五斗大桥拆除重建设计关键技术

李华强

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450052）

0 引言

20 世纪60～70 年代修建的桥梁在运营过程中因交通流量过大和车辆超载严重，已产生不同程度的损坏，也有的不能满足通航要求，需拆除重建。由于桥位资源受限，通常旧桥拆除后采取原位重建的方式。对于跨越通航河流的旧桥拆除，常用的方法有爆破法［1］、浮云法、倒拆法、支架切割法［2］等。爆破法拆除缺点是封航时间长，航道废渣清理难度大。其余拆除方法均需要建设大量的临时工程，成本较高。旧桥拆除以后需要重新在水中搭设栈桥、平台、支架等临时设施施工新桥。有时为了快速建成需投入大规模的建桥设备［3］。本文依托佛山五斗桥拆除重建工程，介绍拆建一体化的设计理念，利用旧桥作为支架施工新桥，再利用新桥辅助拆除旧桥，以减少临时工程的投入，降低建设成本。

1 工程概述

五斗桥位于佛山市南海区，北接永安南路与平东大道交叉口，中途跨越珠江支流东平水道，南接魁奇路，是平洲片区通往顺德及广州南方向的重要通道，也是省道112 线的主要路段之一。五斗桥分东、西两幅，西幅旧五斗桥于1978 年建成通车，通航净高8 m。主桥为钢筋混凝土箱形拱，跨径为（56+80+56）m，桥宽9.6 m，双向两车道，设计荷载为汽车-15级、挂车-80。东幅旧五斗桥于1993 年建成，主桥为上承式钢筋混凝土箱形拱，跨径为（56+80+56）m，拱肋采用悬链线拱，轴系数为1.167、矢跨比1/7，桥宽9.6 m，双向两车道，通航净高12 m，设计荷载为汽车-20 级、挂车-100。西半幅中心线与东半幅中心线平面距离13 m，西半幅桥面比东半幅桥面低4 m。拱上建筑及引桥均为16 m 空心板。现状五斗桥旧桥照片与示意图见图1、2。

图1 现状五斗桥现场照片

图2 现状五斗桥旧桥示意图（单位：m）

对该桥实施拆除重建主要基于以下两点原因：①根据南海区公路管理站委托相关单位进行的检测结果可知：1978 年五斗大桥的技术状况评定为四类，1993 年五斗大桥为三类，均需进行不同程度的修缮或重建［4］。为了桥梁通行安全，目前五斗大桥东、西两幅均已进行限高，禁止2.6 m 以上高度车辆通行；②五斗大桥所在航道为东平水道，定级为国家内河Ⅱ级航道，通航净空不小于18 m。目前的通航净空已经不能满足要求。为满足通航要求，同时保障车辆通行安全，急需对五斗大桥进行拆除重建。

2 旧桥拆除

常见的桥梁拆除方案有如下4 种：①方案1：爆破法。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，将桥梁爆破，并使碎混凝土块散落在一定范围内。其优点是拆除时间短，费用低，但不适用距离建筑物近和有人员活动的情况，且在通航部位使用会导致断航时间长，航道废渣清理难度大；②方案2：支架法。满堂支架法由于占用支架较多，搭设、拆除支架时间长导致拆除周期长而采用较少，同时不适用于通航河道；③方案3：缆索吊机扣挂法。采用缆索吊机辅助扣索塔架悬臂倒拆的方法，缺点是安全风险高，施工难度大，造价昂贵；④方案4：浮运法。该法是先将浮船拼装支架并注水压舱，到达桥下后放水使船舶支架上浮顶住拱肋，在拱铰以上一定部位将拱肋割断后，将拱肋、拱波整体浮运离开桥位，放到指定地点拆除。该法优点是适用于通航桥梁，特别是要求断航时间短的桥梁。缺点是落梁风险高，曾出现过垮塌事故。以上方案均存在安全风险和造价高等问题。针对拆除重建工程，结合五斗桥工程实例，本文提出一种拆建一体化设计的新理念。

3 新建桥梁设计

3.1 技术标准

道路等级为双向八车道Ⅰ级公路兼市政功能；设计速度60 km/h；汽车荷载取公路-Ⅰ级，人群荷载取2.875 kN/m2；通航标准为Ⅱ级航道，净宽150 m，净高18 m。

