基于安全控制的通航河流双曲拱桥拆除方案分析

2014-09-27宋学文

城市道桥与防洪 2014年8期

宋学文，董云，蒋洋

（1.宿迁市交通运输局，江苏宿迁 223008；2.淮阴工学院，江苏淮安 223001）

0 引言

拱桥充分发挥了材料的抗压性能，是一种经济性较高的桥型，双曲拱桥的主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系构件组成，外形在纵横两个方向均呈弧形曲线的桥。由于双曲拱不仅在一个方向上呈拱形，而且在与其垂直的另一方向也呈拱形。当它受力时，力沿着两个拱的方向更均匀地传递；某一局部受力过大时，双曲拱能迅速自行调整平衡，使整个双拱曲不会因局部受力过大而损坏。因此，双曲拱桥能够承受比单向拱更大的荷载。另外，双曲拱桥施工中将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的方式组合成承重的整体结构，充分发挥了预制装配的优点，可以不要拱架施工，节省材料，加快施工进度，而所耗用的工料又不多。因此，双曲拱桥在公路和城市桥梁中一度得到广泛使用。

但随着时间的推移，以前修建的大部分双曲拱桥已无法满足现代交通安全通行的要求，具体体现在：

（1）由于长期使用过程中产生的不均匀沉降、桥台的纵向位移等，多数双曲拱桥的部分结构已经出现了不同程度的破损，使拱轴线发生偏移，导致双曲拱桥受力状况的改变，结构的承载能力大幅下降；

（2）桥型将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的方式组合成承重的整体结构，主拱圈分期形成，呈现组合结构的受力特征，整体性较弱，在地震荷载作用下容易发生破坏；

（3）随着时代的发展，目前公路设计荷载及运营车辆的荷载，已远远超过了当时双曲拱桥的设计承载能力；

（4）随着航道等级的提升，原先修建的双曲拱桥无法满足通航净空的要求；

（5）因修建时双曲拱桥宽度较小，加之长期使用造成桥面、桥梁附属设施的破损，因此，目前在役的双曲拱桥大多已成为交通的“瓶颈”，且存在较大的安全隐患。

综上所述，早期修建的多数双曲拱桥已不能满足目前交通安全通行的要求，迫切需要拆除重建。而在双曲拱桥拆除工程中，为了防止拆除过程中因结构体系改变等造成安全事故，必须根据具体的桥梁状况、施工条件、施工环境选用经济合理安全的拆除施工方案[1-5]。本文针对京杭运河上大型双曲拱桥拆除的安全问题，从双曲拱桥的受力分析及施工控制入手，对比分析了双曲拱桥不同拆除方案的优缺点及适用性，以期为通航河流上大型桥梁拆除的安全施工提供技术参考。

1 双曲拱桥受力特性分析及拆除控制指标

1.1 拱桥受力特性分析

要对双曲拱桥进行安全拆除，必须先认识其受力特点。对双曲拱桥而言，拱圈无数个截面形心的连线形成拱轴线，形心轴与压力线对结构受力产生显著的影响，主要表现为：在偏心受压时，形心的位置决定了偏心距、偏心弯矩的大小，从而决定着截面内力的大小。因此，在拱桥设计及施工中，均追求拱轴线与压力线的重合，以减小主拱截面的弯矩和应力。

但在拱桥施工过程中，由于受到恒载、活载、温度荷载以及徐变等影响，拱轴线总是处在不断的变化状态。在裸拱拱脚上构筑拱上建筑时，恒载的作用会使拱顶上翘；在修筑拱顶区段时，拱顶区域会变得平缓，而L/4跨径区段处变陡，即拱轴系数逐渐变大。另外，在恒载作用下，混凝土的徐变也会使得拱顶区域边平，致使拱轴系数变大。而在拆除施工中，如按施工逆序拆除拱桥时，拱上建筑的逐步拆除，拱轴系数随之逐渐减小，其表观现象就是拱顶处和L/4跨慢慢上升，实桥的拱轴系数同样会处在不断的变化中，施工不当时，容易造成拱轴系数大于设计值。

