近接高速公路橋梁拆除關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)值模擬研究*

陳 瑋,米 博,景銀超,趙曉龍

(1.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司,北京 100102; 2.中國(guó)建筑一局(集團(tuán))有限公司,北京 100161)

0 引 言

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展,區(qū)域間的聯(lián)系越來越緊密,交通在區(qū)域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中所占地位也不斷提升[1]。為適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)環(huán)境下人員出行與物貿(mào)交流,交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展刻不容緩,交通擴(kuò)容提效勢(shì)在必行。在此大背景下,舊橋拆除需求與日俱增。舊橋拆除工作是一項(xiàng)比新建橋梁具有更多未知因素、更具有挑戰(zhàn)性和更加危險(xiǎn)的工作,特別是臨近既有建筑物或上跨運(yùn)營(yíng)線時(shí),極易發(fā)生事故,導(dǎo)致慘痛的人員傷亡及巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。所以,如何安全高效地拆除既有橋梁最為關(guān)鍵[3]。

目前,舊有橋梁拆除方法多樣,大致可分為爆破拆除和機(jī)械拆除[4]。爆破拆除在早期橋梁拆除中多有應(yīng)用,其施工技術(shù)成熟,具有工期短、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn),但爆破拆除弊端明顯,尚未達(dá)到“精細(xì)化”要求,安全事故時(shí)有發(fā)生[5]。此外,爆破拆除產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)、污染等問題不容忽視[6],特別是在跨越既有建筑物時(shí),安全風(fēng)險(xiǎn)極高。機(jī)械拆除又細(xì)分為“門洞+支架拆除法”[7]、大節(jié)段下放拆除法[8]、自行式模塊運(yùn)輸車(SPMT)快速拆除方法[9-10]、反澆筑順序的節(jié)段切割法[11-12]、液壓系統(tǒng)平移法[13]和車載移動(dòng)支撐式分段提吊下放快速移除方法[1]等。機(jī)械拆除是當(dāng)前橋梁拆除中的主流方法,其對(duì)周邊環(huán)境及現(xiàn)有交通狀況影響小,適合在城市內(nèi)部建筑物密集區(qū)或跨越既有運(yùn)營(yíng)線路等情況下使用。

橋梁拆除方法的選擇應(yīng)因時(shí)制宜、因地制宜,兼顧造價(jià)、工期、環(huán)境、安全等因素綜合考慮。本文以通錫高速公路海門—通州段2座近接高速公路橋梁拆除工程為依托,采用“切割+汽吊”法與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,綜合探索近接高速公路橋梁拆除關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

通錫高速公路是江蘇省一條連接南通—無(wú)錫的省內(nèi)高速公路,全長(zhǎng)173.8km,其中海門—通州段長(zhǎng)65.984km。為擴(kuò)充運(yùn)力、優(yōu)化布局,相關(guān)部門啟動(dòng)了對(duì)通錫高速公路海門—通州段樞紐的改擴(kuò)建工程。由于現(xiàn)有橋梁與新樞紐橋及道路的位置存在沖突,故需拆除現(xiàn)有橋梁4座,分別為原C匝道跨沈海高速公路大橋、原卞白路跨沈海高速公路大橋、原卞西河中橋、原D匝道中橋,具體位置分布如圖1所示。

圖1 橋梁拆除平面

由于此4座橋拆除方法不盡相同,本文以C匝道跨沈海高速公路大橋、卞西河中橋拆除為典型代表,重點(diǎn)研究“切割+汽吊”法在實(shí)際橋梁拆除工程中的應(yīng)用。

2 C匝道跨沈海高速公路大橋拆除技術(shù)

2.1 C匝道橋參數(shù)

C匝道跨G15沈海高速公路大橋共3聯(lián),全長(zhǎng)358.0m,與G15沈海高速公路交叉樁號(hào)為CK0+591.929,交叉角度為128.5°,位置如圖2所示。橋梁孔徑具體布置為:(34.92+35+34.92)m+(34.92+35+34.92)m+(34.92+35×2+34.9)m。上部結(jié)構(gòu)采用裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,梁高1.8m,如圖3所示。橋梁起、終點(diǎn)橋臺(tái)處采用D80型伸縮縫,相鄰2聯(lián)過渡墩處采用D160型伸縮縫。G15沈海高速公路現(xiàn)狀雙向6車道,路基寬35m,實(shí)際凈高按≥5.2m。

