PC桁架橋整體起吊關鍵技術參數優化分析 *

吳澤力,張憲江,胡幫義

(湖州職業技術學院 建筑工程學院, 浙江 湖州 313000)

江南水鄉河道縱橫，橋梁眾多。隨著時間的推移，很多十幾年前建造的橋梁已不能滿足現實交通功能的需求，急需拆除或重建。其中，本文研究的應界橋(老橋)(參見圖1)位于湖州南潯鎮人瑞西路延伸段，其新橋建成通車后就失去了實用價值。它是一座建造于20世紀90年代的預應力混凝土簡支桁架橋(簡稱PC桁架橋)。該桁架橋下部設置了橫梁，支撐行車道板和橋面鋪裝層，下部結構采用灌注樁接蓋梁形式。主桁架由五個單元(10個節間)組成，跨度為62 m(10×6.2 m)，高6.2 m，寬6.3 m。經現場調查，目前其主桁架上下弦桿、豎桿、斜桿存在嚴重的病害，部分構件已進入塑性工作狀態，處于“差的狀態”，被船撞擊后加固的橋墩，其外包鋼板銹蝕嚴重。經第三方檢測機構綜合判定，該桁架橋屬于4類橋。交通管理部門經綜合考慮，也認為該橋應予拆除。

一、PC桁架橋整體吊拆方案

橋梁拆除一般必須封航施工作業，對航道通航的影響很大。因此，封航后必須盡快完成主跨桁架的吊除，以便盡早恢復通航。在這樣的情況下，主跨PC桁架橋的拆除應該采用整體起吊、移至岸邊破碎的吊拆方案。而PC桁架橋整體起吊則宜采用如圖2所示的“雙分、四吊點”方案(參見圖2)。整體起吊時，起吊重量必然很大。因此，優化起吊關鍵技術參數，合理選擇起吊機械，是經濟、安全施工的前提保障。

圖2 PC桁架橋整體起吊示意圖

二、整體起吊關鍵技術參數優化

(一)起吊荷載

為減少整體起吊重量，桁架橋吊拆前應先將橋面鋪裝層、行車道板等附屬構配件拆除(拆除后，本工程PC桁架橋自重約450 t)。

綜合考慮起吊過程中的沖擊效應(起吊速度≤0.2 m/s)[1]31-33 [2]21-24，及水流波動對浮吊船的影響[3]12-15，設定動力系數為1.2，起吊索具重量為3 t，則起吊荷載為：1.2×450+3≈543 t。根據現有施工條件，擬采用1艘610 t起重能力的浮吊船，對該PC桁架橋進行整體吊拆。

(二)起吊點布置方案

依據起重機主要性能參數的規定[4]9-15及610 t浮吊起重負荷如表1所示(參見表1)，取水平仰角60 °或65 °，均能滿足起吊半徑的需要，繪制浮吊船起重量與起重高度相關曲線(Q-H曲線)如圖3所示(參見圖3)。

1.起吊點布置方案的初選 PC桁架橋起吊點布置可選用的方案詳見表2(參見表2)。其中，起吊高度按下式計算：

Hi≥n×6.2×tanα+h1

式中：Hi-方案i的起吊高度(m)，n-起吊點至桁架橋中點包含的節間數，α-吊索與桁架的水平夾角，取60 °[4]9-15，h1-桁架橋橋底至浮吊船甲板處的高度，本工程取3.9 m。

將各可選方案的起吊高度一并繪入Q-H曲線中(起吊重量543 t，參見圖3)。

方案Ⅰ：將起吊點布置于桁架支座處。此時需要的起吊高度為H1≈57.6 m，應選擇長度大于60 m的吊桿，才能滿足起吊高度的要求。但此時浮吊船最大起重量為480 t，不滿足PC桁架橋的起重量543 t。因此，當采用610 t浮吊船時，此方案不可取。

方案Ⅱ：將起吊點布置于桁架B節點處。此時需要的起吊高度為H2≈46.9 m，應選擇60 m吊桿，起重高度滿足要求，但最大起重量不滿足要求。因此，當采用610 t浮吊船時，此方案也不可取。