双曲拱桥一般都为对称结构，根据振动与稳定理论对拱桥分析，可以得出拱桥主导面内失稳的前三阶模态形式[6]，见图1。

图1 拱桥失稳模态

从以往的荷载试验实测数据结果可以看出，在拱脚做负弯矩工况的时候，另一拱脚附近1/4跨往上“突起”，出现“此涨彼落”的现象；在加载跨中截面最大正弯矩工况时，拱顶区域下降，而两侧四分点区域上浮。这样就给我们一个启示：要防止发生第一阶失稳型态，就要保证施工中主拱桥对称加卸载；要防止第二阶失稳破坏，就要拱脚区域配重施压，让拱顶区域不往下沉，控制拱顶的下挠；相反，在拱脚区域重量过重则又容易发生第三阶失稳，使得拱顶“上冒”而失稳。第一阶失稳模态是反对称型式，第二阶、第三阶失稳模态是轴对称形态。模态阶次越低则在实际工程中是最容易发生的失稳形式，也是在施工过程中最应采取防范措施的地方。

1.2 双曲拱桥拆除施工中的控制指标

掌握上述拱桥受力特征，是保证拱桥安全拆除的前提，要在双曲拱桥拆除过程中要留有足够的安全系数，保证材料和结构的安全，必须时刻注意拱轴系数的变化；在拆除过程中，还需根据实际桥梁病害的状况，建模计算，并在施工过程中实时进行变形、应力和稳定监测。

（1）变形控制

桥梁结构尺寸的几何控制是施工控制的基本要求，但结构在施工形成过程中均要产生变形，加之施工中各种误差的积累，因此任何一个结构不可能达到与设计尺寸准确无误的吻合，故尽量减少结构尺寸与设计尺寸的偏差，并将其降到允许的程度。在桥梁拆除过程中，对各个施工阶段的几何控制即变形控制，其根本目的是为了保证桥梁结构的安全。

根据拱桥的计算模型，准确计算桥梁变形与应力之间的关系，通过控制变形间接控制应力不超出容许值。变形控制主要包括拱肋竖向变位、拱肋水平变位、墩顶水平位移等。

（2）应力控制

应力控制存在隐性的过程，即应力的大小与应力变化并不同步显示，特别是当应力相对较小而变化幅度较大时，无法通过外观检查发现，但过大的应力增幅将导致结构的应力的快速增长，可能导致结构的失稳甚至破坏。因此，在桥梁施工中，尤其要注意对结构应力的监控。

对于双曲拱桥拆除施工而言，主要是控制拱肋的截面应力，通过在拱肋的控制截面布置应力测点，监测施工过程中这些截面的应力变化及应力分布情况，并及时进行实测值与理论计算值的比较，一旦监测发现异常情况，就立即查找原因并及时处理，确保拱肋截面满足强度要求。此外，在拱桥拆除过程中还应对桥墩的水平应力进行监测。

（3）拆除稳定性控制

稳定是结构所处的一种状态，失稳的真正含义是几何突变，即在任意微小的外力干扰下物体或结构的几何形状发生极大的改变。根据双曲拱桥“集零为整”的结构特征，双曲拱桥的失稳破坏往往具有和脆性断裂相似的特性，即拱桥的失稳破坏往往是由于单个构件的失稳造成的快速连锁反应，这种失稳一般会突然发生，没有明显的征兆。相对于塑性失稳破坏，这种突然的破坏常会造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。因此，在拱桥拆除施工中需加强结构稳定性的监测。

结构稳定性的监测并没有直接的指标，一般也是通过变形和应力监测控制，即通过计算，设定结构失稳的预警值，实际监测值一旦应力和变形超过预警值，需要立即查明原因，采取适当的措施，以保证结构安全。

