跨线刚架拱桥快速拆除施工方案研究

朱超宇

(上海贝英吉工程咨询有限公司，上海市 200082)

0 引言

随着社会经济快速发展，部分高速公路常因无法满足现行车辆行驶需求而被改建、扩建，而其线路上方部分跨线桥梁往往面临拆除的问题[1-3].但因无法长时间中断跨线桥梁下方道路交通，需要快速完成该类跨线桥梁的拆除工作.齐鹏等人[4]采用爆破拆除方法在复杂环境下完成了跨路桥梁的拆除工作，采用方案优化和振动控制实现了大桥的安全拆除，且各测点测试值与模拟结果较为接近.吴怿华[5]基于既有上跨高铁及繁忙干线立交桥的实际工程情况，通过优化桥梁拆除施工工序减少了对封闭铁路的影响，并保障了桥下既有运营线路的安全.王小花等人[6]研究了SPMT技术一次性切割拆除多片预应力桥梁的拆除技术方案，并分析了SPMT 快速拆架桥的关键技术.本文针对跨高速线路刚架拱桥拆除工程进行研究，并通过仿真模拟跨线刚架拱桥的拆除及移运过程，评估了拆除方案的可行性及安全性.

1 工程概况

某高速公路改扩建工程全长125.2 km，该改扩建项目由原双向四车道拓宽为双向八车道，采取沿旧路两侧拼宽方式将路基宽度由28 m扩建为42 m，设计时速120 km/h.扩建方案中为保持旧路平纵断面线性不变，需要对上跨旧路的天桥拆除重建.

本项目中拟拆除的T2号桥为刚架拱桥，桥长52 m，桥面宽度为12 m，由四肋式混凝土刚架拱片组成,主梁高度0.73 m～1.03 m，如图1(a).T2号桥用于连接该高速公路两侧的高边坡，边坡平均高度为7 m，旧桥与该高速公路正交，梁底净空 9.34 m，如图1(b).

图1 拟拆除的某高速公路T2号桥

根据该桥梁结构形式及施工环境特点，制定了该刚架拱桥的针对性拆除方案，主要流程如下：施工准备→临时场地平整→扩大基础施工→搭设临时支撑和保护支撑→梁体预切→封闭交通→托运系统就位顶升→梁体移运→恢复护栏→开放交通→移运梁体破损凿除→边跨及下部结构切割凿除→施工验收.

1.1 拱腿临时加固

为提高弦杆及斜撑切割拆除后刚架拱桥的整体稳定性，采用钢管支架对拱腿进行临时加固，如图2(a).在拱腿上增设钢管横杆，紧贴拱肋设置平行竖杆.钢管支架同时作为拱腿切割作业平台.

图2 T2号桥快速拆除流程

1.2 边跨切割吊装拆除

根据设计切割线将单侧边跨切割成6块，采用80 t汽车吊吊装拆除，如图2(b).切割过程应保持结构对称拆除，切割时先纵向预切，然后横向切割.

1.3 弦杆切割吊装拆除

在弦杆两侧设置10 cm的吊装孔，采用80 t汽车吊吊装并利用钢丝绳预提梁段.梁段切割后利用汽车吊将梁段吊装至桥头，利用挖机破碎凿除.弦杆切割吊装拆除后，刚架拱桥转换为肋拱，如图2(c).

1.4 拱腿快速切割

在拱腿上测量划线、固定切割设备后封闭交通，按105%梁重荷载采用SPMT模块车预顶剩余刚架拱桥结构，如图2(d).采用链式切割机沿设计切割线切割拱腿，切割时间控制在1 h以内.切割过程中对梁体及驮运系统进行实时监控以保障结构安全.

1.5 梁段同步顶升后移运

荷载调整均匀后对梁体进行预顶升，顶升油压按105%载荷进行控制，采取分级顶升的方式分别为20%、40%、60%、80%、100%、105%载荷.箱梁切割后进行正式顶升.为保证上部梁体能够横向移出，暂定梁体整体向上顶升20 cm.采取的分级顶升方式分别为1 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm，顶升速度控制在20～50 mm/min之间.