圖2 C匝道跨G15沈海高速公路位置示意

圖3 C匝道橋橫斷面(單位:cm)

2.2 上部結(jié)構(gòu)拆除方案

C匝道橋單幅寬20.5m,由6片35m后張法預(yù)應(yīng)力箱梁組成。因C匝道橋僅有5,6 2跨跨越G15沈海高速公路,其余跨均在G15沈海高速公路范圍外,故拆除方式也不盡相同。

2.2.1跨高速公路段拆除方案

為盡可能減小C匝道橋拆除對(duì)既有G15沈海高速公路的影響,C匝道橋跨高速公路部分采用雙機(jī)抬吊法進(jìn)行拆除,具體流程為:施工準(zhǔn)備→封閉C匝道橋→封閉高速公路半幅道路→設(shè)置起重機(jī)行駛和支腿硬化帶→在蓋梁與箱梁間墊木方→切割中橫梁和濕接縫分離為單獨(dú)梁→高速公路半幅道路上墊鋼板和枕木→雙機(jī)抬吊梁下放至已封半幅道路上→分段切割清運(yùn)出場(chǎng)→施工完成。

C匝道橋在破除濕接縫后,吊裝最大質(zhì)量為172t,故選用2臺(tái)300t級(jí)起重機(jī)開展吊裝工作,起重機(jī)配重45t,單臺(tái)起重機(jī)最大起重量為86t,起重機(jī)布置如圖4所示。

圖4 雙機(jī)抬吊法布置示意(單位:m)

此外,考慮到起重機(jī)起吊過程中支腿所承受荷載較大,故在高速公路兩側(cè)設(shè)置了支腿硬化帶,以保證起重機(jī)工作安全。同時(shí),還建立了數(shù)值計(jì)算模型,分別就起重機(jī)支腿對(duì)高速公路路面、支腿硬化帶的影響展開分析。

本文利用ANSYS Workbench建立的雙擊抬吊法計(jì)算模型如圖5所示。其中,梁體材料、支腿硬化帶混凝土為C40混凝土,起重機(jī)材料為結(jié)構(gòu)鋼。模擬時(shí),分別在2臺(tái)起重機(jī)吊臂端部加載860kN的力,以模擬梁體荷載。

圖5 雙機(jī)抬吊法計(jì)算模型

計(jì)算完成后,分別提取支腿硬化帶20cm混凝土層和高速公路面層的變形與應(yīng)力,如圖6,7所示。由圖6,7可知,采用雙機(jī)抬吊法拆除C匝道橋時(shí),起重機(jī)支腿對(duì)支腿硬化帶及高速公路面層產(chǎn)生的位移和應(yīng)力均較小,最大位移分別為3.466,5.347 9mm, 最大應(yīng)力分別為4.628 7,2.735 6MPa。最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(26.8MPa),故認(rèn)為雙機(jī)抬吊法拆除C匝道橋時(shí),起重機(jī)工作安全,也不會(huì)對(duì)高速公路路面產(chǎn)生不利影響,該方法可行。

圖6 支腿硬化帶20cm混凝土層變形及應(yīng)力云圖

圖7 高速公路面層變形及應(yīng)力云圖

2.2.2非跨高速公路段拆除方案

因非跨高速公路段橋梁拆除不會(huì)對(duì)G15沈海高速公路的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響,故從工期、造價(jià)等方面綜合考慮,采用鎬頭機(jī)直接破拆法拆除C匝道橋,具體流程為:施工準(zhǔn)備→封閉C匝道橋→切割中橫梁使各跨變?yōu)楹?jiǎn)支梁→切割梁間濕接縫分離為單獨(dú)梁→鎬頭機(jī)破拆梁并清運(yùn)出場(chǎng)→破除下部結(jié)構(gòu)清運(yùn)出場(chǎng)→施工完成。C匝道橋下部結(jié)構(gòu)采用鎬頭機(jī)直接破拆,其施工方法與上部結(jié)構(gòu)非跨高速公路段銜接,在此不過多贅述。

