懸挑支架法加寬舊石拱橋施工技術

陶 浩

(廣西桂通工程管理集團有限公司，廣西 南寧 530025)

0 引言

隨著我國交通運輸事業的快速發展，一些舊的干線公路由于標準低、通行能力差而亟須升級改造，特別是舊路上的一些石拱橋，在條件允許的情況下對其進行改造再利用，會產生更大的經濟性、實用性和耐久性。因此，舊石拱橋的加寬已成為設計、施工的一項重要課題。在大化至巴馬公路第一期工程中，對公路中的舊石拱橋進行了懸挑支架法加寬施工，該施工技術能有效保護舊石拱橋結構不受破壞，施工過程安全、環保、高效，施工質量良好，影響交通時間短。該工法的成功運用，以較低的施工成本取得了很好的社會和經濟效益，對于同類舊石拱橋改造加寬施工工程有較好的推廣意義，應用前景廣闊。

1 新舊技術原理對比

1.1 傳統加寬方法

在傳統施工中對舊橋加寬段一般采用滿堂支架搭設施工或先預制懸挑板后現場安裝的施工方法，其中采用滿堂支架法施工需要良好的地基，適應性不強；國內同類施工中普遍采用的是先預制懸挑板后現場安裝的施工方法。但該方法的預制板板底與橋面結合不夠密實，通車后，在行車荷載的長期作用下，預制板逐漸松動，隨著時間的推移甚至出現板底“脫空”現象，存在質量和安全隱患。

1.2 懸挑支架法

這一施工方法在不破壞舊橋結構的前提下，對舊橋橋面系拆除后采用懸挑支架法加寬施工，在施工中遵循均衡對稱的原則，以保證舊橋拱圈受力均勻，保護舊橋結構不受破壞，提高了舊橋改造的工程質量，具有安全、高效、環保、工程綜合造價低的特點。

2 懸挑支架法應用工程實例

作為大化至巴馬公路橋梁加寬重點的清水橋建于1985年，全長48.08 m，上部結構為長18 m的石拱橋，石跨比為1/3，拱軸線為等截面懸鏈線，拱軸系數=3.5。經檢測，該橋主拱圈等主要受力構件工作狀態正常，經過專家評估決定對該橋進行加寬利用。

3 懸挑支架設計及驗算

3.1 懸挑支架結構設計

圖1 懸挑支架橫斷面圖

3.2 懸挑支架結構驗算

3.2.1 有限元模型建模計算

對懸挑支架結構采用Midas Civil有限元軟件進行建模計算，有限元計算模型見下頁圖2。其中，橫向主梁、縱向分配梁、底模托架橫向分配梁、底模吊桿均采用梁單元模擬，共302個梁單元，6 mm厚鋼板底模采用板單元模擬，共48個板單元。邊界條件設置為：橫向主梁于舊拱橋支承處采用一般支承，約束3個方向的平動自由度及桿件本身軸向的轉動自由度；縱向分配梁與橫向主梁之間采用彈性連接；底模托架縱梁與底模托架橫向分配梁采用共節點連接。

初步運行分析計算模型，提取澆筑翼板混凝土最不利工況計算結果，可知最不利工況下結構桿件最大的應力為149.7 MPa(見下頁圖3)，最大應力小于Q235鋼容許應力(215 MPa)，應力滿足要求；最大結構變形為30.23 mm(見圖4)，結構變形過大影響結構的正常使用，需進一步優化。

圖2 懸挑支架有限元模型云圖

圖3 懸挑支架應力云圖

圖4 懸挑支架位移云圖

3.2.2 懸挑支架結構優化

通過分析懸挑支架的結構變形及應力分布情況發現，支架位移過大的原因主要是橫向主梁變形過大引起的。橫向主梁受兩側翼板荷載作用，在每側翼板僅有一個橋面支點，橫向主梁中間部位無約束。因此改變約束條件，在橫向主梁中部設置一個抗豎向拉力的支點，支點下端錨固至舊橋橋面，以限制橫向主梁上拱。對有限元模型進行重新設計驗算，同樣提取澆筑翼板混凝土最不利工況計算結果，最不利工況下結構桿件最大的應力為158.3 MPa(見圖5)，小于Q235鋼容許應力(215 MPa)，應力滿足要求；最大結構變形為9.62 mm(見圖6)，結構位移變形大幅減少，最大位移9 mm位于底模托架跨中處，可通過調節豎向精軋螺紋鋼長度設置預拱度，以調整標高。

