沈海高速閩粵站鋼結構網架收費棚拆除技術

黃伯承

（福建省高速公路養護工程有限公司，福州 350100）

我國高速公路分段建設、逐步成網，實行以省為單位的建設體制和管理體制，各省（區、市）依法設立了省界收費站。 為深化公路收費制度改革，提高綜合交通運輸網絡效率， 降低物流成本，2019 年3 月5 日，李克強總理在政府工作報告中明確提出：兩年內基本取消全國高速公路省界收費站，實現不停車快捷收費，減少擁堵、便利群眾[1-3]。

為深入貫徹落實國務院和交通運輸部的決策部署， 降低已經運營超過17 年的沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結構網架收費棚后續定期防腐、日常維護成本及降低惡劣天氣下桿件掉落的安全隱患，沈海高速公路福建段管理單位組織對其進行拆除。由于受棚架跨度大、凈空高、地面多行車道分隔布置、限時拆除、拆除設備有限等多種因素影響，大跨度鋼結構網架在拆除過程中存在著諸多不可控制安全因數，如網架結構的傾覆、部分桿件的散落、支座推移等[4-7]。 李華[8]、張華平[9]和齊高龍[10]等采用有限元分析的方法， 定性定量的分析大跨度鋼結構網架拆除過程中結構受力變化及提供相應的拆除工序。

本文依托沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結構網架收費棚拆除工程， 結合實際現場拆除條件，制定了安全可靠的拆除方案，通過合理的施工組織設計，安全、順利地完成拆除工作，其拆除方案及施工方法可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結構網架收費棚主體部分為單曲拱螺栓球節點四角錐網架，平面尺寸為（114.45×21.0）m，網架共2 層，下層網架矢高為16.8 m，矢跨比為0.16，半徑R=89.59 m，上、下層網架對應節點距離為3 m，拱腳水平距離為4.994 m，關鍵節點球間偏轉角度為3.5°，上層網架頂部有框架梁和檁條，并覆蓋單層彩鋼瓦，覆蓋面積約2600 m2，網架總重約343 t。 收費棚下設收費車道5 進12出，利用主線收費站實現其收費功能。 鋼結構網架收費棚平面圖、立面圖如圖1、2 所示。

2 方案比選

沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結構網架收費棚平面面積超過2400 m2，總重量達到343 t，拱腳處距地面高度為5 m， 網架頂點距地面近25 m，收費棚下設收費車道5 進12 出， 每天進出的車流量超過1 萬車次，節假日高峰可達2.5 萬車次，鑒于交通壓力及收費管理的相關要求，限時封閉24 h 內進行拆除并清理出主干線4 車道供社會車輛通行。 常規的搭設臨時施工平臺和支撐胎架高度較高，作業面大，現場施工條件及作業時間均不滿足[11]。

圖1 閩粵站鋼結構網架平面圖

圖2 鋼結構網架收費棚結構立面圖（單位：mm）

綜合考慮大跨度鋼結構網架拆除的安全性、經濟性、便捷性，決定采用加長臂液壓剪（拆樓機）分步破壞性拆除方法。 該拆除方法與傳統破壞性拆除的原理不同，選擇2 臺長臂液壓剪分別架立于網架橫向兩側面，保證拆除機械安全作業距離的同時對稱拆除網架弦桿作業，另在兩側布設纜風繩，確保拆除破壞過程為可預見的穩步向下坍塌而不會發生側向的傾覆，保證了施工人員、機械設備的安全且不破壞高速公路路面及護欄等設施，可實現拆除清理后快速開放交通。

3 大跨度鋼結構網架拆除

3.1 拆除基本原則

大跨度鋼結構網架拆除的重難點在于如何保證拆除的安全性，防止網架不可預見的整體坍塌或側向傾覆， 破壞地下人工通道和電纜管道等設施，為此制定拆除基本原則如下：

（1）為防止拆除過程中鋼結構網架整體瞬間不可預見性的坍塌或傾覆，鋼結構網架遵循“先拆除次要構件、后主要構件”的原則。

（2）選擇2 臺31 m 長臂液壓剪（拆樓機）分立于兩側由上向下進行拆除，防止在液壓剪割斷弦桿瞬間產生拉力把液壓剪卡死而帶倒機械。

（3）在網架兩側分別布設兩道纜風繩，確保拆除過程中不會發生側向的傾覆。

（4）拆除過程中實時進行網架主要構件節點的位移監測，為網架的坍塌提供預警。

3.2 有限元模型

采用專業軟件MIDAS/Civil 進行分析計算，空間計算模型見圖3。 沈海閩粵站鋼結構網架整體模型共740 個節點、2736 個單元。 根據竣工圖紙模擬了閩粵站鋼結構網架各桿件截面尺寸、形狀以及連接形式，如上弦桿、腹桿、下弦桿等。 邊界條件模擬時，支座采用一般支承模擬底部固結的受力狀態。

