空腹式石拱桥不对称拆除施工优化分析

胡旭东

（山西省交通建设质量安全监督局，山西 太原 030006）

石拱桥是用天然石料作为主要建筑材料的拱桥，以其跨越能力大、能就地取材、耐久性能好、维修养护成本低、构造简单、造型美观及与周围环境的协调性能好等优点，在我国古代及近代桥梁建设中得到了大量应用。举世闻名的距今已有1400多年历史的赵州桥、距今已有700多年历史的卢沟桥和2001年建成的世界最大跨度的石拱桥——丹河特大桥（主跨146 m）都是其中的杰出代表之一。它们既是历代桥工巨匠精湛技术的见证者，也是承载人类文明、体现我国悠久历史和灿烂文化的重要组成部分。然而，由于空腹式石拱桥本身受力状态复杂、材料抗拉性能差等特点，使得该类桥梁的建设和旧桥维修加固成为人们越来越关注的焦点问题，本文拟通过一座空腹式石拱桥不对称拆除施工过程分析，对该类桥梁的拆除方法和工序对桥梁受力状态的影响进行详细分析[1-2]。

1 工程概况

某桥为3-净16 m空腹式石拱桥，桥梁全长66 m，宽9 m，桥面铺装为5 cm沥青混凝土，全桥每跨设4孔腹拱，腹拱净跨径为2 m，净矢高为0.5 m，腹拱圈厚 30 cm，腹拱立墙宽60 cm；主拱圈厚80 cm，净矢高为4 m，拱顶填料厚65 cm；下部结构为石砌重力式桥墩、U型桥台。主拱圈、腹拱圈为圆弧拱，主（腹）拱圈、立墙及墩身材料均为浆砌块石。

由于该桥修建年代较早，设计荷载等级较低，近年来随着交通量、特别是重载车辆的不断增多，病害较为严重。其中全桥桥面系栏杆及人行道损毁严重，桥面坑槽较深，第1号～6号腹拱圈及立墙开裂较为严重，为了保证该桥的运营安全，拟将该桥桥面系、人行道、栏杆全部拆除，第1号～6号腹拱圈及立墙拆除新修，其他部分保留并进行加固处理。

图1 桥型布置图

2 拱上建筑拆除方案

基于以上加固方案，本桥桥面系拟采用分层拆除，限于篇幅，本文仅对腹拱圈及立墙拆除过程中结构的受力状态进行分析，为了保证桥梁拆除过程中拱圈及立墙安全，初步拟定以下3种拆除方案[3-4]。

2.1 方案一

主要考虑到1号墩及墩顶立墙左右受力对称平衡，拟按1号墩为中心进行对称拆除腹拱圈及拱上立墙，依次拆除4号、5号腹拱圈—3号、6号腹拱圈—2号腹拱圈—1号腹拱圈—第一跨主拱圈顶立墙—1号墩顶立墙。其中每孔腹拱圈采用横桥向一次性拆除，立墙采用纵桥向对称、竖向分层拆除。

2.2 方案二

主要考虑到第一跨主拱左右受力对称平衡，拟横桥向分3次拆除，依次拆除：2左3左（同时）—2右3右（同时）—1左4左（同时）—1右4右（同时）—2中3中（同时）—1中4中（同时）—6左6右（同时）—5左5右（同时）—5中6中（同时）。

2.3 方案三

同时考虑到第一跨主拱圈和拱上立墙受力的大致对称均衡，拟横桥向分3次拆除，依次拆除：2左3左6左（同时）—1左4左5左（同时）—2右3右6右（同时）—1右4右5右（同时）—4中5中（同时）—3中6中（同时）—1中2中（同时）。其中第二跨拆除腹拱拱圈砌石需沿横桥向均匀摆放于所对应腹孔主拱圈拱背上。

