PC桁架桥整体起吊关键技术参数优化分析 *

吴泽力,张宪江,胡帮义

(湖州职业技术学院 建筑工程学院, 浙江 湖州 313000)

江南水乡河道纵横，桥梁众多。随着时间的推移，很多十几年前建造的桥梁已不能满足现实交通功能的需求，急需拆除或重建。其中，本文研究的应界桥(老桥)(参见图1)位于湖州南浔镇人瑞西路延伸段，其新桥建成通车后就失去了实用价值。它是一座建造于20世纪90年代的预应力混凝土简支桁架桥(简称PC桁架桥)。该桁架桥下部设置了横梁，支撑行车道板和桥面铺装层，下部结构采用灌注桩接盖梁形式。主桁架由五个单元(10个节间)组成，跨度为62 m(10×6.2 m)，高6.2 m，宽6.3 m。经现场调查，目前其主桁架上下弦杆、竖杆、斜杆存在严重的病害，部分构件已进入塑性工作状态，处于“差的状态”，被船撞击后加固的桥墩，其外包钢板锈蚀严重。经第三方检测机构综合判定，该桁架桥属于4类桥。交通管理部门经综合考虑，也认为该桥应予拆除。

一、PC桁架桥整体吊拆方案

桥梁拆除一般必须封航施工作业，对航道通航的影响很大。因此，封航后必须尽快完成主跨桁架的吊除，以便尽早恢复通航。在这样的情况下，主跨PC桁架桥的拆除应该采用整体起吊、移至岸边破碎的吊拆方案。而PC桁架桥整体起吊则宜采用如图2所示的“双分、四吊点”方案(参见图2)。整体起吊时，起吊重量必然很大。因此，优化起吊关键技术参数，合理选择起吊机械，是经济、安全施工的前提保障。

图2 PC桁架桥整体起吊示意图

二、整体起吊关键技术参数优化

(一)起吊荷载

为减少整体起吊重量，桁架桥吊拆前应先将桥面铺装层、行车道板等附属构配件拆除(拆除后，本工程PC桁架桥自重约450 t)。

综合考虑起吊过程中的冲击效应(起吊速度≤0.2 m/s)[1]31-33 [2]21-24，及水流波动对浮吊船的影响[3]12-15，设定动力系数为1.2，起吊索具重量为3 t，则起吊荷载为：1.2×450+3≈543 t。根据现有施工条件，拟采用1艘610 t起重能力的浮吊船，对该PC桁架桥进行整体吊拆。

(二)起吊点布置方案

依据起重机主要性能参数的规定[4]9-15及610 t浮吊起重负荷如表1所示(参见表1)，取水平仰角60 °或65 °，均能满足起吊半径的需要，绘制浮吊船起重量与起重高度相关曲线(Q-H曲线)如图3所示(参见图3)。

1.起吊点布置方案的初选 PC桁架桥起吊点布置可选用的方案详见表2(参见表2)。其中，起吊高度按下式计算：

Hi≥n×6.2×tanα+h1

式中：Hi-方案i的起吊高度(m)，n-起吊点至桁架桥中点包含的节间数，α-吊索与桁架的水平夹角，取60 °[4]9-15，h1-桁架桥桥底至浮吊船甲板处的高度，本工程取3.9 m。

将各可选方案的起吊高度一并绘入Q-H曲线中(起吊重量543 t，参见图3)。

方案Ⅰ：将起吊点布置于桁架支座处。此时需要的起吊高度为H1≈57.6 m，应选择长度大于60 m的吊杆，才能满足起吊高度的要求。但此时浮吊船最大起重量为480 t，不满足PC桁架桥的起重量543 t。因此，当采用610 t浮吊船时，此方案不可取。

方案Ⅱ：将起吊点布置于桁架B节点处。此时需要的起吊高度为H2≈46.9 m，应选择60 m吊杆，起重高度满足要求，但最大起重量不满足要求。因此，当采用610 t浮吊船时，此方案也不可取。

