大跨度下承式鋼管混凝土系桿拱橋拆除施工過程研究

王向鋒，李勇海，左小晗，盧方卿，汪亦顯

（1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

經過幾十年的蓬勃發展，我國的橋梁建設水平極大提高，橋梁工程建設規模已躋身世界前列[1]。與此同時，由于我國早期的橋梁工程發展不充分，橋梁建設水平不高，橋梁的設計標準較低，現場施工技術落后，對于工程質量的把控也不到位[2]，隨著時間的推移，安全性、適用性及耐久性不足開始顯現，眾多橋梁不能滿足經濟快速發展的需要，需要拆除重建[3]。由于各種原因，橋梁拆除坍塌事故不斷發生，釀成多起重大人員傷亡和財產損失事故[4][5]，因此，如何保障橋梁拆除施工中的安全性成為目前亟待解決的問題，對橋梁拆除過程中的施工技術開發和科學研究也亟待開展。賈永勝[6]通過計算機對大型建（構）筑物拆除爆破中的結構倒塌過程進行了仿真計算，模擬了結構從局部破壞到失穩直至倒塌的全過程。金宏忠[7]等人總結了國內外常用的橋梁拆除方法，對橋梁拆除工程提出了一些措施和建議。胡艷麗[8]以某大橋拆除工程為例，介紹了橋梁拆除的一些施工技術控制方法及施工工藝，并闡述了施工過程中的關鍵控制點及觀測監控措施。

針對大跨度系桿拱橋，其拆除過程中結構體系不斷變化，受力和變形情況相對復雜，拆除過程對施工的安全性把控要求較高。胡特新[9]分析了某雙曲拱橋的施工方法，驗證了該大橋施工方案的實用性和合理性。李志堅[10]以某城市一座雙曲拱橋的拆除施工提出了一種既有雙曲拱橋快速拆除施工技術。王技[11]通過數值分析軟件ANSYS模擬一座等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱型雙肋拱橋的拆除施工過程，驗證了該大橋施工方案的可行性。周建軍等人[12]通過數值分析軟件Midas civil從應力和變形兩個方面比較了三種不同拆除方案的優劣，選出了最佳施工方案。

本文以位于紹興市柯橋區的輕紡大橋的拆除為依托，使用數值分析軟件Mi?das civil對輕紡大橋的拆除施工過程進行數值模擬，對主拱圈拆除各施工階段的結構受力和變形情況進行了計算，驗證了該大跨度系桿拱橋的拆除施工方案的可行性。

1 工程概況

本工程在拱肋拆除施工前先搭設支架：打設支架鋼管樁，每根拱肋下設六個臨時支撐墩（共16根鋼管）中間兩個臨時支墩分別由4根φ400×8mm鋼管組成，其余四個臨時支墩分別由2根φ 400×8mm鋼管組成，分布拱肋內外側，樁間采用φ200×6mm鋼管進行橫向聯結，在縱梁底標高和拱肋底標高處分別設置2I40a工字鋼做橫向分配梁。鋼管樁結構采用Q235鋼材，其材料性能如表1。

Q235材料參數 表1

將拱肋分段，支架示意圖及拱肋分段如圖1所示。拆除施工從拱頂開始，先拆除拱頂的A節段，釋放拱圈的應力，再按照拆除兩側B節段→拆除兩側C節段→拆除兩側D節段的順序依次從兩側向拱腳對稱式拆除各節段。

圖1 支架及拱肋分段示意圖

輕紡大橋位于紹興市柯橋區，1994年建成通車，輕紡大橋全長207m，橋寬28.90m，主橋為1跨92m下承式鋼管混凝土系桿拱橋，引橋為后張法預應力混凝土空心板梁。橋梁下部結構主橋采用矩形實體墩，引橋采用雙柱式橋墩和輕型橋臺，鉆孔灌注樁基礎，矢跨比1/4。拱腳水平推力采用12束系拉索平衡，系桿為鋼筋混凝土T形截面；主拱拱肋為鋼管混凝土結構，高220cm，寬90cm，線形采用二次拋物線，截面為啞鈴型截面；全橋共有吊桿23對。

2 主拱圈拆除施工方案

3 有限元模型建立

在Midas civil中建立有限元模型，輸入荷載參數，進行荷載組合，并劃分施工階段。

3.1 結構整體建模

通過數值模擬軟件Midas civil進行建模，模型如圖2所示。拱橋鋼管、風撐、吊桿、縱梁、橫梁、小縱梁等均按實際桿件截面建模，吊桿采用桁架單元，其余均采用梁單元，鋼管內灌混凝土的鋼混結合截面等效成鋼管截面計算，恒載按實際重量加調整系數。

