大跨径斜拉桁架桥拆除关键技术研究

邱加样

(福建省宁化县住建局建设工程质量安全服务中心,福建 三明 365400)

由于斜拉索采用钢材存在防腐、疲劳、振动等方面的问题以及刚度相对偏小的缺点,国外很多专家学者在20世纪70年代开始探索能克服斜拉桥这些缺点的类斜拉桥桥型,斜拉桁架体系桥梁就应运而生。目前斜拉桁架桥的施工建造和控制技术的研究较为成熟,但是斜拉桁架桥的拆除施工鲜有报道[1-2]。本文以某大跨径斜拉桁架桥拆除为研究背景,制定了针对性的方案比选并最终确定最优化施工方案,分析了结构的力学效应[3-8],其研究可供同类工程项目参考借鉴。

1 工程背景

待拆除桥梁结构形式为大跨径预应力混凝土桁架拱,外部为静定体系,下部结构桥墩为分离式独柱墩,高桩承台基础。桥梁净宽度为12.5 m+2×1.5 m人行道+2×1 m桁架宽,全宽18 m,上部结构采用单悬臂桁架梁+挂孔,即44.6 m+105 m+44.6 m,挂孔标准跨径为16 m(见图1)。设计荷载,汽车-20,验算荷载,挂车-100,人群荷载3.5 kN/m2。墩顶为固定2 000 t盆式支座,桥台为钢拉力支座。

经过30多年的使用,大桥结构承载力和抗力存在一定的损伤,对结构承载力进行准确的评估难度高,技术资料不全,现场交通复杂,涉及到新桥建设和老桥施工的配合,这就要求施工现场必须在最短时间内完成拆除施工,不得影响新桥施工工期,同时桁架拱拆除期间预应力钢束被切断,结构体系发生变化,施工期间必须采用临时支撑等措施保证桥梁结构安全。所以,本工程的主要特点是工期紧、任务重、施工组织要求高、结构安全控制风险大。

2 拆除方案比选

本次大桥拆除的特点:

1)本次拆除范围车流密集,施工交通组织难度大。2)桥梁下部航道条件有限(通航水位低),大型吊装设备和船舶设备作业有一定的限制。3)桥梁上跨河道,桥梁拆除块件不能对沙河航道造成环境影响,因而不能采用爆破等方式拆除。4)桥梁结构为大跨径预应力桁架,经过30多年的使用,承载能力评估存在较大的技术风险和难度,拆除桁架结构受力体系转换复杂,因而施工风险大。大型起重吊装设备在桥面作业施工安全风险高,需要在桥下设置临时支撑进行受力托换。5)必须在最短的时间内完成桥梁拆除施工,不得影响桥梁新建建设工期。主要方案比选见表1。

3 斜拉桁架桥拆除受力分析

1)斜拉桁架桥结构特点:主梁受力都以受压为主,兼受一定弯矩的作用。斜拉桁架桥上弦杆的预应力同样也对主梁提供了一个较大的水平压力,通过加强主梁受压以减小弯矩产生的受拉效应,充分发挥了混凝土材料的受压强、受弯差的材料性能。

