跨鐵路繁忙干線既有橋梁拆除關鍵技術研究

張萬國

(中鐵十四局集團第四工程有限公司 山東濟南 250002)

1 緒論

近年來，隨著城市發展進程的不斷加快，人們對交通配套設施的依賴逐年上升，越來越多的橋梁，特別是城市跨鐵路橋梁因年久失修和巨大的載荷已無法滿足城市快速發展的需求。如何安全高效地拆除跨鐵路既有橋梁最為關鍵[1－4]。

針對以上問題，國內許多專家對此展開了研究。金順利[5]針對跨多條鐵路線進行橋梁拆除施工難度大、風險高的問題，提出了“利用舊橋建新橋，利用新橋拆舊橋”的施工方法，解決了相鄰鐵路線間空間狹窄難施工的問題，并結合理論計算與現場監測驗證了架橋機吊運施工過程的安全性。許冬萍[6]結合某高速公路改擴建工程，介紹了不同跨徑的橋梁上部結構和蓋梁的拆除施工方案，重點對架橋機和汽車吊兩種梁板拆除施工技術以及抱箍支架蓋梁拆除施工技術展開分析。王璞[7]根據爆破部位尺寸、材料采用不同的爆破參數，來控制爆破有害效應；通過逐跨延時爆破網路，有效降低了塌落振動強度；應用塌落振動公式和測振儀，來驗證爆破振動強度值在安全允許范圍內；采用竹排和輪胎的防護方案，有效降低了飛石距離，確保了緊鄰既有橋梁的安全。倪明亮[8]采用ANSYS/LS-DYNA動力有限元軟件，建立新橋、舊橋以及河道的三維數值模型，模擬了舊橋從起爆到觸地的全過程，并優化起爆時間和起爆順序，提出了降低水位以減小涌浪影響，從而降低新橋橋墩損傷的風險。

本文以長春市西安橋改造工程跨京哈鐵路舊橋拆除施工項目為依托，根據施工現場復雜的外部環境以及上跨鐵路繁忙干線施工極高的安全風險等綜合因素確定既有剛構橋梁拆除的施工方案。

2 既有橋概況

西安橋位于長春市城市主干路西安大路上，橋梁上跨京哈鐵路，為一座東西走向的三幅三跨鋼筋混凝土橋梁，橋梁全長37 m，跨徑組合為(8＋21＋8)m。中幅橋梁為雙懸臂門式混凝土剛構橋，南北兩側邊幅為帶掛孔的簡支懸臂梁橋。

中幅橋修建于20世紀30年代，橋梁使用年限近90年，目前相關設計和竣工資料均已遺失。根據西安橋擴寬工程圖紙(長春市勘測設計處1984年5月)得知，中幅橋設計荷載為汽車-13級、拖車-60。橋梁為雙懸臂門式剛構橋，中跨跨徑為21 m，兩邊跨懸臂長度均為8 m，上部結構均由10榀變截面整體現澆T梁組成，橋面板整體澆筑，下部結構采用排架式橋墩，設系梁，見圖1a。

圖1 中幅剛構橋及擴寬橋立面(單位:cm)

南北兩側邊幅橋于1984年進行擴寬，橋梁已投入使用約35年。根據西安橋擴寬工程圖紙得知，橋梁的設計荷載為汽車-10級、履帶-50級，人群荷載為400 kg/m2。橋梁為簡支單懸臂帶掛梁結構，兩邊跨為錨固跨，跨徑為8.0 m，并向中跨懸臂2.5 m，上部結構均由9榀變截面現澆T梁組成，中跨掛梁跨徑為16.0 m，上部結構采用預制T梁，中梁為高0.7 m的等截面T梁，最外側邊梁梁底面為拋物線形變截面T梁，跨中梁高為0.7 m，端部梁高為1.17 m。掛梁間共設5道橫隔板(含兩端橫隔板)，橫隔板的焊接方式為預埋鋼板焊接。T型梁的翼緣板用鉸鏈連接，其下部構造為重力式橋臺、雙柱式橋墩，全部采用擴大基礎，底部支撐結構使用板式橡膠支座結構，見圖1b。

3 施工難點分析

根據現場勘查資料與相應設計資料，施工有以下3個難點:

(1)既有中幅橋梁修建年代久遠，施工原始資料遺失，既有橋狀況不明。拆除施工中極有可能發生梁體斷裂，危及鐵路行車，安全風險極高。

(2)橋梁結構形式復雜，凈空較低且距離接觸網距離僅34 cm，施工防護難度較大，作業空間受限。

(3)橋梁上跨鐵路繁忙干線，橋梁拆除屬營業線封鎖二級施工，施工有效利用期短，施工難點多，施工技術要求標準高。

4 既有橋結構分析

既有橋梁因原始資料遺失，參照檢測數據采用橋梁博士Dr.Bridge3.6建立平面有限元模型，見圖2。劃分節點41個、單元40個，橫隔板作為永久荷載集中力計入模型中。

