随着交通量的日益加大, 我国早期建设的一些桥梁已不能满足增大的交通量需求, 这些桥梁逐渐退出历史舞台。为了满足条件, 对这些桥梁进行加固处理, 然而一部分桥梁虽然经过加固, 但是依然达不到要求, 桥梁拆除将是其最终归属。我国桥梁拆除尚无相关的指南可供参考, 国内桥梁拆除工程实例不多, 连拱桥的拆除案例更是鲜有报道^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]}, 传统的方案如爆破施工法对环境影响大, 安全性差, 可控性不强, 全国桥梁拆除安全事故频发, 这种情况下, 不断地优化和调整拆桥方案, 才能实现桥梁拆除设计方案做到安全、文明、经济和合理。本文将以宜昌长江溪桥7跨连续拱桥拆除为研究背景, 旨在为连续拱桥梁拆除施工类似工程提供借鉴和参考。

宜昌市长江溪桥位于湖北省宜昌市葛洲坝库区内, 长江和黄柏河的交汇处, 系大坝的附属工程, 全桥为7×60m钢筋混凝土箱形拱桥, 全长476.26m, 桥净宽 (9+2×1.75) m, 如图1所示。主拱箱采用7榀等截面箱形结构, 拱轴线形采用悬链线, 净跨60m, 矢高10m, 矢跨比1/6, 拱轴系数m=2.814。施工时每榀箱分3段预制吊装, 每段箱吊重25t, 结头采用螺栓固定、钢板焊接, 每榀预制箱梁之间采用混凝土湿接。拱上建筑采用腹拱与实腹结合的结构形式, 每孔两端各设5个腹孔, 腹孔采用预制无铰拱板, 跨径3.6m, 矢跨比1/6。实腹段长20m。拱背立墙为双孔拱门式混凝土板墙结构。

根据《宜昌市城市总体规划 (2011—2030) 》, 现大桥净高仅为8m, 无法满足大型游轮通航净空要求, 且通行能力有限, 无法满足未来区域发展的需求, 因此需拆除新建。

长江溪桥的拆除施工始终围绕在确保施工安全和桥墩安全的前提条件下进行。长江溪桥的现场条件、相关理论计算为本拆除方案编制的基本依据 (见图2～4) 。

桥梁拆除背景和特点如下。

1) 全桥空间结构体系复杂, 为7跨连续拱桥, 连拱效应突出。

2) 只拆除上部结构, 下部结构保留, 属于保护性拆除, 要求长江溪桥实施改造后其通航净空高度≥18m, 爆破拆除对通航影响大, 因此不能采用爆破等方式拆除。

3) 加固后结构受力非常复杂, 存在不可预见的风险。

4) 拆除过程中桥墩的抗水平推力控制尤其关键, 需对全桥进行空间计算;桥墩结构稳定安全问题突出。

经综合比较, 结合连拱桥的空间受力情况、现场环境和业主要求, 提出如下2种拆除方案:①方案1 无支架斜拉扣挂浮吊吊装拆除方案;②方案2 无支架扣索吊装拆除方案。

拆除顺序遵循“由上而下-化整为零”的规律, 以及“对称-平衡”的原则, 对拱箱进行卸载 (减轻拱箱负荷) 。采用浮吊吊装, 拱箱拱顶切割开后, 拱上扣索系统保证体系转换时的稳定平衡。

先拆除桥面系, 然后拆除拱上立墙和横柱, 卸载 (减轻拱箱负荷) , 即先拆除桥面系, 拆除拱上立墙, 使所有拱圈自重和负荷减到最小, 对桥墩和桥台的水平推力也最小。此时切割打开拱顶, 完成拱箱的拱圈支撑体系转换, 使全桥拱箱由7连拱变为8个独立的双悬臂T形对称的半拱圈, 最后, 逐节段拆除对称半拱圈的拱箱。

拆桥施工的重点是拱箱拆除, 难点是内侧拱圈的拱顶段打开时安全完成体系转换。

拱箱的拆除是通过在墩上设置塔架及扣索、背索、平衡索等各种拉索而实现, 通过调整各拉索力来调整拱圈内力, 直至7跨拱箱的拱圈拱顶截面内力为0 (或接近0) , 从而完成内力体系转换。