3 计算图示及施工阶段划分

为了进一步了解腹拱圈分步拆除过程中结构的内力状态，本次计算采用Midas空间杆系模型对腹拱圈分步拆除过程进行计算，材料计算参数按有关规范定义，结构离散如图2、图3所示。主拱圈与腹拱圈均为圆弧拱，为了安全起见，本次计算中桥面系及拱上填料仅考虑其荷载效应，未考虑其抗力效应。主拱圈为无铰拱，腹拱圈为三铰拱，主拱圈与墩台采用固结支撑，腹拱圈与台、主拱圈及立墙连结部分采用铰结。

主拱圈每跨共分为20个单元，从左到右分别编号为1～60号单元；腹拱圈每孔共分为8个单元，其中方案一中：1～6号腹拱拱圈每孔横桥向采用一个单元模拟，编号分别为61～108号（其中腹拱圈厚度取0.3 m，宽度取9 m）。方案二、三中：1～6号腹拱拱圈每孔横桥向并列采用左、中、右3片小腹拱圈（其中腹拱圈厚度仍然取0.3 m，宽度取3 m）。每孔腹拱3片拱圈与立墙、主拱圈及桥台处均采用铰结，其中左边1～6号腹拱圈单元编号分别为195～242号单元，中间1～6号腹拱圈单元编号分别为61～108号，右边1～6号腹拱圈单元编号分别为243～290号；7～12号腹拱圈单元编号分别为109～156号；立墙及桥墩单元从左至右依次编号为157～194号单元。

图2 方案一单元划分图

图3 方案二、三单元划分图

4 拆除施工计算结果及分析

桥梁拆除过程中，不同的拆除顺序对桥梁各主要部位的细部结构体系及内力状态有非常重要的影响，由于本桥拆除步骤较多、单元较密，限于篇幅，本文仅以图形的方式显示各方案最不利阶段结构的应力状态。

图4 各方案最不利阶段结构应力状态

由图4可见，方案一中当第4号、5号腹拱圈拆除时，第二跨左侧立墙根部为单侧悬臂状态，最大拉应力0.18 MPa，约为浆砌规则砌块砌体的弯曲抗拉强度设计值0.074 MPa的2.5倍；方案二中当第一跨腹拱圈完全拆除时，1号墩顶立墙根部的最大拉应力为0.44 MPa，约砌体抗拉设计强度的6倍；方案三中当第4号、5号腹拱中间1/3部分拆除时，第二跨左侧立墙根部最大拉应力为0.031 MPa。

上述3种拆除方案中均存在不同程度的拉应力状态，其中方案一拆除施工步骤简单、方便，效率高。主要考虑以1号墩对称拆除，未考虑第一跨主拱圈的受力状态，同时横桥向一次性拆除时，立墙相邻跨腹拱的水平推力较大，立墙根部受力不利。方案二主要考虑第一跨主拱圈结构的受力对称，但1号墩左右主拱圈及腹拱圈的不平衡推力未考虑。虽然横桥向分3次分步拆除，当第一跨拱上建筑拆除完全后，1号墩顶立墙由于右侧腹拱均未拆除、水平推力较大，加之立墙较高，立墙根部拉应力达到砌体抗拉设计强度的6倍左右，拆除过程中该部位将会严重开裂，非常危险。方案三同时考虑第一跨主拱圈及1号墩顶立墙左右受力对称，对于第二跨拱上建筑的不对称拆除，采用在第二跨近1号墩附近压重的方式，尽可能地降低了结构主拱圈、腹拱及立墙的应力水平，结构受力状态相对均衡，拉应力水平较低，明显优于其他两种方案。

5 结论

a）石拱桥属于圬工结构，材料整体性能较差，抗拉强度较低，施工中应尽可能降低截面的应力状态，特别是拉应力状态，以充分发挥圬工材料抗压强度高的优势。

b）空腹式石拱桥结构体系复杂，同一工序对结构不同部位的内力状态影响较大，施工中应尽可能对称施工，不仅使主拱圈从整体上要尽可能对称，同时也应保持各腹拱及立墙（柱）部位的受力状态尽可能对称，以降低截面的偏心距和拉应力。

c）空腹式石拱桥属于高次超静定结构，拆除施工需要较长时间的过程，计算时应根据昼夜温差变化的实际情况，适当考虑温度等可变荷载效应的影响，以确保结构在拆除过程中的安全。