3.2 总体设计

新建桥梁桥轴线与水流方向基本正交。桥位处河道北岸为钢筋混凝土护堤，堤顶沿江路宽10 m，河道南侧为浆砌片石岸坡，两岸宽183 m。根据航道及防洪要求，主桥一跨过河，中间不设墩，同时需跨越北岸河堤沿江路，主墩基坑开挖避免影响河堤，主跨跨径为215 m。主桥采用计算跨径215 m 的下承式钢箱系杆拱桥，主桥全长221 m，主拱为提篮式钢箱拱肋，主梁为钢-混凝土组合梁，主桥布置情况见图3、4。下部结构采用分离式承台，钻孔桩基础。

图3 主桥总布置图

图4 横断面布置图（单位：m）

3.3 主拱设计

主拱系统由拱肋、风撑等构件组成。主拱计算跨径215 m，矢高43 m，矢跨比1/5，拱轴线为二次抛物线。拱肋内侧倾斜11°，有利于提高结构的横向整体稳定性，且造型优美。拱肋采用全焊钢箱结构，材质为Q370qD 钢材。拱肋等截面布置，高4.5 m，宽度2.5 m，纵向加劲肋采用Ⅰ形，间距0.5 m 左右。在吊杆位置设置竖直横隔板，每两个吊点横隔板之间设置两道垂直拱轴线的横隔板。两道主拱圈之间设置五道风撑，以增强结构的横向稳定性，风撑采用钢箱截面高3 m，宽2.5 m。

3.4 主梁设计

主梁采用双边箱钢-混组合梁，截面中心处标准梁高3.76 m，系梁中心处标准梁高3.38 m，拱脚处系梁增加至4.88 m，桥面全宽51 m，梁顶设置双向2%横坡，梁底水平。主梁由双边系梁、中横梁、端横梁、小纵梁、悬臂梁及面板组成，具体见图5。系梁采用全焊钢结构，箱形截面，腹板内倾11°。系梁中心距为37.8 m。系梁在跨中梁高3.0 m，拱脚位置加高至4.5 m，宽3 m，纵向加劲肋，采用I 形。每道系梁的箱室内布置6 根系杆，采用55ϕ15.2 mm 环氧钢绞线体外索。中横梁标准间距4 m，采用工字形截面，梁高由3 m 渐变至3.38 m。端横梁采用箱形截面，梁高由4.5 m 渐变至4.88 m，宽3 m。系梁外侧设置6 m 悬臂梁，其上部设置非机动车和人行道板。桥面板采用C60 预制混凝土桥面板，厚28 cm，横断面分4 块预制。

图5 主梁断面布置图（单位：mm）

4 拆除重建实施方案

该桥的特点是航道繁忙，北岸紧邻居民区。因现状通航孔不可搭设支架，旧桥拆除和新建桥梁施工均比较困难。因此提出一种新的拆除重建一体化设计理念。首先利用旧桥作为临时施工支架和操作平台施工新桥，再利用新桥作为辅助拆除旧桥。具体实施方案如下：

（1）封闭交通，改移桥上电力线路和通信管线等。利用小型吊机辅助，逐孔拆除护栏和路灯，再利用车辆运离现场。拆除顺序由拱顶向两侧同步实施，三孔同步卸载；按照相同的方法拆除桥面铺装。利用浮吊辅助拆除拱上16 m 空心板，全桥拆除顺序遵循“三孔同步卸载”的原则。

（2）利用旧桥裸拱作为支撑，利用浮船在旧桥主拱上搭设拼梁支架。利用旧桥两个水中墩承台作为操作导向和施工平台，辅助施工两个拼拱临时墩，见图6、7。

图6 拼梁支架示意图

（3）利用浮吊在支架上拼装系梁、钢横梁、小纵梁，详见图7。分段拼装主拱及风撑，安装主拱系杆和吊杆，进行初步张拉。暂时不施工桥面板。新建拱桥主要受力体系［3］施工完成。

图7 新建主拱吊装示意图

（4）拆除新桥施工临时支架，在新建横梁上安装分配梁，利用新建横梁为临时吊点，吊装老桥钢筋混凝土主拱，见图8。采用人工风镐或链条锯等小型机械将主拱圈分段切断，用浮船将拱肋节段移走运至岸边，再用船吊吊至岸上破碎。