拱桥的拆除最关键一点是释放拱圈上的内力, 即将超静定结构转换为静定结构的过程。

本桥拆除采用在每孔设4对钢绞线斜拉扣索, 通过调整预张拉扣索力, 使得拱顶截面理论内力为0 (或接近0) , 然后逐孔打开拱顶, 消除连拱效应, 使结构转换为静定结构, 然后逐跨逐段顺序对称拆除拱圈。

此方案结构体系转换前后受力明确, 计算简单, 对拱圈的拆除过程能较好模拟, 保证施工安全。计算过程中不考虑各片拱箱的共同受力, 均以单拱箱计算。

为了保证拆桥过程的安全性, 使扣索在张拉过程中拱圈不至于因局部应力过大遭到破坏, 对整个拱圈的应力情况进行了验算分析, 均满足规范要求。全桥拆除拱上建筑后空间模型如图2所示。

第1步:架设扣索塔架并拉设扣索、背索等拉索;第2步:拆除上下游拱箱的外侧1, 7号拱箱, 减轻内侧拱圈负荷。

1) 先将7跨的2片拱箱沿纵桥向锯开, 形成独立拱箱。

2) 在拱顶安装劲性骨架 (I40a支撑) , 并在工字钢上安装应变片。

3) 斜拉挂设拱箱扣索, 用千斤顶张拉扣索并锚固在扣塔顶部, 每跨每肋设8道扣索, 沿顶部对称布置;扣索采用6ϕ^j15.24高强低松弛钢绞线。根据计算结果, 分批次逐根张拉扣索。

4) 通过计算在切开拱顶进行体系转换前, 墩承受的不平衡力较小, 完全能由墩本身承受。在施工过程中, 为了安全起见, 在切割拱顶前, 对可能受到不平衡力的桥墩施加平衡索, 可承受的不平衡水平力按100t计, 作为施工的安全措施, 平衡索采用截面积为2 091mm²的ϕ78钢丝绳。

5) 切割拱顶进行体系转换。用浮吊吊住第4跨上游拱圈拱顶段中心点, 采用绳锯切割机沿拱顶处切割开, 在切割过程中还应随时监控拱箱、扣索系统及桥墩的位移和内力变化:随时监控拱圈的裂缝发展情况, 发现位移或内力变化超过允许范围时应及时调整扣索及平衡索, 直至拱顶完全打开。

6) 按照同样的方法打开其余跨拱圈的拱顶。

7) 体系转换后, 采用2台50t浮吊拆除已打开的主拱圈, 沿扣塔两侧对称同步进行, 首先用2台浮吊同时吊住拆除节段并逐步加力, 同时两节段扣索逐步放松, 通过监控拱箱标高变化及应力变化来调节传力过程, 确保平稳传力, 直至两拆除段拱箱自重完全由浮吊承担、扣索完全松掉;然后用2台绳锯切割机同时切割拱箱, 并做好标高和应力监控, 确保T形双悬臂体系两侧卸荷平衡, 至拱箱完全切断。拆下的拱箱装在100t驳船上运走。

以单拱箱计算, 考虑到拱桥空间受力的对称性, 选取中跨和2个边跨共3跨进行计算。

施工误差因素方面:该桥计算时混凝土的收缩徐变已经发生, 后期对成桥线形和预拱度影响并不大, 拆除控制过程中可以忽略;拆桥模型模拟中, 拆除时主要通过修正了结构的弹性模量和混凝土重度来考虑施工误差。

大桥目前正在最终论证阶段, 还没有进入实施阶段, 拆除后可能重新规划新建1座斜拉桥, 拆除施工开始后可对后续方案进行验证。

大桥目前主要施工工况为:施工阶段6:中跨3, 6节段拆除, 施工阶段7:边跨3, 6节段拆除, 施工阶段8:中跨2, 7节段拆除, 施工阶段9:边跨2, 7节段拆除, 施工阶段10:中跨1, 8节段拆除, 施工阶段11:边跨1, 8节段拆除, 施工阶段3:跨中1, 5节段拆除 (见图6) 。拱圈节段拆除流程平面如图7所示。

