大跨徑斜拉桁架橋拆除關鍵技術研究

邱加樣

(福建省寧化縣住建局建設工程質量安全服務中心,福建 三明 365400)

由于斜拉索采用鋼材存在防腐、疲勞、振動等方面的問題以及剛度相對偏小的缺點,國外很多專家學者在20世紀70年代開始探索能克服斜拉橋這些缺點的類斜拉橋橋型,斜拉桁架體系橋梁就應運而生。目前斜拉桁架橋的施工建造和控制技術的研究較為成熟,但是斜拉桁架橋的拆除施工鮮有報道[1-2]。本文以某大跨徑斜拉桁架橋拆除為研究背景,制定了針對性的方案比選并最終確定最優化施工方案,分析了結構的力學效應[3-8],其研究可供同類工程項目參考借鑒。

1 工程背景

待拆除橋梁結構形式為大跨徑預應力混凝土桁架拱,外部為靜定體系,下部結構橋墩為分離式獨柱墩,高樁承臺基礎。橋梁凈寬度為12.5 m+2×1.5 m人行道+2×1 m桁架寬,全寬18 m,上部結構采用單懸臂桁架梁+掛孔,即44.6 m+105 m+44.6 m,掛孔標準跨徑為16 m(見圖1)。設計荷載,汽車-20,驗算荷載,掛車-100,人群荷載3.5 kN/m2。墩頂為固定2 000 t盆式支座,橋臺為鋼拉力支座。

經過30多年的使用,大橋結構承載力和抗力存在一定的損傷,對結構承載力進行準確的評估難度高,技術資料不全,現場交通復雜,涉及到新橋建設和老橋施工的配合,這就要求施工現場必須在最短時間內完成拆除施工,不得影響新橋施工工期,同時桁架拱拆除期間預應力鋼束被切斷,結構體系發生變化,施工期間必須采用臨時支撐等措施保證橋梁結構安全。所以,本工程的主要特點是工期緊、任務重、施工組織要求高、結構安全控制風險大。

2 拆除方案比選

本次大橋拆除的特點:

1)本次拆除范圍車流密集,施工交通組織難度大。2)橋梁下部航道條件有限(通航水位低),大型吊裝設備和船舶設備作業有一定的限制。3)橋梁上跨河道,橋梁拆除塊件不能對沙河航道造成環境影響,因而不能采用爆破等方式拆除。4)橋梁結構為大跨徑預應力桁架,經過30多年的使用,承載能力評估存在較大的技術風險和難度,拆除桁架結構受力體系轉換復雜,因而施工風險大。大型起重吊裝設備在橋面作業施工安全風險高,需要在橋下設置臨時支撐進行受力托換。5)必須在最短的時間內完成橋梁拆除施工,不得影響橋梁新建建設工期。主要方案比選見表1。

3 斜拉桁架橋拆除受力分析

1)斜拉桁架橋結構特點:主梁受力都以受壓為主,兼受一定彎矩的作用。斜拉桁架橋上弦桿的預應力同樣也對主梁提供了一個較大的水平壓力,通過加強主梁受壓以減小彎矩產生的受拉效應,充分發揮了混凝土材料的受壓強、受彎差的材料性能。

