空腹式石拱橋不對稱拆除施工優化分析

胡旭東

（山西省交通建設質量安全監督局，山西 太原 030006）

石拱橋是用天然石料作為主要建筑材料的拱橋，以其跨越能力大、能就地取材、耐久性能好、維修養護成本低、構造簡單、造型美觀及與周圍環境的協調性能好等優點，在我國古代及近代橋梁建設中得到了大量應用。舉世聞名的距今已有1400多年歷史的趙州橋、距今已有700多年歷史的盧溝橋和2001年建成的世界最大跨度的石拱橋——丹河特大橋（主跨146 m）都是其中的杰出代表之一。它們既是歷代橋工巨匠精湛技術的見證者，也是承載人類文明、體現我國悠久歷史和燦爛文化的重要組成部分。然而，由于空腹式石拱橋本身受力狀態復雜、材料抗拉性能差等特點，使得該類橋梁的建設和舊橋維修加固成為人們越來越關注的焦點問題，本文擬通過一座空腹式石拱橋不對稱拆除施工過程分析，對該類橋梁的拆除方法和工序對橋梁受力狀態的影響進行詳細分析[1-2]。

1 工程概況

某橋為3-凈16 m空腹式石拱橋，橋梁全長66 m，寬9 m，橋面鋪裝為5 cm瀝青混凝土，全橋每跨設4孔腹拱，腹拱凈跨徑為2 m，凈矢高為0.5 m，腹拱圈厚 30 cm，腹拱立墻寬60 cm；主拱圈厚80 cm，凈矢高為4 m，拱頂填料厚65 cm；下部結構為石砌重力式橋墩、U型橋臺。主拱圈、腹拱圈為圓弧拱，主（腹）拱圈、立墻及墩身材料均為漿砌塊石。

由于該橋修建年代較早，設計荷載等級較低，近年來隨著交通量、特別是重載車輛的不斷增多，病害較為嚴重。其中全橋橋面系欄桿及人行道損毀嚴重，橋面坑槽較深，第1號～6號腹拱圈及立墻開裂較為嚴重，為了保證該橋的運營安全，擬將該橋橋面系、人行道、欄桿全部拆除，第1號～6號腹拱圈及立墻拆除新修，其他部分保留并進行加固處理。

圖1 橋型布置圖

2 拱上建筑拆除方案

基于以上加固方案，本橋橋面系擬采用分層拆除，限于篇幅，本文僅對腹拱圈及立墻拆除過程中結構的受力狀態進行分析，為了保證橋梁拆除過程中拱圈及立墻安全，初步擬定以下3種拆除方案[3-4]。

2.1 方案一

主要考慮到1號墩及墩頂立墻左右受力對稱平衡，擬按1號墩為中心進行對稱拆除腹拱圈及拱上立墻，依次拆除4號、5號腹拱圈—3號、6號腹拱圈—2號腹拱圈—1號腹拱圈—第一跨主拱圈頂立墻—1號墩頂立墻。其中每孔腹拱圈采用橫橋向一次性拆除，立墻采用縱橋向對稱、豎向分層拆除。

2.2 方案二

主要考慮到第一跨主拱左右受力對稱平衡，擬橫橋向分3次拆除，依次拆除：2左3左（同時）—2右3右（同時）—1左4左（同時）—1右4右（同時）—2中3中（同時）—1中4中（同時）—6左6右（同時）—5左5右（同時）—5中6中（同時）。

2.3 方案三

同時考慮到第一跨主拱圈和拱上立墻受力的大致對稱均衡，擬橫橋向分3次拆除，依次拆除：2左3左6左（同時）—1左4左5左（同時）—2右3右6右（同時）—1右4右5右（同時）—4中5中（同時）—3中6中（同時）—1中2中（同時）。其中第二跨拆除腹拱拱圈砌石需沿橫橋向均勻擺放于所對應腹孔主拱圈拱背上。