2 拆除过程仿真分析

2.1 有限元模型建立

根据拟拆除刚架拱桥的实际结构尺寸，建立空间杆系有限元模型[7]，如图3.有限元模型中，混凝土材料等级为C30，弹性模量为3.3×104MPa，剪切模量为1.41×104MPa，泊松比为0.167，轴心抗压强度标准值为28.0 MPa，轴心抗拉强度标准值为2.6 MPa，容重为26 kN/m3.普通钢筋等级为HRB335，其弹性模量为2×106MPa，容重为78.5 kN/m3，抗拉强度标准值为340 MPa.

图3 刚架拱桥杆系有限元模型

结合现场实际情况、快速移除工艺、交通组织等综合因素，旧桥拆除考虑以下计算工况，见表1.

表1 拆除过程分析工况

2.2 拆除方案效果分析

在考虑桥梁结构自重、桥面铺装层、防撞栏杆等一期、二期恒载后，原桥结构的内力分布情况如图4.由有限元计算结果可知，中跨近斜撑根部存在最大弯矩及剪力.

图4 恒载作用下原桥结构(工况一)内力分布情况

因此，以斜撑与中跨连接区域为对象选取关键截面，如图5.考虑到结构对称性，分别对边跨切割后(工况二)、斜撑切割后(工况三)的关键截面1、2内力分布情况进行对比分析，如图6.

图5 关键分析截面

图6 关键截面内力对比分析结果

由计算结果可知，切割后各横断面关键截面的弯矩、剪力计算值均明显小于理论抗力值.在斜撑切割后横断面B-B存在明显负弯矩且该断面斜撑切割后出现了剪力增加的情况，因此在施工过程中应防止该横断面处出现顶板混凝土开裂及悬臂端断裂的现象.

3 SMPT顶升快速移运过程仿真分析

3.1 有限元模型建立

在拱腿切割后，拱肋结构转换为带悬臂端的简支梁，如图2(d).因此，在拱腿切割前，应保证SPMT的驮运支撑系统按梁重设计荷载进行顶升，确保拱腿切割后梁体的承载能力及驮运系统的承载能力.为保障剩余拱肋结构在顶升移运过程的安全，根据剩余结构尺寸建立拱肋结构的实体有限元模型，分析不同支承情况下被移运拱肋的安全性，如图7.

图7 SMPT顶升快速移运分析

3.2 顶升移运效果分析

考虑到结构的对称性，对以下四种支承状况进行分析：①GK1：外侧支点全部脱空(1#，2#)；②GK2：外侧支点之一脱空(1#)；③GK3：内侧支点全部脱空(3#，4#)；④GK4：内侧支点之一脱空(3#).在这四种支承情况下，剩余拱肋结构的变形分布情况，如图8.由计算结果可知，在外侧支点全部脱空状况的下端部桥面板最大变形约为5 cm.该状态下结构处于相对危险状态，拆除施工过程中应尽量避免该种情形的出现.而GK2～GK4状况下，桥面板最大变形情况相对较小，分别约为4.9 mm、8.7 mm、4 mm，施工过程中应加强变形监测.

图8 SMPT不同支承状态下应力分布情况(单位：m)

4 结语

根据跨高速公路刚架拱桥拆除工程实际施工要求，对其快速拆除方案进行研究.通过建立有限元模型分析了刚架拱桥切割拆除过程的受力状态，评估了SMPT快速顶升移运方案的可行性.主要研究结论如下：

1) 切割后各横断面关键截面的弯矩、剪力计算值均明显小于理论抗力值，但在施工过程中应防止B-B横断面位置处出现顶板混凝土开裂及悬臂端断裂现象.

2) 在部分支点脱空、内侧支点全部脱空情况下，桥面板最大变形情况相对较小，但在外侧支点全部脱空的状况下桥面板变形较大，拆除施工过程中应尽量避免该种情形的出现.

3) 采用切割拆除并利用SMPT顶升后移运的方案总体可行，但在拆除施工过程中仍要加强全程监测，避免出现支点脱空、局部应力超限现象出现.