3 卞西河中橋拆除技術(shù)

3.1 卞西河中橋參數(shù)

原卞西河中橋跨徑為3×20m,如圖8所示。上部結(jié)構(gòu)為裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁,梁高100cm,橋面寬度2×12.25m。下部結(jié)構(gòu)為墩柱+蓋梁,橋下為一條小河,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)處于干涸狀態(tài),橋梁高約3m。

圖8 原卞西河中橋位置示意

原卞西河中橋總體運(yùn)營(yíng)情況良好,無(wú)結(jié)構(gòu)裂縫,其橫斷面如圖9所示。

圖9 原卞西河中橋橫斷面(單位:cm)

卞西河中橋單幅寬14m,20m空心板梁橋最大邊梁重34.4t,采用1臺(tái)150t汽車式起重機(jī),起重機(jī)配重45t,起重機(jī)先站位于邊跨起吊出運(yùn)中跨,然后分別起吊出運(yùn)邊跨,如圖10所示。

圖10 卞西河中橋起重機(jī)位置示意(單位:m)

3.2 上部結(jié)構(gòu)拆除方案

因卞西河中橋不跨越G15高速公路,且考慮到拆除對(duì)河道的影響,故采用“切割+汽吊”法拆除。

為評(píng)估150t級(jí)汽車式起重機(jī)起吊中跨時(shí)對(duì)邊跨的影響,本文采用ANSYS Workbench建立橋上吊橋計(jì)算模型,開展數(shù)值計(jì)算分析,模型如圖11所示。

圖11 橋上吊橋法計(jì)算模型

建模時(shí),板梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,下部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、濕接縫材料為C50,起重機(jī)材料為結(jié)構(gòu)鋼。模擬時(shí),在起重機(jī)吊臂端部加載344kN的力,以模擬梁體荷載。

計(jì)算完成后,分別提取起重機(jī)支腿正下方2座梁體的變形和應(yīng)力云圖,如圖12和13所示。

圖12 左支腿下板梁變形及應(yīng)力云圖

圖13 右支腿下板梁變形及應(yīng)力云圖

由圖12,13可知,起重機(jī)起吊時(shí)在支腿正下方板梁處產(chǎn)生的位移均較小,分別為5.758 1,6.036 6mm, 可忽略不計(jì)。

又根據(jù)卞西河中橋設(shè)計(jì)要求,其應(yīng)力分別滿足以下條件。

左支腿正下方板梁:

右支腿正下方板梁:

應(yīng)力均滿足要求,故認(rèn)為此次采用橋上吊橋方式拆除卞西河中橋上部結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.3 下部結(jié)構(gòu)拆除方案

經(jīng)過對(duì)工期、造價(jià)等因素綜合考量,卞西河中橋下部結(jié)構(gòu)擬采用繩鋸+汽車式起重機(jī)+就地破拆方式,分段、分塊切割起運(yùn)破拆。拆除順序按先上后下、對(duì)稱平衡,留下部分能自穩(wěn)原則,如圖14所示(粗線為切割線、數(shù)字為切割起吊順序號(hào))。

圖14 卞西河中橋下部結(jié)構(gòu)切割順序

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究以通錫高速公路海門—通州段2座近接高速公路橋梁拆除工程為依托,驗(yàn)證了“切割+汽吊”法在近接高速公路橋梁拆除中的應(yīng)用,并利用ANSYS Workbench開展了數(shù)值模擬研究,主要得出如下結(jié)論。

1)雙機(jī)抬吊法拆除橋梁時(shí),起重機(jī)支腿對(duì)高速公路面層產(chǎn)生的位移和應(yīng)力均較小,保證了高速公路路面不受破壞。

2)20cm混凝土層和40cm碎石基層構(gòu)成的支腿硬化帶在雙機(jī)抬吊拆除橋梁時(shí)產(chǎn)生的變形及應(yīng)力較小,起重機(jī)可安全吊運(yùn)橋梁。

3)橋上吊橋方式拆除卞西河中橋時(shí),支腿正下方板梁的變形較小,應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求,是一種安全有效的橋梁拆除方式。