圖5 懸挑支架應力云圖(優化后)

圖6 懸挑支架位移云圖(優化后)

綜上分析，設計的懸挑支架結構應力變形均滿足要求，可按照設計圖加工懸挑支架結構。

4 懸挑支架法施工技術

4.1 懸挑支架法工藝流程

懸挑支架法工藝加寬舊石拱橋施工工藝流程見圖7。

4.2 施工要點

4.2.1 現場勘查

在改造施工前，對舊石拱橋上部結構及下部結構再次進行觀測檢查，并做好觀測記錄。

4.2.2 拆除舊橋面結構物

在拆除施工中按均衡對稱原則進行，先左右對稱同步拆除兩側護欄，然后挖除舊橋面鋪裝和拱頂填料。挖除順序是從橋梁中部往兩端橋臺同時進行，采用兩臺輕型設備從橋中心往橋臺方向同時挖除拱上填料，以保證舊橋主拱圈均衡對稱受力。

4.2.3 回填輕質混凝土施工

從兩端橋臺同時往橋中心進行回填，以保證石拱橋主拱圈均衡對稱受力。

4.2.4 懸挑支架法施工

(1)懸挑支架架設。在回填輕質混凝土完成后，進行懸挑支架安裝，按橋長平均分段進行施工(如清水橋全長48 m，分為4段進行施工)。施工順序為：從橋梁中部往兩端橋臺方向左右同步進行。現澆支架經驗算審核通過后方進行支架安裝，充分考慮了懸挑支架受力滿足規范要求的同時，盡量采用輕型材料以減輕舊橋面荷載，達到保護舊橋結構的目的。

(2)懸挑模板安裝。在支架安裝完成后進行模板安裝，模板安裝左右對稱同時進行，以保證支架和舊橋結構受力均衡。

(3)懸挑板鋼筋安裝及混凝土施工。鋼筋安裝左右對稱同時進行，以保證支架和舊橋結構的受力均衡。在鋼筋驗收合格后進行懸挑板混凝土澆筑施工，同樣是左右對稱同步進行。

(4)橋面系附屬系統施工。橋面鋪裝及防撞墻施工同樣按左右對稱原則同步進行施工，以保證舊橋結構的受力均衡。

5 質量及安全控制要點

5.1 質量控制

整個懸挑支架法施工過程必須遵循均衡對稱的原則，以保證石拱橋主拱圈均衡受力，確保舊橋和改造后的工程質量。

5.2 安全控制

在施工時封閉橋面，進行交通管制。在全橋的加寬改造施工過程中，需進行施工監控。在加寬施工進場之日起，必須由專人負責主拱圈L/2(拱頂)、3L/8、L/4、L/8處截面及拱腳、橋臺等處的豎向位移和水平位移的觀測，直至橋梁加寬施工竣工驗收為止。如發現異常情況，應立即停工，并盡快分析原因并及時采取措施。

6 效益分析

舊石拱橋加寬改造施工完成后，橋梁外觀效果佳，行車舒適度好，故對懸挑支架法加寬舊石拱橋施工技術進行效益分析。

6.1 經濟效益分析

關于滿堂支架與懸挑板現場安裝施工的各項比較如表1所示。由表1可見，采用懸挑現場安裝施工比傳統的滿堂支架鋪設施工節約了工料機各項的投入。以清水橋加寬施工為例，節約費用約2.5萬元，且在節約場地、節約工期方面更有優勢，產生的經濟效益更明顯。

6.2 社會效益

懸挑支架法加寬舊石拱橋施工技術能高效安全地進行舊橋加寬施工，減少施工安全風險、提高工程質量、符合環保要求，社會效益和經濟效益良好，且具有廣闊的市場發展空間和應用前景。

表1 滿堂支架法施工與懸挑支架法施工經濟效益

7 結語

懸挑支架法成功應用于清水橋，該橋改造加寬工程工期僅用時2.5個月，施工過程運用均衡對稱原則，從拆除舊橋結構物到改造加寬施工完成，嚴格按工藝流程和設計規范進行施工，將原設計的預制懸挑板現場安裝工藝變為懸挑支架法施工，該方法操作簡單，易于控制，施工緊湊，對交通影響小。在施工完成后，根據本項目對原橋的跟蹤檢測結果顯示，舊石拱橋主拱圈頂面僅沉降了1 mm，整橋無水平位移現象。該方法的成功運用可為今后同類型的舊橋改造加寬工程提供經驗借鑒。