圖3 有限元計算模型

3.2.1 鋼結構網架編號

（1）整體坐標方位編號

鋼結構網架整體從左到右為農田村莊側至收費管理側方向， 從外向里為福建側至廣東側方向，整體坐標方位如圖4 所示。

圖4 拆除整體坐標方位圖

（2）上弦桿編號

上弦桿編號規則為SN-M， 其中N 表示由農田村莊側向收費管理側依次編號為1～45，M 表示為由福建側向廣東側依次編號為1～8， 以第3、4排上弦桿編號為例， 分別編號為S3-1～S3-8 和S4-1～S4-8。

（3）腹桿編號

腹桿編號規則為FN-M，其中N 表示由農田村莊側向收費管理側依次編號為1～76，M 表示為由福建側向廣東側依次編號為1～14，以第四排腹桿編號為例，編號為F4-1～F4-14。

（4）下弦桿編號

下弦桿編號規則為XN-M，其中N 表示由農田村莊側向收費管理側依次編號為1～41，M 表示為由福建側向廣東側依次編號為1～9， 以第四排下弦桿編號為例，編號為X4-1～X4-9。

3.2.2 受力性能分析

在沈海高速公路閩粵站鋼結構網架整體模型中，針對網架節點處螺栓球存在焊接和螺栓連接的2 種方式， 分別以桁架單元和梁單元的方式模擬各網架桿件；有限元模擬逐步拆除過程時，以2 種不同的單元（桁架單元和梁單元）模擬得到的最大位移或最大應力的變化作為結構網架整體坍塌破壞的判定依據。 模擬拆除桿件部分變形圖和應力圖見圖5。 經模擬受力分析，結果如下：

（1）完成步驟1（拆除上弦桿S4-1～S4-8）、步驟2（拆除下弦桿X4-5）、步驟3（拆除下弦桿X4-4、X4-6）、步驟4（拆除下弦桿X4-3、X4-7），鋼結構網架整體處于穩定狀態。

圖5 拆除桿件部分變形圖和應力圖

（2）完成步驟5（拆除下弦桿X4-2、X4-8）時，鋼結構網架上弦桿節點最大變形為-29.1 mm， 與上一步驟相比最大變形變化值為-9.8 mm； 下弦桿節點最大變形為-29.1 mm，與上一步驟相比最大變形變化值為-26.00 mm。鋼結構網架上弦桿最大應力-70.2 MPa，與上一步驟相比最大應力變化值為51.1 MPa；腹桿最大應力80.1 MPa， 與上一步驟相比最大應力變化值為48.3 MPa；下弦桿最大應力-193.0 MPa，與上一步驟相比最大應力變化值為-151.2 MPa。

因此，實施步驟5 后的鋼結構網架整體處于臨界破壞狀態。

通過BIM模型中，進行安裝模擬：首先安裝YZL17；然后安裝YZL8，同時全灌漿套筒全部安裝在YZL8的甩出鋼筋上，移動到梁端一側，布置YZL8一側箍筋；最后，在YZL9就位前，將YZL9側箍筋先穿在梁甩出鋼筋上，安裝就位，移動全灌漿套筒，在移動箍筋間距控制在200mm。

（3）完成步驟6（拆除下弦桿X4-1、X4-9），鋼結構網架整體坍塌。

3.3 拆除位置選定與纜風繩布設

沈海高速公路閩粵站鋼結構網架左側為農田，右側為征費管理所，其下跨從左向右依次為新鋪筑的四車道瀝青混凝土路面、安檢區、雙向收費進出12 車道，如圖6 所示。

圖6 鋼結構網架收費棚結構照片及下跨區域示意圖

3.3.1 加長臂液壓剪拆除位置選定

鋼結構網架為不同規格長度的上、下弦桿及腹桿通過螺栓球栓接或焊接而成，采用加長臂液壓剪快速剪切施工過程中會存在構件內力重分配，部分桿件受力瞬時增大， 可能存在桿件連接失效后出現飛濺的不安全隱患， 因而選擇靠近農田側進行拆除。