方案Ⅲ：將起吊點布置于桁架C節點處。此時需要的起吊高度為H3≈36.1 m，選擇50 m吊桿，起吊高度、起重量均滿足要求，此方案可取。

方案Ⅳ：將起吊點布置于桁架D節點處。此時需要的起吊高度為H4≈25.4 m，選擇40 m吊桿，起吊高度、起重量均滿足要求，且富余度較高，故此方案也可取。

因此，基于PC桁架橋整體起吊重量及浮吊船技術參數，可以初步篩選出符合要求的方案，即方案Ⅲ與Ⅳ。

表1 610 t浮吊起重負荷表

表2 PC桁架橋起吊點布置方案

2.起吊點布置方案的優選 對于可行的方案Ⅲ與Ⅳ，當整體起吊時，桁架橋的受力狀態將與實際工作狀態有較大的差異，部分桿件可能處于反向受力狀態，極端情況下可能造成橋體斷裂，從而釀成嚴重的工程事故。因此，應對初選的PC桁架橋整體起吊方案進行起吊狀態下的承載力分析，優選內力變化比較小且能滿足起吊安全的最佳方案。

利用SAP 2000有限元分析軟件，對上述初選方案進行仿真分析。分析模型采用二維桁架(忽略風撐及下部橫梁的橫向作用)，上、下弦桿根據梁單元，腹桿根據鉸接單元[5]13-18，構件截面及配筋信息根據原設計圖紙建模。桁架下弦桿、豎向腹桿上施加的預應力按節點集中荷載施加(考慮15%的預應力損失)[6]150-155。

(1)方案Ⅲ的桁架內力分析(起吊狀態)。對方案Ⅲ的PC桁架橋分析模型運行分析，仿真分析結果如圖4所示(參見圖4)。由圖4可見：此時桁架端部(節點C的外側)上弦桿及斜腹桿處于受拉狀態。經運行結構校核，發現節點C處豎向受壓腹桿應力比超限(但不超過1)。在節點C處的兩根豎向腹桿中部設置橫向支撐(局部加強)，再次運行結構校核，發現全部桿件均可滿足強度要求。

圖4 方案Ⅲ分析結果(起吊狀態)

(2)方案Ⅳ的桁架內力分析(起吊狀態)。對方案Ⅳ的運行分析，仿真分析結果如圖5所示(參見圖5)，由圖5可見：此時桁架上弦桿、吊點D外側斜腹桿及C-D節間下弦桿均處于受拉狀態。運行結構校核，發現節點C-D節間斜腹桿、下弦桿應力比超限，且斜腹桿應力比大于1；節點C、B處的豎向受壓腹桿應力比超限，且節點C處豎向腹桿應力比大于1(參見圖5)。若采用方案Ⅳ，則必須對應力比大于1的桿件進行加固，以確保起吊狀態PC桁架橋的結構安全。但是，桿件加固必然引起施工成本增加及施工工期延長。

圖5 方案Ⅳ分析結果(起吊狀態)

通過對初選方案Ⅲ和Ⅳ的仿真分析，可知使用方案Ⅲ，起吊狀態的PC桁架橋內力變化較小，且能滿足吊拆安全要求，故，應優選方案Ⅲ。

綜上，PC桁架橋拆除時，為減少對航道通航的影響，宜采用整體起吊的吊拆方案。但是，整體起吊的起重量大，必須優化起吊關鍵技術參數，合理選擇起吊機械與起吊點，以滿足經濟、安全的施工要求。主要應注意：(1)起重量較大的浮吊船，其使用成本及安全風險較高，因此，在PC桁架橋整體吊拆前，應先將橋面鋪裝層、行車道板等附屬構配件拆除，以減少整體起吊重量。較輕的起吊重量有利于選擇較為經濟合理的浮吊船型號。(2)PC桁架橋的整體起吊受力狀態與實際工作狀態相比，其內力變化很大，部分桿件處于反向受力狀態，極端情況下可能造成桁架橋斷裂，引發工程事故。因此，必須對整體起吊方案進行結構內力分析，以確保施工安全。(3)PC桁架橋整體起吊時，其起吊點布置方案尤為重要，應綜合考慮浮吊船技術參數與桁架橋起吊狀態的受力變化。在浮吊船技術參數允許的范圍內，起吊點宜盡可能布置在桁架橋端部，此時，桁架橋內力變化相對較小。