由于篇幅限制, 对各施工阶段的计算结构进行统计, 施工阶段3时桥墩水平力最大, 因为此时中跨跨中处打断, 拱圈进行第1次体系转换。水平力完全由中跨桥墩承受, 随着边跨的打断, 水平力将由边跨和中跨桥墩分担。拱圈节段卸载后, 桥墩水平力将进行调整重新分布。

中跨第1, 5节段拆除后, 桥墩反力结果最大, 为-428.332kN, 原桥边跨桥墩水平推力计算复核为520kN, 采用平衡索后, 可将桥墩的水平推力控制在合理范围。

方案主要为采用在原桥两侧桥台位置搭设塔架, 并布设缆索, 构建缆索吊系统, 利用缆索吊进行分段吊装拆除, 缆索吊系统布置跨径为500m左右, 2套主索, 拱圈吊点采用原桥安装时拱圈已有吊点。桥面板、盖梁、立柱、拱圈等采用切割技术切割分块, 本着对称卸载原则进行拆除。拱圈切割前安装扣索固定剩余拱圈, 保证切割后悬臂拱圈稳定。

拆桥施工的重点是拱箱拆除, 难点是内侧拱圈的拱顶段打开时安全完成体系转换。

拱箱的拆除是在墩上塔架及扣索、背索、平衡索等各种拉索锚固进行, 通过调整各拉索力来调整拱圈内力, 直至7跨拱箱的拱圈拱顶截面内力为0 (或接近0) 。考虑理论计算与实际可能存在偏差, 即无法保证拱顶切割处的内力为0 (理论上可以) , 从而完成内力体系转换。同时, 要实时监控桥墩水平推力的变化, 保证桥墩安全和稳定。

改建工程采用拆除原桥拱圈后利用原桥桥墩、基础, 因此, 在原桥拱圈、拱座拆除期间确保原桥桥墩结构的安全是实施本改建工程的重点和难点。拟采用缆索吊装系统来辅助进行拆除, 系统中设2组承重主索、2组吊篮主索和4组墩扣索。每跨拱肋分成3段拆除, 每组承重主索设计吊装约65t (计入冲击系数1.3后为85t) 。

横向拆除时, 首先拆除全桥上游外侧拱圈, 再拆除全桥下游外侧拱圈, 然后拆除下游外侧拱圈, 再拆除上游侧外侧拱圈, 依次循环。纵向拆除时, 按由第4跨→第3跨、第5跨→第2跨、第6跨→第1跨、第7跨顺序进行拆除。拆除中对应相应的编号依次拆除。

1) 将上游的承重主索和2组墩扣索布置在上游第4跨拱肋的靠上游一片拱顶段 (即4-2-1拱圈) 拱箱中心所在的铅直平面内, 在墩上盖梁的上下游布置通常约束索 (锚固在两岸桥台后) , 施加一定的预拉力并监测。

2) 用上游的承重主索通过原吊点位置吊好靠上游的第4跨拱顶段 (即4-2-1拱圈) , 并使吊点适当受力, 用墩扣索扣住同跨同一条拱箱的第1段、第3段的原扣点位置, 并使扣点适当受力, 所有受力均进行施工监控。

3) 采用切割技术将原桥拱箱第1, 2段间的接头处沿拱轴线的法向切开, 用上游一组的承重主索吊开拱顶段至指定位置。

4) 用上游承重主索的吊点吊好第4跨同一条拱箱靠左岸的第1段, 并使吊点适当受力 (注意墩扣索和承重主索的吊点受力配合) , 用切割机将原桥拱圈第1段间的剩余纵缝混凝土切开, 将同片拱箱的拱脚处横向切开, 此时松去相应墩扣索, 用承重主索将该拱圈调开至指定位置。

