置處增加鋼管臨時風撐，以提高拱肋橫向剛度。

(5)構件切割安全措施

①在施工區域設置兩道防護屏障，無關人員不得進場；

②在切割前對繩鋸機進行試運轉，確定設備運行和水源供應正常的情況下方可進行切除；

③切割時切割段面內禁止人員通行，切割安裝保護罩，設置警示標志及護擋板；

④合理設置切割順序， 防止混凝土崩裂， 切割

斷面和各區域切割盡量同步，減少沖擊作用；

⑤切割人員穿防滑鞋，切割時隨時清理橋面水泥漿，防止滑倒。

(6)結構吊裝安全措施

①構件吊裝時通過詳細計算模擬，確定吊裝相關參數，確保吊裝安全；

②計算吊點位置，減小不平衡力，確保切割下放過程中構件平穩；

③構件切斷前施加預緊力，嚴格對下放過程同步性進行控制；

④從切割方式上確保切割斷面平整，防止箱梁在下放過程中卡住；

⑤在結構吊裝能發生自由運動方向采取必要制動措施。

4 總 結

隨著橋梁建設事業不斷發展，舊橋拆除新建愈發頻繁。針對運河航道內無法搭設支架難題，研發了臨時系桿裝置進行體系轉換，形成先拆梁再拆拱的施工工藝，指導現場拆除安全、高效實施。通過有限元模型進行拆除全施工階段模擬分析，確保拆除及吊裝過程安全；施工過程引入拱腳鎖定保險、拱圈穩定、預緊力施加等措施進一步提高拆除施工過程安全，實現拱橋拆除全面受控。本工程拱橋拆除關鍵技術的成功實施，可為類似復雜環境的橋梁拆除施工提供借鑒。