圖2 結構建模示意圖

3.2 荷載參數

3.2.1 恒載

恒載考慮結構自重W，拱橋結構和支架結構均以實際重量計算，Midas civ?il中材料特性值混凝土容重為25kN/m3，混凝土實際容重為26kN/m3，則自重計算系數取1.04。

3.2.2 活載

施工階段道路封鎖，橋梁不受車輛荷載及人群荷載，因此活荷載主要考慮風荷載。

風荷載按下式計算：

式中，Wd為設計基準風壓(kN/m2)，按Wd=K22K42W0計算，算得其值為0.52；W0為基本風壓（kN/m2），取0.25；K0為設計風速重現期換算系數，取0.75；K1為風陣體型系數，取1.00；K2為風速高度變化系數，取1.04；K3為地形地理條件系數，取1.00；K4為陣風風速系數，取1.38。

橫橋向風荷載作用點在各部分迎風面積的形心上。

3.2.3 荷載組合

荷載組合時考慮恒載和活載，恒載僅為結構自重，活載為風荷載。

強度計算組合：1.2×恒載+1.4×活載

變形計算組合：1.0×恒載

3.3 施工階段劃分

根據實際的拆除施工階段，數值分析計算按照以下8個施工階段進行分析：

施工階段一：初始狀態（拱橋原始狀態）

施工階段二：拆除預制件（拆除橋面鋪裝、預制小縱梁，接觸拱腳部分預應力）

施工階段三：搭設支架（支架搭設完成）

施工階段四：切斷系梁（解除拱腳對拉剩余預應力）

施工階段五：第1次拆除（拆除橫梁及縱梁）

施工階段六：第2次拆除（拆除A節段）

施工階段七：第3次拆除（拆除B節段）

施工階段八：第4次拆除（拆除C節段）

施工階段九：第5次拆除（拆除D節段）

4 數值模擬計算

4.1 拱肋和風撐受力計算

拱肋和風撐計算，采用強度控制計算。根據各施工階段下拱肋和風撐組合應力云圖，各階段中，初始狀態受力最大，其他各拆除階段受力均小于此狀態，初始階段拱肋和風撐內力云圖如圖3所示。從云圖中可以看出，初始狀態拱肋受力最大為193.32MPa，由于該橋設計圖紙中拱肋使用鋼材的型號未標明，按鋼材等級較低的Q235鋼考慮，拱肋最大受力193.32MPa，小于Q235鋼的承載能力215MPa，滿足施工要求。

圖3 初始階段拱肋應力云圖

4.2 支架受力計算

支架立柱計算，采用強度控制計算。根據支架立柱受力數值分析結果，各施工階段下支架立柱均處于受壓狀態，在第一次拆除階段，立柱的組合應力達到最大，最大組合應力值為107MPa，小于設計允許應力值215MPa，滿足施工要求。第1次拆除施工階段的組合應力云圖如圖4所示。

圖4 第1次拆除施工階段的組合應力

4.3 拱肋位移計算

本橋梁拱肋拆除工作遵循“同步、對稱”的原則，拆除順序從跨中向橋墩方向進行，將拱肋、中橫梁、吊桿和系梁等構件分四段進行拆除。為了保證拆除過程結構安全和穩定性，對拆除的全過程實行跟蹤測量監控，出現異常情況立即停止拆除。

根據實際，考慮橋梁拆除過程中以下六個工況下拱肋控制截面的位移變化情況，如表2。

不同處理形式工況表 表2

拱肋位移計算，采用變形控制計算，對拆除過程中拱肋的跨中、1/4跨和3/4跨進行計算，各工況下拱肋位移如表3所示。

各施工階段控制截面位移值（單位：mm） 表3

5 結論與建議

本文通過對輕紡大橋拆除施工過程進行數值分析，得到了以下結論，并給出建議：

①通過拱肋和風撐受力計算的結果可知，各施工階段中，各施工階段拱肋和風撐的受力均小于其材料承載能力，滿足施工要求；

②通過支架立柱受力計算的結果可知，各施工階段中，支架立柱中的最大組合應力均小于設計允許應力值，支架承載力方面滿足施工要求，同時還應把控好支架搭設的施工質量，保證支架穩定性，防止出現失穩倒塌等事故；

③為了掌握橋梁拆除過程中結構是否處于安全受控狀態，需要在拱肋上布置變形觀測點，通過理論計算分析結果和實時變形監測數據進行對比，判斷各個工況下橋梁的實際狀況，保證橋梁拆除施工安全順利進行。