5) 用同4) 的方法拆去通条拱肋箱梁靠右岸的第3段, 吊开至指定位置。

6) 用如上方法拆去上游肋其余跨的上游外侧拱圈。

7) 采用如上方法拆去下游肋的下游外侧各跨拱圈。

8) 在桥墩拱座的上、下游布置通常约束索 (锚固在两岸桥台后) , 施加一定的预张力并监测。

9) 重复以上步骤拆除下游外侧拱圈。

10) 采用同样的方法拆除其他拱肋, 直至拱圈拆除完成。

11) 松去在墩上盖梁的上、下游布置的通常约束索和桥墩拱座的上、下游布置的约束索。

12) 拆除拱座。利用桥墩加高施工平台作为混凝土切割机的工作平台。由于工作的横截面大于QGJ-15切割机最大的切割面积, 分成2部分切割。某一拱座切割开后, 用承重主索将其吊移至指定位置, 直至拆去全部拱座。

13) 拆去架设的缆索吊装系统 (如果后续工程不再需要) 。

①在拱圈上安装脚手架, 在两片拱中间部位每隔4～5min穿>ϕ20mm通孔;②借助缆索吊将混凝土切割机安装在拱圈上, 固定;③按实际情况所需金刚石串珠绳长度下料, 将金刚石串珠绳穿过两个预开的孔以及切割机的机动头, 用专用对接钳对接;④全面检查后开机切割, 直至两孔之间全部切开;⑤利用缆索吊平移一定距离就位, 穿金刚石串珠绳对接、切割, 依次下去, 将两片拱段逐步割开。

①在吊篮上装1个定滑轮, 定滑轮上钢绳一端吊切割机, 另一端吊一定的配重, 以对切割机施加向上的力, 即通过切割机对旋转中的金刚石串珠绳一个向下的力, 从而切割拱圈;②每切割一段, 便用缆索吊将其吊走, 再移动切割机吊篮对准要切割位置, 升降吊篮, 以方便混凝土切割机在拱肋上安装和操作。

利用加高桥墩所需施工平台作为混凝土切割机的工作平台, 由于拱座的横截面大于QGJ-15切割机最大切割面积, 应分成2部分切割。

在切割面的正中间钻1个>ϕ20mm小孔, 将金刚石串珠绳穿过进行切割, 即可完成拱座切割的一半, 将切割机移至另一端切割便可完成另一半, 然后用缆索吊吊走。

1) 无支架斜拉扣挂浮吊吊装拆除方案拆除顺序遵循“由上而下-化整为零”的规律, 遵循“对称-平衡”原则, 对拱箱进行卸载 (减轻拱箱负荷) 。采用浮吊吊装, 拱箱的拱顶切割开后, 拱上扣索系统保证体系转换时的稳定平衡, 多个作业点同时进行拱箱拆除, 施工受力简单, 为推荐最优方案。

2) 无支架斜拉扣挂浮吊吊装拆除法对各施工阶段的计算结构进行统计, 施工阶段3时桥墩水平力最大, 因为此时中跨跨中处打断, 拱圈进行第1次体系转换。水平力完全由中跨桥墩承受, 随着边跨的打断, 水平力将由边跨和中跨桥墩分担。拱圈节段卸载后, 桥墩水平力将进行调整重新分布, 必须重新考虑计算。

3) 无支架扣索吊装拆除方案主要采用在原桥两侧桥台位置搭设塔架, 并布设缆索, 构建缆索吊系统, 利用缆索吊进行分段吊装拆除, 缆索吊系统布置跨径为500m左右, 2套主索, 拱圈吊点采用原桥安装时拱圈已有吊点。桥面板、盖梁、立柱、拱圈等采用切割技术切割分块, 按照对称卸载原则进行拆除。

4) 扣索吊装、拆除方案中, 缆索吊系统在进行桥面系拆除期间即进行安装, 拱上建筑和拱圈拆除均可用到缆索吊系统, 同时, 新建桥若采用利于吊装的形式, 也可利用缆索吊进行施工。塔架、主索、扣索等系统安装涉及的基础、地锚、缆风的辅助设施较多, 施工工期较长, 施工难度相对较大, 为次选方案。