（4）控制指标

控制指标是对变形、应力等监测指标进行量化，提出明确的应力、变形控制值和预警值，在实际拆除工程中，用来控制施工的进展。这也是控制的难点之一，虽然目前的计算模型及计算方法相对成熟，但对于不同的桥梁结构，由于其建设的年代不同、使用环境不同、破损情况不同等，在计算中很难确定模型材料的计算参数，如强度、弹性模量以及结构约束条件等，所以，给出适当的控制指标是施工安全控制的关键问题之一。

2 双曲拱桥拆除方案的分类与对比分析

常见的拱桥施工方法有拱架施工法、转体施工法以及整体浮运施工法等，相对双曲拱拱桥，由于其结构组成特点，多采用拱架施工法，双曲拱桥拆除可采用与之相对的施工方法，即按照拱架施工相反的顺序逐步卸载拆除，也称倒拆法，整体切割后转体或浮运拆除的整体拆除法。当然，如果条件允许，可不考虑施工顺序、不考虑结构变形及应力，采用整体拆除的方法，现对比分析如下：

2.1 倒拆法

倒拆法是桥梁结构拆除的重要思想，就是按照与建造施工相反的顺序逐步卸载拆除。对于双曲拱桥，由于施工工序较多、材料特性各异等因素，受力比较复杂。因此，要安全拆除双曲拱桥，必须掌握双曲拱桥建造的施工顺序，按照“先建后拆、后建先拆”的基本顺序逐步拆除，依次逆序按照：基础修建→拱肋吊装→拱波安装→拱板浇筑→拱上立柱（或横墙）→腹拱修筑→填料构筑→桥面及人行道、栏杆等附属设施的拆除顺序。在实际拆除过程中，部分施工工序可以适当的优化、合并，如在主拱圈的拆除时，因为主拱截面已经形成了一个整体，难以按照先拱板再拱波后拱肋的顺序来拆除，可以一次性拆除拱圈。

根据双曲拱桥的现场实际情况，倒拆法常采用如下几种拆除施工方案：

（1）支架逐块拆除法

支架逐块拆除法就是在拱桥下方搭设支架，然后按照倒拆法逐步拆除。根据搭设支架的方案又分为满堂支架和少支架拆除法。满堂支架法由于占用支架较多，搭设、拆除支架时间长而导致拆除周期长，不适用于通航河道等原因实际应用较少。少支架法是在结构主要部位搭设支架，以增加拆除安全性，配合其他拆除方法，达到安全拆除的目的，采用相对较多。

搭设支架逐块拆除的最大的优点是拆除施工相对安全，同时拆除碎渣可以通过在支架上铺设钢板，用挖掘机和人工配合清理运走，减小拆除施工的环境污染与对河道的影响。支架拆除法的缺点主要是桥下工作面较小，桥下净空受限制，因此，水中设满堂支架施工难度大，尤其是支架基础施工相对困难。另外，支架占用航道时间长，通航管制要求较高，对通航安全影响较大。

（2）栈桥龙门吊法。

栈桥龙门吊法就是在双曲拱桥两侧设置高栈桥，在其上安装跨墩龙门架进行逐跨拆除。京杭运河泗阳大桥就是采用栈桥龙门吊法[7]，见图2。

图2 栈桥龙门吊拆除施工

通过架设跨墩龙门架，按照倒拆法的拆除顺序，逐步进行卸载拆除。栈桥龙门吊法拆除的优点是拆除速度快，可分节段进行整体拆除，结构安全性高，且拆除期间可维持通航，尤其适用于通航河流。但栈桥龙门吊需额外进行龙门架的搭设，费用较高，且施工完全是高空作业，施工作业安全性相对较差。

（3）缆索吊装斜拉扣挂拆除法

缆索吊装斜拉扣挂拆除法的核心是把斜拉桥施工方法运用到拱桥上，以塔架为中心，扣索一端承受拱肋的重量，另一端则锚固在锚定上，随着拱肋的节段吊装，调整扣索索力以之平衡，形成典型的斜拉桥受力模式，见图3。