2)由于斜拉桁架在節點處多根桿件相交,在節點處形成剛域效應明顯。

3)斜拉式桁架橋一般采用懸臂拼裝法施工,施工影響參數多,如結構的剛度、梁段的重量、施工荷載、混凝土的收縮徐變和溫度等。

在結構的拆除施工過程中要充分識別參數并提出控制指標,保證斜拉桁架橋拆除施工安全。

建模時劃分為三個總體施工階段:成橋階段,使用10 a,拆除體系轉換后結構。

表1 主要方案比選

4 拆除工藝和安全分析

4.1 方案描述

拆除方案:拆除的前提均按照原橋施工逆向順序拆除。主要工藝流程見圖2。

4.2 主要施工工藝流程及方法

1)棧橋設計和施工準備(棧橋中心和老橋中心線間距初步設計為18 m)。

2)交通改道,拆除限高門架。

3)鑿除橋面鋪裝,全橋恒載進行卸載,切割護欄、拆除人行道板。

4)搭設兩個邊跨臨時支撐。

5)拆除掛孔位置伸縮縫,切割箱梁接縫,采用汽車吊吊裝小箱梁。

6)拆除橋面板。

7)橋梁解除后變為兩個半懸臂結構,采用逆作法拆除橋梁弦桿和對應的下弦桿。拆除到墩頂位置要設置鋼支撐臨時穩定兩榀桁架,防止結構失穩。按照上述方案拆除懸臂部分(技術人員在橋頭上設置水準點監測橋面的撓度變化)。

8)邊跨拆除。

靜力切割法拆除1號—3號橋墩蓋梁和橋墩。

主要拆除過程模型圖如圖3所示。

4.3 拆除橋梁結構力學行為分析

在對全橋建模的分析中,主要分析點側重于對全橋結構特性的分析,因此在全橋模型中所有單元均采用梁單元建模;考慮到有限元桿系軟件橫向計算的局限性,因此本論文的有限元分析全部采用有限元設計分析軟件Midas/Civil進行,考慮橋梁運營過程發生剛度損傷,縱向預應力折減10%,剪切剛度折減30%,彎曲剛度折減10%,徐變已發生。原橋抗彎彎矩組合驗算見圖4,跨中打斷后截面彎矩變化見圖5。

由計算結果可知:施加預應力后橫梁的負彎矩明顯減小;最不利位移計算:跨中掛孔拆除后懸臂最大位移計算為2.29 cm

5 主要施工方案

5.1 邊跨支架

根據受力安全可靠、確保交通暢通、搭拆方便快捷等特點,部分橋跨采用滿堂支架支撐,部分采用擴大基礎臨時支撐方案,根據橋梁拆除順序和交通轉換的情況搭設不同部位的支撐。

1)邊跨桁架拆除后下弦桿和橫梁的主要自重由底部鋼管樁承擔。鋼管樁排架墩,采用φ600×10 mm鋼管,樁間連接系由角鋼組成,墩頂分配梁由32a工字鋼組成。2)鋼管樁打設前提前拆除橋面板,由于下弦桿和橫梁位置的限制,其底部無法設置支撐點,需要在鋼管樁頂部設置32a工字鋼分配梁,再用方木或鋼板找平。3)靠近橋臺位置可采用挖機先平整地面,然后澆筑C20混凝土找平地面,底部作為擴大基礎,在其上部設置鋼支撐。4)水中支撐設計深度為40 m,岸側支撐設置在混凝土硬化層上方。

5.2 主航道桁架逆作法拆除

施工要點:1)拆除時按照跨中向端部拆除。2)每拆除一片上弦桿拆除對應的橫梁和下弦桿與斜撐,截面采用鏈鋸切割,50 t汽車吊預吊。3)切割掉桁架部分的任意一根構件認為該構件的預應力效應失效,不計入對主桁架的力學效應。4)切割時要避開預應力錨頭位置,切割前要進行切割線放線。5)箱梁切割面形成倒八字形狀,防止卡鏈。6)橫梁長度為13.5 m,需要分割為2節進行吊裝,跨中處未設置支點,需要采用汽車吊預提。

6 結論

1)制定了針對性的方案比選并最終確定最優化施工方案,充分考慮橋梁拆除重建施工和拆除施工的關系。

2)所有桿件應力均以軸力產生應力為主,彎矩產生應力相對很小,表明斜拉桁架橋桿件具有明顯的二力桿的受力特性,橫梁處于受壓狀態,壓應力滿足規范要求。

3)采用不對稱施工方案拆除原斜拉桁架橋結構,考慮了邊跨的體系轉換效應,設置了邊跨的臨時鋼支撐體系,保證了結構拆除的安全。

4)拆除施工方案充分考慮利用原橋拆除新橋棧橋施工平臺,可保證施工工藝組織的最優化。