跨航道系桿拱橋拆除及施工監控技術

張守軍

（江蘇省交通科學研究院股份有限公司，江蘇南京 211112）

0 引言

我國在20世紀中后期修建了大批跨航道橋梁，由于未能很好預測交通及航道運輸的發展態勢，做出足夠準確的規劃，使得目前大批航道橋梁不滿足目前道路交通發展和航道通航能力的需求，不同程度地面臨拆除重建的困境。總結面臨拆除重建航道橋梁的特點可知，其主要特點是航道通航能力要求提高，航道橋梁跨徑大，結構形式復雜[1]，拆除過程中結構構件的受力狀態不斷發生變化，對服役多年的舊橋存在不同程度的損傷，使得在拆除時不可預見的因素增多[2-7]，給航道橋梁的拆除帶來很大的技術難度和安全風險。

本文以無錫市某系桿拱橋的拆除為例，研究系桿拱橋在通航條件下的拆除方案及施工監控措施[8-11]，對該類橋梁的拆除有技術支持和相互借鑒的意義。

1 工程背景

該橋位于京杭運河無錫段，所處航道原設計通航等級為四級。由于航道通航要求提高，航道拓寬升級為三級航道，且橋梁寬度不能滿足目前交通流量要求，需對其進行拆除重建。該橋跨域河道主跨徑70 m，橋面總寬14 m，為下承式預應力混凝土系桿拱橋，采用剛性系桿柔性拱肋，系桿、吊桿和橫梁均為預應力構件，整體屬于三向預應力結構。橫向由兩片拱肋組成，拱肋凈間距9.5 m，拱肋上部設置四道I形風撐，下部吊桿對應位置設有14道中橫梁及2道端橫梁。橋墩采用鋼筋混凝土矩形雙柱式橋墩。圖1為該橋立面圖。

圖1 橋梁立面

2 橋梁拆除方案

2.1 橋梁拆除難點分析

（1）蘇南運河無錫段船舶流量大。該段航道船舶流量近2000艘/d，運量達39.73萬t/d，通航壓力大。根據海事部門要求，施工過程中通航水面凈寬須大于35 m，盡量減小對船舶通航的影響，且每次斷行持續時間不得大于4 h。

（2）跨航道橋梁跨徑大。該下承式系桿拱橋主跨跨徑70 m，橫跨蘇南運河干線航道，陸地施工機械無法進行主體結構拆除。由于結構自重大，無法采用浮吊整體吊裝拆除，只能采用分段切割方式拆除。

（3）拆除過程結構體系變化復雜。在進行切割拆除過程中，航道橋各構件的受力形式、穩定性及荷載傳遞路徑都隨拆除工況不斷發生變化，保證拆除施工安全難度大。

2.2 拆除方案

由于該橋為系桿拱橋體系，結構整體性強，跨度長、自重大，使得該橋只能在搭設支架的情況下采取分段切割配合浮吊吊運拆除的方法。為符合通航要求，支架間距設定為40 m。當吊桿切斷后拱肋與系桿間的聯系瞬間消失，會引起橋梁結構的劇烈震動，不利于保證施工安全。因此吊桿被切斷時，在橋跨跨中部位設置一臺浮吊頂緊系桿，減小由于瞬間釋放的吊桿力引起的結構震動。在結構穩定后浮吊迅速駛離，保證航道暢通。圖2為航道內設置的臨時支架和跨中浮吊。

圖2 臨時支架及浮吊

橋梁結構拆除的一般原則為先拆除次要構件后拆除主要構件，主體結構拆除前恒載應最小。結合以上原則，該橋拆除施工步驟確定為：拆除橋面板及中橫梁，切斷吊桿，鑿除風撐，鑿斷并吊除拱肋，鑿斷并吊除系桿中段，最后將兩側系桿及端橫梁吊除。橋梁拆除施工順序如圖3所示。

2.3 拆除方案仿真分析

在橋梁拆除過程中，結構構件的受力狀態和邊界條件隨施工工況的改變而改變，為保證拆除施工的安全性，應對拆除過程進行仿真分析，以確定關鍵控制工序的安全性。根據分析結果，影響拆除安全的關鍵工況為風撐拆除及吊桿切斷后的拱肋穩定性、系桿承載能力，系桿拱肋分段吊除過程中構件的承載能力。