图3 缆索吊装斜拉扣挂拆除法示意

无支架缆索吊装斜拉扣挂拆除方法有以下三点突出的优势：

（1）在无支架缆索吊装斜拉扣挂拆除方法中，一般采用高强度底松弛的钢绞线为扣索，张拉施工工艺成熟、可靠，操作灵活，有较好的安全性。

（2）与其它拱桥拆除方法相比，无支架缆索吊装斜拉扣挂拆除方法能保证桥梁结构安全，拆除施工便捷，环境污染少。施工中使用的各种索、索具、塔架的万能杆件都可以循环使用，经济性较好。对大跨度桥梁，虽然有施工工序较多，但这种方法在特定环境下，如深山沟壑等环境，仍具有某些无可替代的优势。

（3）施工过程中，先拆除的节段会受后拆除的节段产生影响，尤其是对后拆除的第一、二节段有显著的影响，可以通过调整扣索索力使桥跨内力分布更合理及主拱线形更加理想。

诚然，无支架缆索吊装斜拉扣挂拆除法的拆除过程较为复杂，工序多，需要多次对扣索进行索力调整。拆除施工速度相对较慢，拆除工期较长，施工中，也需要对扣索索力进行实时的计算与调整，施工难度相对也比较大，因此，无支架缆索吊装斜拉扣挂拆除法多用于山区拱桥拆除。

2.2 整体拆除法

因倒拆法拆除过程中需要考虑桥梁结构自身的稳定性，而受桥梁破损状况的影响，建模计算过程中很难给出准确的预警值，因此，施工中的安全控制变得尤为困难，为规避上述风险，桥梁拆除过程中经常采用另一种拆除方法，即整体拆除法。整体拆除是指在拆除过程中通过切割、爆破等方法将桥梁上部结构一次性整体拆除。具体包括控制爆破拆除、浮运拆除或转体拆除等。

（1）控制爆破法拆除法

采用控制爆破方案和机械、人工相结合的方法对桥梁进行拆除，该方法是通过在墩柱、拱肋、系梁等部位钻孔装药，采用微差爆破技术方法，将大桥爆破，并使碎混凝土块散落在一定范围内，再清理爆破垃圾的拆除方法，控制爆破拆除法适用于在周围一定范围内无建筑物和人员活动的桥梁拆除。

控制爆破拆除的优点是拆除速度快，对桥梁结构破损情况的要求较小，不需在拆除过程中考虑桥梁结构的稳定性问题。爆破拆除的缺点是爆破产生的飞石、震动等副作用对周围环境造成一定的影响，并有可能危及临近建筑及人员的安全。同时，对于通航河道，因水中的碎渣清理困难，航道清理时间较长，相对封航时间也较长。

（2）浮运支架整体拆除法

浮运支架整体拆除法是采用多条钢质驳船或浮箱设备，组成整体，在浮运设备上搭设支架，用拖轮将浮运设备拖到主跨桥位下，在主跨两端切断，通过渡船将切断的梁体运到岸边，再在浮运设备上分块切割，由浮吊吊上堤岸，用凿岩机破碎清理。

船舶浮运拆除法的优点是对航道船只通航影响小，断航时间短，航道管制方便，浮运设备靠岸搭设支架，施工难度小，无需水上作业，同时，桥梁拆除速度快。其主要缺点为：浮运设备拖运时受气候影响较大，对船只和支架的整体性、稳定性要求高；另外，对河道通航能力要求比较高。

（3）转体拆除

桥梁结构的转体拆除是基于转体施工衍生的结构拆除方案，一般是根据施工时的水平转体或垂直转体方案，采用缆索牵引机构，在切除相关约束后进行整体的水平或垂直转体，然后在岸边或谷底进行分段拆除的拆除施工方案。转体拆除需要相应的转体机构及维持桥梁结构稳定性的缆索牵引机构（如图3所示），且因拆除过程中结构体系变化，桥梁结构的破损情况会对结构的稳定性造成一定的影响，因此，转体拆除方案多用于原来采用转体施工建设的桥梁或深山沟谷中的桥梁拆除。该方案的最大优点在于可将拆除作业变为陆地作业，减小施工中高空作业的危险性。