靠近農田側為新鋪筑四車道瀝青混凝土路面，中間為中央分隔帶（鋼筋混凝土護欄），在滿足加長臂液壓剪安全作業高度及半徑的前提下，最大程度地保護主干道設施，以便于快速恢復交通，從而選擇拆除主干道靠近安檢區域的波形防護欄，在主干第3、4 車道處進行拆除作業，距離農田側網架拱腳水平距離約10～18 m， 對應網架距地面高度為12～18 m，31 m 長臂液壓剪由上向下拆除作業長度為28 m， 可得長臂液壓剪作業最大半徑約為21.5～25.5 m，網架橫向寬度為21 m，2 臺31 m 長臂液壓剪拆除作業時其安全距離均超過10 m，滿足安全作業要求，因此選定此處為加長臂液壓剪拆除位置。

3.3.2 纜風繩布設

為進一步確保加長臂液壓剪快速拆除過程中不發生側向傾覆而進行纜風繩的布設，考慮到單曲拱鋼結構網架受力特點，同時不破壞新鋪筑瀝青混凝土路面及下部收費設施，選擇在網架縱向1/3、2/3處主要受力的下弦桿對稱布設纜風鋼絲繩，其位置分別處于安檢區和由收費管理所起第8 車道處，采用護欄打樁機在混凝土路面埋設深度超過1 m 的鋼樁，選擇直徑為30 mm 的鋼絲繩與地面呈45°布設，能對結構拆除過程中防止向外傾覆形成較好的輔助作用。

本工程在進行鋼結構網架收費棚拆除前，需要提前進行清場及相關收費管理設施的移除，為收費棚的破壞性拆除預留足夠的施工場地。 總體拆除施工流程如下：

收費管理等附屬設施清除→拆除機械作業位置及破壞部位下方橡膠輪胎鋪墊→纜風繩布設→網架關鍵節點位移監測點布設→加長臂液壓剪就位→拆除網架上部彩鋼板及上弦桿→拆除部分腹桿→兩側對稱拆除下弦桿直至坍塌→氣割切除拱座約束→分段切割網架并吊運至堆放場地→主干線4 車道場地清理→恢復交通。

3.4 拆除施工要點

按照上述拆除方案及施工工藝，嚴格把控各施工步驟要點，最終安全、順利地完成網架拆除。 拆除施工要點總結如下：

（1）拆除前對所有技術人員及施工人員進行技術交底和安全教育，確保按預先確定網架拆除順序統一指揮進行拆除，不能隨意更改，同時做好各方向100 m 范圍內的安全警戒。

（2）拆除前對主干4 車道路面、防護欄、中央分隔帶，以及拆除機械操作位置鋪設橡膠輪胎進行防護，避免拆除過程中對其造成損壞。

（3）纜風繩上部需固定在網架結構主要受力的下弦桿， 下部需固定在具有足夠抗拔力的鋼樁上，且纜風繩初始力不應過大。

（4） 拆除過程中先拆除覆蓋于上部的彩鋼板，然后兩側對稱拆除次要的上弦桿和部分腹桿，為主要受力的下弦桿拆除打開足夠的操作空間。

（5）由上向下，由外向內同步對稱拆除下弦桿，每拆除一對下弦桿需進行停頓并監測網架主要受力節點的位移變化，待結構完全穩定后方可進行下一步拆除。

（6）拆除下弦桿過程中，網架主要受力節點位移監測出現較大變化應立即通知拆除機械手后撤。

（7）網架整體坍塌后合理組織機械設備人員及現場施工人員進行拆除清運，采用長臂液壓剪進行分段拆除，汽車吊進行吊裝，平板運輸車運送至指定存放點。

4 結論

（1）本文針對鋼結構網架受力特點遵循“先次要構件、后主要構件”拆除的原則，并結合交通管制及現場拆除作業條件提出了采用2 臺加長臂液壓剪分步破壞性快速拆除的方案。

（2）結合現場施工條件，滿足31 m 長臂液壓剪作業高度及半徑， 最大程度地保護主干道設施，選定了安全、合理的拆除作業位置，同時對稱布設纜風繩對結構拆除過程中防止向外傾覆形成較好的輔助作用。

（3）遵循拆除基本原則，制定合理的施工工藝流程，嚴格把控各施工步驟要點，在24 h 內安全順利地拆除了沈海閩粵站鋼結構網架并清理出主干4車道，實現了影響最小和交通快速恢復的目標。