2.3.1 拱肋穩定分析

在該橋的拆除過程中，中橫梁和風撐的拆除降低了構件橫向抗彎剛度和扭轉剛度，而且在吊桿切斷后，系桿和拱肋的整體性減弱，所以應對該工況之后的拱肋穩定性進行分析。

圖3 拆除施工步驟

在恒載和風載作用下，拱肋的第一階失穩模態均表現為拱肋面外對稱側傾失穩，最小穩定安全系數9.582。拱肋的穩定安全系數大于4～5，其穩定性滿足穩定要求。圖4給出拱肋裸拱的一階屈曲模態，表明裸拱的一階屈曲形式為面外失穩。

圖4 裸拱一階屈曲模態

2.3.2 系桿承載力分析

當吊桿切斷后，橋梁系桿所承受的吊桿力消失，系桿的自重通過臨時支撐及端支點傳遞到地面。由于臨時支撐由鋼管樁和貝雷梁組成，整體支撐剛度小，在支撐處可能發生較大沉降。系桿變形及彎矩分布如圖5所示。

圖5 系桿變形及彎矩分布

在不考慮支撐沉降的情況下，在預應力和構件自重等施工荷載作用下，跨中最大撓度為44 mm，遠小于規范的限值要求，系桿結構效應都小于結構抗力。考慮支撐沉降效應，當沉降量將達到15 cm時，系桿跨中變形增大，系桿彎矩接近系桿承載能力不能繼續承載。因而在拆除施工過程中應著重加強臨時支撐的承載能力，并采取必要措施減小支撐沉降。此外還應加強臨時支撐的剛度和對橋梁結構的監測預警，防止臨時支撐發生過大變形導致結構突發破壞。

2.3.3 系桿、拱肋吊裝驗算

切斷的系桿和拱肋均采用一臺浮吊吊除，設置兩個吊點，應對起吊時兩個吊點作用下構件的承載力進行驗算，以確保起吊過程中拱肋構件不致斷裂。對拱肋和系桿的吊裝驗算表明，在吊點位置選擇合適的情況下，吊裝時拱肋構件內力以及吊裝鋼絲繩承受的拉力小于構件本身抗力以及吊裝鋼絲繩的破斷拉力，滿足吊裝要求。

3 拆除施工監控

舊橋拆除過程中結構體系及內力傳遞路徑不斷發生變化，而且舊橋服役多年，其結構剛度和強度、預應力鋼筋的預應力損失等因素均不能在拆除施工前很確切地掌握，使得在拆除過程中不可預見因素增多，因而在拆除施工過程中應引入施工監控，實時掌握結構內力分布及各構件的邊界狀態，以確保拆除過程安全順利進行。在拆除施工時，一旦橋梁進入危險狀態，監控預警指標出現報警信息，通過分析采集的預警指標信息指導下一步拆除施工的實施。因此，對結構形式復雜、跨徑大、不確定因素較多的橋梁結構在拆除施工中進行必要的施工監控顯得非常重要。

3.1 監控方案

施工監控應在仿真分析的基礎上，對每一個施工階段的構件應力和變形情況進行數據采集和對比分析，并設定橋梁進入危險狀態的控制閥值。根據該橋的結構形式和拆除方案，吊桿拆除后拱肋和系桿受力形式發生變化，系桿的狀態控制是保證整個施工安全的關鍵。根據實際情況主要施工監控工況為拆除部分橋面板及中橫梁、吊桿切斷、鑿除風撐、鑿斷并吊除拱肋4個階段。

經驗算知在預應力和構件自重等施工荷載作用下，吊桿拆除后臨時墩沉降為15 cm時，系桿跨中截面累計變形為26 cm，此時跨中所受彎矩已經達到系桿抗彎承載能力的96%，因此設定預警控制閥值為：