圖2 橋梁博士模型及施工階段

持久狀況承載能力極限狀態驗算:

根據相應規范，用下列公式計算橋梁構件承載能力狀態極限:

式中:γ0為橋梁結構重要性系數；S為作用(或荷載)效應(其中汽車荷載應計入沖擊系數)的組合設計值；R為構件承載力設計值；R(·)為構件承載力函數；fd為材料強度設計值；ad為幾何參數設計值。

通過圖3計算可以看出，主梁吊裝時承載能力不能滿足規范要求。

圖3 主梁最大、最小抗力及對應內力(單位:kN·m)

5 貝雷梁梁體加固受力分析

在既有橋直接吊裝不能滿足結構穩定性前提下，采用將梁體與貝雷梁捆綁成為整體進行吊裝的施工方案，對貝雷梁受力情況進行分析。

5.1 荷載分析

(1)荷載參數

混凝土容重:26 kN/m3。

(2)材料選擇

鋼材的設計用強度指標根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)規定，16 Mn鋼材性能參照表1中的低合金高強度結構鋼Q345。

表1 材料性能

為了方便進行荷載計算，按照T梁截面的變化，取5個特征截面，計算梁體重量列于表2。因上跨鐵路施工，為安全起見按照2片貝雷梁承擔梁體荷載進行計算。

表2 截面信息

5.2 貝雷梁檢算

利用Midas/Civil建立貝雷梁模型，如圖4所示，計算結果見圖5。

圖4 貝雷梁模型(單位:kN)

圖5 貝雷梁組合應力、剪應力及位移云圖

由上述計算可得:

通過以上計算可知，貝雷梁的強度和剛度滿足要求。

6 梁體吊裝拆除方案分析

中幅門式剛構橋共10片梁，兩邊幅拓寬橋為帶掛孔的簡支懸臂梁橋共計掛梁18片、懸臂梁36片。經計算，門式剛構37 m一片T型梁，重76.94 t；16 m一片掛梁，重約13.92 t；10 m一片懸臂梁，重11.56 t。中幅剛構橋拆除計劃采用貝雷梁加固方式配合JQ180-40型架橋機進行吊裝拆除(見圖6)，邊幅掛梁及單懸臂梁采用不加固直接打孔吊裝的施工方案。

圖6 貝雷梁捆綁加固

經實際勘查和測量，按最大吊重計算中梁每片重量，邊跨懸臂梁的兩相鄰支座中心線間最大距離8 m，T型梁腹板厚度平均為0.25 cm，高度164 cm；頂板外側長度為0.11 m，內側長度為0.16 m，梁寬1.28 m。梁體鋼筋混凝土的容重為2.6 t/m3，梁重5.35×2.6＝13.91 t。

施工時使用450 t汽車吊搭配長12 m、直徑43 mm的鋼絲繩完成吊裝拆除。梁端向內0.3 m處實施吊裝工序，梁面在制作時留有吊裝口，將鋼絲繩穿過即可(見圖7)。φ43鋼絲繩破斷拉力Sb＝50×10×43×43/103kN＝924.5 kN，吊梁鋼絲繩與梁體水平面之間的夾角為35°夾角度數大于30°，滿足施工要求。

圖7 吊具示意

T梁采用4個直徑43 mm的12 m鋼絲繩捆綁吊裝，梁端向內0.3 m位置捆綁拉升。

查得16 m板梁最重為13.92 t，Q＝mg＝13.92×10/10＝13.92 kN，鋼絲繩安全系數為:

每根鋼絲繩所受拉力S＝Q/(n×sinα)＝57.37 kN。

鋼絲繩最大破壞拉力S＝Sb/K1＝924.5/4＝231.1 kN。

231.1 kN＞67.78 kN，根據《起重吊裝計算及安全技術》，T梁捆綁吊裝使用直徑43 mm鋼絲繩符合規范要求。

7 結束語

跨鐵路既有橋梁拆除的結構穩定關系到[9－10]整個過程的施工安全，通過對既有橋梁的受力模擬[11－13]和貝雷梁捆綁吊裝方案的結構檢算，為舊橋拆除提供了理論基礎，通過現場合理施工布置和嚴格控制，保證橋梁拆除施工的安全推進，同時為類似工程提供相應施工經驗和參考價值。