3 計算圖示及施工階段劃分

為了進一步了解腹拱圈分步拆除過程中結構的內力狀態，本次計算采用Midas空間桿系模型對腹拱圈分步拆除過程進行計算，材料計算參數按有關規范定義，結構離散如圖2、圖3所示。主拱圈與腹拱圈均為圓弧拱，為了安全起見，本次計算中橋面系及拱上填料僅考慮其荷載效應，未考慮其抗力效應。主拱圈為無鉸拱，腹拱圈為三鉸拱，主拱圈與墩臺采用固結支撐，腹拱圈與臺、主拱圈及立墻連結部分采用鉸結。

主拱圈每跨共分為20個單元，從左到右分別編號為1～60號單元；腹拱圈每孔共分為8個單元，其中方案一中：1～6號腹拱拱圈每孔橫橋向采用一個單元模擬，編號分別為61～108號（其中腹拱圈厚度取0.3 m，寬度取9 m）。方案二、三中：1～6號腹拱拱圈每孔橫橋向并列采用左、中、右3片小腹拱圈（其中腹拱圈厚度仍然取0.3 m，寬度取3 m）。每孔腹拱3片拱圈與立墻、主拱圈及橋臺處均采用鉸結，其中左邊1～6號腹拱圈單元編號分別為195～242號單元，中間1～6號腹拱圈單元編號分別為61～108號，右邊1～6號腹拱圈單元編號分別為243～290號；7～12號腹拱圈單元編號分別為109～156號；立墻及橋墩單元從左至右依次編號為157～194號單元。

圖2 方案一單元劃分圖

圖3 方案二、三單元劃分圖

4 拆除施工計算結果及分析

橋梁拆除過程中，不同的拆除順序對橋梁各主要部位的細部結構體系及內力狀態有非常重要的影響，由于本橋拆除步驟較多、單元較密，限于篇幅，本文僅以圖形的方式顯示各方案最不利階段結構的應力狀態。

圖4 各方案最不利階段結構應力狀態

由圖4可見，方案一中當第4號、5號腹拱圈拆除時，第二跨左側立墻根部為單側懸臂狀態，最大拉應力0.18 MPa，約為漿砌規則砌塊砌體的彎曲抗拉強度設計值0.074 MPa的2.5倍；方案二中當第一跨腹拱圈完全拆除時，1號墩頂立墻根部的最大拉應力為0.44 MPa，約砌體抗拉設計強度的6倍；方案三中當第4號、5號腹拱中間1/3部分拆除時，第二跨左側立墻根部最大拉應力為0.031 MPa。

上述3種拆除方案中均存在不同程度的拉應力狀態，其中方案一拆除施工步驟簡單、方便，效率高。主要考慮以1號墩對稱拆除，未考慮第一跨主拱圈的受力狀態，同時橫橋向一次性拆除時，立墻相鄰跨腹拱的水平推力較大，立墻根部受力不利。方案二主要考慮第一跨主拱圈結構的受力對稱，但1號墩左右主拱圈及腹拱圈的不平衡推力未考慮。雖然橫橋向分3次分步拆除，當第一跨拱上建筑拆除完全后，1號墩頂立墻由于右側腹拱均未拆除、水平推力較大，加之立墻較高，立墻根部拉應力達到砌體抗拉設計強度的6倍左右，拆除過程中該部位將會嚴重開裂，非常危險。方案三同時考慮第一跨主拱圈及1號墩頂立墻左右受力對稱，對于第二跨拱上建筑的不對稱拆除，采用在第二跨近1號墩附近壓重的方式，盡可能地降低了結構主拱圈、腹拱及立墻的應力水平，結構受力狀態相對均衡，拉應力水平較低，明顯優于其他兩種方案。

5 結論

a）石拱橋屬于圬工結構，材料整體性能較差，抗拉強度較低，施工中應盡可能降低截面的應力狀態，特別是拉應力狀態，以充分發揮圬工材料抗壓強度高的優勢。

b）空腹式石拱橋結構體系復雜，同一工序對結構不同部位的內力狀態影響較大，施工中應盡可能對稱施工，不僅使主拱圈從整體上要盡可能對稱，同時也應保持各腹拱及立墻（柱）部位的受力狀態盡可能對稱，以降低截面的偏心距和拉應力。

c）空腹式石拱橋屬于高次超靜定結構，拆除施工需要較長時間的過程，計算時應根據晝夜溫差變化的實際情況，適當考慮溫度等可變荷載效應的影響，以確保結構在拆除過程中的安全。