3 基于施工安全控制的通航河流双曲拱桥拆除方案

通航河道上拆除桥梁，既要考虑拆除施工过程中的桥梁结构的安全性、施工作业的安全性，同时，必须考虑桥梁拆除对航道的影响，尽量缩短航道占用时间。对于通航河道上双曲拱桥的拆除，不同的拆除方案都要具有可实施性，甚至具有相对较高的经济性，但考虑其“集零为整”的结构特征以及通航的安全性，有必要对各种拆除方案进行比选，选择最安全的拆除方案。

（1）拆除过程中的结构自身稳定性分析

在双曲拱桥拆除过程中，因局部的拆除造成大量桥梁自身结构体系的改变，使得在成桥状态受压（拉）的构件变为受拉（压）构件，受力状况的改变可能对结构的稳定性造成较大的影响。同时，鉴于拆除桥梁不同的破损状况，在拆除过程的数值模拟中很难给出相应结构材料准确的物理力学参数，使得拆除过程中的应力与变形监测缺乏准确的理论对照值，给出的预警值过大，可能影响拆除过程中结构自身的稳定性，给出的预警值过小，拆除过程中可能出现多次预警，需要停工查明原因后再行施工，影响着施工进度。

为规避双曲拱桥拆除过程中结构自身稳定性对施工安全的影响，首先整体拆除法。在整体拆除法中，转体拆除结构需自稳的时间最长，且没有相应的支撑结构，因此，拆除过程中结构的自身稳定性最差；相比之下，浮运支架整体拆除时，在切割、桥梁结构体系转变之前，已搭设浮运支架作为支撑，因此，其拆除期间的安全性相对较好。而采用控制爆破整体拆除时，基本不需要考虑拆除过程中桥梁结构的自身稳定性。

如不具备整体拆除条件而必须采用倒拆法拆除时，支架拆除显然对结构自身稳定性的要求最低，缆索吊装斜拉扣挂拆除法次之，而栈桥龙门吊法对结构自身稳定性的要求最高。

（2）基于通航的双曲拱桥拆除方案分析

如单纯考虑通航的影响，则支架拆除、爆破拆除因占用航道时间太长可首先排除；其次，转体拆除、缆索扣挂拆除及栈桥龙门吊拆除均需在航道上进行较长时间的施工作业，可能给航道通航造成较大的隐患。相比之下，浮运整体拆除是通航河道桥梁结构拆除的最稳妥的方案。

（3）基于拆除施工安全的拆除方案分析

从双曲拱桥拆除施工安全考虑，各种拆除方案均涉及高空作业、水上作业，方案的优选可从作业时间的长短以及其他安全因素着手。

从作业时间看，倒拆法拆除作业时间显然最长，造成施工安全事故的可能性最大，而整体拆除高空作业和水上作业的时间相对短很多，施工安全性较高。

从其他安全影响因素看，整体拆除施工方案中，爆破拆除涉及爆破作业、转体施工及缆索扣挂施工涉及缆索、高塔施工等危险源，其施工安全性也相应降低。

综上所述，综合考虑航道安全通航、拆除过程中的桥梁结构自身的稳定性以及拆除施工的安全控制，在通航河道上拆除双曲拱桥可优先选择浮运支架法整体拆除，但拆除过程中也同样需要控制切割或凿除过程中结构自身的稳定性，需要做好拆除断航期间航运的安全管理；如通航需求较低，且周边环境较开阔，也可采用爆破拆除，但爆破后需快速清理航道，以减少航道占用时间，保证通航需求；如果通航要求较高，同时通航孔跨径较大，浮运支架拆除困难时，则可以采用综合采用少支架、缆索扣挂、栈桥龙门等方案，在保证桥梁结构自身稳定的同时，采用分段浮运拆除的施工方案。