（1）臨時墩累計沉降量達到15 cm；

（2）系桿跨中截面累計下撓值達到26 cm；

（3）監控點應力增量異常或超過理論增量。

圖6給出了監測控制點布置位置，主要有系桿中部、臨時支撐處及其對應的拱肋部位。在控制點處粘貼棱鏡及應變傳感器以監測該部位的變形和應力變化。系桿中部應變傳感器粘貼在系桿底面，支撐部位傳感器粘貼在系桿頂面。

圖6 橋梁監控測點布置

3.2 監控結果分析

3.2.1 應力分析

舊橋拆除施工前，對不同施工階段的應力進行了分析計算。在施工過程中，通過與不同階段采集的實際應力數據比對，掌據結構應力分布規律和各構件的應力情況。圖7給出了各施工階段特征截面測點的應力實測值與理論值曲線。

圖7 結構特征測點應力分析

分析可知，在各施工階段理論值的絕對值均大于實測值。結果表明，有限元計算獲得的理論解偏于安全。

3.2.2 變形分析

從橋面拆除施工至系桿拆除，各測點變形量與理論變形值吻合較好，未出現較大異常變形。各工序完成后，監控點的變形情況如表1所示。由于夜間通航要求限制，吊桿切割、拱肋拆除后，需間隔一天再進行下一道施工工序，考慮在間歇期間臨時支座可能發生沉降，故對間歇期間各特征測點的變形進行監測。

對表1數據分析可知，系桿的跨中截面累計最大實測變形值為17.1 cm，小于預警值26 cm。4個臨時墩的最大沉降值為8.2 cm，遠小于預警值15 cm，因而在主橋拆除施工中，系桿及拱肋結構均處于安全范圍內。吊桿切割、拱肋拆除后，間歇期間臨時支撐發生一定沉降，造成系桿撓度增大，可見在對主要構件拆除施工后應盡量減小間歇時間。此外，分析可知橋梁各拆除施工階段對拱肋的變形影響不大，拱肋總體變形量較小，利于保持結構穩定。

4 結語

該橋航道船舶流量大，通航要求高，通過制定合理的施工方案，采取施工監控等有效措施，保證了通航要求。橋梁拆除過程中僅暫時性斷航3次，每次不超過4 h，最大限度減少了施工對航道的影響。

航道橋梁往往具有跨度大、橋型復雜等特點，橋梁拆除過程中構件的受力形式不斷發生轉變，施工方案確定過程中，應對關鍵拆除工況進行嚴格驗算，以保證橋梁拆除各階段的承載能力和穩定性。舊橋經過多年的運營，拆除時不可預見因素較多，對結構復雜橋梁拆除采取必要的監控措施，準確把握橋梁的受力狀態是很有必要的。

[1]向中富.橋梁施工控制技術[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]秦凱,徐建秋,王達峰，等.無錫紅星橋拆除工程施工工藝[J].交通科技,2009(11):41-43.

[3]常光照,顧 強.雙曲拱橋拆除方案研究 [J].城市道橋與防洪,2012(4):105-107.

[4]孔繁龍.施橋運河大橋舊橋拆除施工技術 [J].華東公路，2013（1）：16-19.

[5]梁輝,王明.鋼筋混凝土系桿拱橋單片拱肋整體吊裝拆除方法簡述[J].中國水運,2010,10(12):219-220.

[6]尚勇.鎮大公路京杭運河系桿拱橋的拆除 [J].現代交通技術,2010,7(2):145-147.

[7]楊梓,徐文平.舊橋拆除方法要覽和案例簡介 [J].特種結構,2010,27(6):88-90.

[8]朱偉.部分斜拉橋施工監控技術 [J].鐵道標準設計,2008（8）：78-81.

[9]趙林杰,趙文婷.橋梁監控與檢測中有限元理論應用的探討[J].建設科技,2009(6):40-42.

[10]張建國,童世均,楊梓,等.跨航道大跨徑固端梁橋拆除施工監控分析[J].中外公路,2011,31(2):145-149.

[11]王凱，王社.跨航道連續梁橋頂推拆除施工監控技術[J].橋梁建設,2013,43(5):111-116.

表1 主要測點變形量（單位：cm）