2)由于斜拉桁架在节点处多根杆件相交,在节点处形成刚域效应明显。

3)斜拉式桁架桥一般采用悬臂拼装法施工,施工影响参数多,如结构的刚度、梁段的重量、施工荷载、混凝土的收缩徐变和温度等。

在结构的拆除施工过程中要充分识别参数并提出控制指标,保证斜拉桁架桥拆除施工安全。

建模时划分为三个总体施工阶段:成桥阶段,使用10 a,拆除体系转换后结构。

表1 主要方案比选

4 拆除工艺和安全分析

4.1 方案描述

拆除方案:拆除的前提均按照原桥施工逆向顺序拆除。主要工艺流程见图2。

4.2 主要施工工艺流程及方法

1)栈桥设计和施工准备(栈桥中心和老桥中心线间距初步设计为18 m)。

2)交通改道,拆除限高门架。

3)凿除桥面铺装,全桥恒载进行卸载,切割护栏、拆除人行道板。

4)搭设两个边跨临时支撑。

5)拆除挂孔位置伸缩缝,切割箱梁接缝,采用汽车吊吊装小箱梁。

6)拆除桥面板。

7)桥梁解除后变为两个半悬臂结构,采用逆作法拆除桥梁弦杆和对应的下弦杆。拆除到墩顶位置要设置钢支撑临时稳定两榀桁架,防止结构失稳。按照上述方案拆除悬臂部分(技术人员在桥头上设置水准点监测桥面的挠度变化)。

8)边跨拆除。

静力切割法拆除1号—3号桥墩盖梁和桥墩。

主要拆除过程模型图如图3所示。

4.3 拆除桥梁结构力学行为分析

在对全桥建模的分析中,主要分析点侧重于对全桥结构特性的分析,因此在全桥模型中所有单元均采用梁单元建模;考虑到有限元杆系软件横向计算的局限性,因此本论文的有限元分析全部采用有限元设计分析软件Midas/Civil进行,考虑桥梁运营过程发生刚度损伤,纵向预应力折减10%,剪切刚度折减30%,弯曲刚度折减10%,徐变已发生。原桥抗弯弯矩组合验算见图4,跨中打断后截面弯矩变化见图5。

由计算结果可知:施加预应力后横梁的负弯矩明显减小;最不利位移计算:跨中挂孔拆除后悬臂最大位移计算为2.29 cm

5 主要施工方案

5.1 边跨支架

根据受力安全可靠、确保交通畅通、搭拆方便快捷等特点,部分桥跨采用满堂支架支撑,部分采用扩大基础临时支撑方案,根据桥梁拆除顺序和交通转换的情况搭设不同部位的支撑。

1)边跨桁架拆除后下弦杆和横梁的主要自重由底部钢管桩承担。钢管桩排架墩,采用φ600×10 mm钢管,桩间连接系由角钢组成,墩顶分配梁由32a工字钢组成。2)钢管桩打设前提前拆除桥面板,由于下弦杆和横梁位置的限制,其底部无法设置支撑点,需要在钢管桩顶部设置32a工字钢分配梁,再用方木或钢板找平。3)靠近桥台位置可采用挖机先平整地面,然后浇筑C20混凝土找平地面,底部作为扩大基础,在其上部设置钢支撑。4)水中支撑设计深度为40 m,岸侧支撑设置在混凝土硬化层上方。

5.2 主航道桁架逆作法拆除

施工要点:1)拆除时按照跨中向端部拆除。2)每拆除一片上弦杆拆除对应的横梁和下弦杆与斜撑,截面采用链锯切割,50 t汽车吊预吊。3)切割掉桁架部分的任意一根构件认为该构件的预应力效应失效,不计入对主桁架的力学效应。4)切割时要避开预应力锚头位置,切割前要进行切割线放线。5)箱梁切割面形成倒八字形状,防止卡链。6)横梁长度为13.5 m,需要分割为2节进行吊装,跨中处未设置支点,需要采用汽车吊预提。

6 结论

1)制定了针对性的方案比选并最终确定最优化施工方案,充分考虑桥梁拆除重建施工和拆除施工的关系。

2)所有杆件应力均以轴力产生应力为主,弯矩产生应力相对很小,表明斜拉桁架桥杆件具有明显的二力杆的受力特性,横梁处于受压状态,压应力满足规范要求。

3)采用不对称施工方案拆除原斜拉桁架桥结构,考虑了边跨的体系转换效应,设置了边跨的临时钢支撑体系,保证了结构拆除的安全。

4)拆除施工方案充分考虑利用原桥拆除新桥栈桥施工平台,可保证施工工艺组织的最优化。