方案Ⅲ：将起吊点布置于桁架C节点处。此时需要的起吊高度为H3≈36.1 m，选择50 m吊杆，起吊高度、起重量均满足要求，此方案可取。

方案Ⅳ：将起吊点布置于桁架D节点处。此时需要的起吊高度为H4≈25.4 m，选择40 m吊杆，起吊高度、起重量均满足要求，且富余度较高，故此方案也可取。

因此，基于PC桁架桥整体起吊重量及浮吊船技术参数，可以初步筛选出符合要求的方案，即方案Ⅲ与Ⅳ。

表1 610 t浮吊起重负荷表

表2 PC桁架桥起吊点布置方案

2.起吊点布置方案的优选 对于可行的方案Ⅲ与Ⅳ，当整体起吊时，桁架桥的受力状态将与实际工作状态有较大的差异，部分杆件可能处于反向受力状态，极端情况下可能造成桥体断裂，从而酿成严重的工程事故。因此，应对初选的PC桁架桥整体起吊方案进行起吊状态下的承载力分析，优选内力变化比较小且能满足起吊安全的最佳方案。

利用SAP 2000有限元分析软件，对上述初选方案进行仿真分析。分析模型采用二维桁架(忽略风撑及下部横梁的横向作用)，上、下弦杆根据梁单元，腹杆根据铰接单元[5]13-18，构件截面及配筋信息根据原设计图纸建模。桁架下弦杆、竖向腹杆上施加的预应力按节点集中荷载施加(考虑15%的预应力损失)[6]150-155。

(1)方案Ⅲ的桁架内力分析(起吊状态)。对方案Ⅲ的PC桁架桥分析模型运行分析，仿真分析结果如图4所示(参见图4)。由图4可见：此时桁架端部(节点C的外侧)上弦杆及斜腹杆处于受拉状态。经运行结构校核，发现节点C处竖向受压腹杆应力比超限(但不超过1)。在节点C处的两根竖向腹杆中部设置横向支撑(局部加强)，再次运行结构校核，发现全部杆件均可满足强度要求。

图4 方案Ⅲ分析结果(起吊状态)

(2)方案Ⅳ的桁架内力分析(起吊状态)。对方案Ⅳ的运行分析，仿真分析结果如图5所示(参见图5)，由图5可见：此时桁架上弦杆、吊点D外侧斜腹杆及C-D节间下弦杆均处于受拉状态。运行结构校核，发现节点C-D节间斜腹杆、下弦杆应力比超限，且斜腹杆应力比大于1；节点C、B处的竖向受压腹杆应力比超限，且节点C处竖向腹杆应力比大于1(参见图5)。若采用方案Ⅳ，则必须对应力比大于1的杆件进行加固，以确保起吊状态PC桁架桥的结构安全。但是，杆件加固必然引起施工成本增加及施工工期延长。

图5 方案Ⅳ分析结果(起吊状态)

通过对初选方案Ⅲ和Ⅳ的仿真分析，可知使用方案Ⅲ，起吊状态的PC桁架桥内力变化较小，且能满足吊拆安全要求，故，应优选方案Ⅲ。

综上，PC桁架桥拆除时，为减少对航道通航的影响，宜采用整体起吊的吊拆方案。但是，整体起吊的起重量大，必须优化起吊关键技术参数，合理选择起吊机械与起吊点，以满足经济、安全的施工要求。主要应注意：(1)起重量较大的浮吊船，其使用成本及安全风险较高，因此，在PC桁架桥整体吊拆前，应先将桥面铺装层、行车道板等附属构配件拆除，以减少整体起吊重量。较轻的起吊重量有利于选择较为经济合理的浮吊船型号。(2)PC桁架桥的整体起吊受力状态与实际工作状态相比，其内力变化很大，部分杆件处于反向受力状态，极端情况下可能造成桁架桥断裂，引发工程事故。因此，必须对整体起吊方案进行结构内力分析，以确保施工安全。(3)PC桁架桥整体起吊时，其起吊点布置方案尤为重要，应综合考虑浮吊船技术参数与桁架桥起吊状态的受力变化。在浮吊船技术参数允许的范围内，起吊点宜尽可能布置在桁架桥端部，此时，桁架桥内力变化相对较小。