图8 旧桥裸拱吊装拆除示意图（单位：m）

（5）拆除旧桥水中墩墩身及承台，水下切割旧桥基桩，逐根拆除。拆除桥台承台，施工新桥承台系梁。

（6）旧桥拆除完毕，施工新桥预制面板，施工铺装及护栏、二次调整吊杆拉力，新桥施工完毕。

5 设计关键点

5.1 利用旧桥主拱作为支架施工

旧桥裸拱是否能承受新桥的钢主梁及支架自重是设计的关键点。钢箱系杆拱桥自重轻是方案实施的基础。旧桥已拆除的拱上建筑及二期铺装线荷载均值单幅合计为193 kN/m，两幅合计369 kN/m。临时支架荷载利用钢管和型钢梁搭设，自重远小于拱上立柱荷载。新建系梁及横梁自重线荷载均值为245 kN/m，新桥的荷载分布与旧桥基本一致，且比旧桥主拱原来承受的恒载小很多。因此以旧桥主拱作为支架拼装新桥钢梁安全可靠。旧桥拱上立柱拆除时，预留部分钢筋用于拼梁支架临时锚固。

5.2 利用新建桥梁拆除旧桥

新建桥梁在未铺设桥面板的情况下，能否承受旧桥裸拱荷载，是该方案成立的重要关键点。桥面板厚0.28 m，沥青铺装厚10 cm，桥面板、护栏、人行道板等二期荷载线荷载均值合计为560 kN/m。两幅旧桥裸拱线荷载均值合计为315 kN，从荷载来看旧桥裸拱荷载远小于新建桥梁二期恒载。但是旧桥主拱自重分布与新桥恒载分布存在较大差异［6］，且拆除裸拱过程中施工荷载和切割过程中的冲击荷载不容忽视［7］。吊装冲击系数取1.25。设计采用Midas 软件建立三维有限元计算模型，对拆除过程进行分析，有限元计算模型见图9。

图9 有限元计算模型示意图

通过旧桥拆除工况与新桥二期荷载的对比分析可知：主拱所受轴力与弯矩差异较大，见图10、11。

图10 施工阶段主拱轴力图

图11 施工阶段主拱弯矩图

由图10、11 可知：①旧桥拆除工况，新建主拱最大轴力为22.8 MN，考虑冲击修正为30.8 MN，比成桥状态桥面板及二期恒载产生的轴力（46.2 MN）小得多；②拆除旧拱工况，拆桥荷载对主拱根部产生弯矩为21.4 MN · m，小 于 成 桥 恒 载 弯 矩37.5 MN · m 。拆除旧拱工况，主拱跨中弯矩为10.9 MN · m，大于成桥恒载弯矩5.73 MN · m，但是远小于主拱的抗力值。临时吊点与吊杆基本对应，系梁受力远小于成桥状态，各指标满足规范要求。

系梁、横梁、系杆索施工完成后，拱桥体系已经形成［8］，利用此时的结构拆除旧桥是合理的方案。切割过程中和旧桥断裂时冲击荷载需严格控制。切割过程中，对各吊杆实时监控，让旧主拱逐步变形释放能量，逐步弱化旧桥刚度，在断裂前足够释放能量［9］。特别在起吊分配梁位置设置缓冲橡胶，可较大程度减小冲击力。不同的结构采取的措施不同，冲击系数也不同，需根据实际情况修正。

5.3 旧桥基础拆除

新建桥梁基础尽量避开旧桥基础。本项目承台设置在旧桥两侧，从而减少对旧桥基础的拆除。新桥基础施工距离旧桥较近，需要单侧支护，可采用开口式基坑支护方式［10］。旧桥基桩拆除费用较高，也可考虑利用旧桥基桩，但需进行相关试验，使用年限较久的桥桩质量难以保证时，不建议利用。

5.4 造价分析对比

与爆破法相比，本方案减少了对居民区的影响，同时避免了水中打捞废渣。与支架法相比，减少了大量的临时工程量，施工措施费用低。与浮运法相比，拆建过程中封航时间短，社会影响小。系杆拱桥施工无论是先梁后拱施工方案还是先拱后梁方案，临时结构用钢量基本与主体结构相当。而该桥的设计方案，临时结构用量只有常规方案用量的39%，特别是节省了水中平台和水中支架的基础费用。

6 结语

拆建一体同时设计，需要设计师充分理解施工和主体设计。每一座桥梁都有自身的特点，五斗大桥拆除重建工程具有航道繁忙、旧桥紧邻居民区等特点，无论单独拆除旧桥还是新建桥梁，施工措施费都非常高。先拆除旧桥拱上建筑，利用裸拱作为支架施工新桥主拱和系梁，再利用新建桥梁拆除剩余旧桥裸拱。节省了新建桥梁施工支架，特别是水中支架和平台，全桥施工措施费节省33.5%。本文提出的拆建一体同时设计理念可为类似工程提供借鉴。