近接高速公路桥梁拆除关键技术及数值模拟研究*

陈 玮,米 博,景银超,赵晓龙

(1.中建一局集团建设发展有限公司,北京 100102; 2.中国建筑一局(集团)有限公司,北京 100161)

0 引 言

近年来,随着经济社会不断发展,区域间的联系越来越紧密,交通在区域经济活动中所占地位也不断提升[1]。为适应新经济环境下人员出行与物贸交流,交通基础设施的发展刻不容缓,交通扩容提效势在必行。在此大背景下,旧桥拆除需求与日俱增。旧桥拆除工作是一项比新建桥梁具有更多未知因素、更具有挑战性和更加危险的工作,特别是临近既有建筑物或上跨运营线时,极易发生事故,导致惨痛的人员伤亡及巨大经济损失[2]。所以,如何安全高效地拆除既有桥梁最为关键[3]。

目前,旧有桥梁拆除方法多样,大致可分为爆破拆除和机械拆除[4]。爆破拆除在早期桥梁拆除中多有应用,其施工技术成熟,具有工期短、费用低的优点,但爆破拆除弊端明显,尚未达到“精细化”要求,安全事故时有发生[5]。此外,爆破拆除产生的噪声、振动、污染等问题不容忽视[6],特别是在跨越既有建筑物时,安全风险极高。机械拆除又细分为“门洞+支架拆除法”[7]、大节段下放拆除法[8]、自行式模块运输车(SPMT)快速拆除方法[9-10]、反浇筑顺序的节段切割法[11-12]、液压系统平移法[13]和车载移动支撑式分段提吊下放快速移除方法[1]等。机械拆除是当前桥梁拆除中的主流方法,其对周边环境及现有交通状况影响小,适合在城市内部建筑物密集区或跨越既有运营线路等情况下使用。

桥梁拆除方法的选择应因时制宜、因地制宜,兼顾造价、工期、环境、安全等因素综合考虑。本文以通锡高速公路海门—通州段2座近接高速公路桥梁拆除工程为依托,采用“切割+汽吊”法与数值模拟相结合的方式,综合探索近接高速公路桥梁拆除关键技术。

1 工程概况

通锡高速公路是江苏省一条连接南通—无锡的省内高速公路,全长173.8km,其中海门—通州段长65.984km。为扩充运力、优化布局,相关部门启动了对通锡高速公路海门—通州段枢纽的改扩建工程。由于现有桥梁与新枢纽桥及道路的位置存在冲突,故需拆除现有桥梁4座,分别为原C匝道跨沈海高速公路大桥、原卞白路跨沈海高速公路大桥、原卞西河中桥、原D匝道中桥,具体位置分布如图1所示。

图1 桥梁拆除平面

由于此4座桥拆除方法不尽相同,本文以C匝道跨沈海高速公路大桥、卞西河中桥拆除为典型代表,重点研究“切割+汽吊”法在实际桥梁拆除工程中的应用。

2 C匝道跨沈海高速公路大桥拆除技术

2.1 C匝道桥参数

C匝道跨G15沈海高速公路大桥共3联,全长358.0m,与G15沈海高速公路交叉桩号为CK0+591.929,交叉角度为128.5°,位置如图2所示。桥梁孔径具体布置为:(34.92+35+34.92)m+(34.92+35+34.92)m+(34.92+35×2+34.9)m。上部结构采用装配式部分预应力混凝土连续箱梁,梁高1.8m,如图3所示。桥梁起、终点桥台处采用D80型伸缩缝,相邻2联过渡墩处采用D160型伸缩缝。G15沈海高速公路现状双向6车道,路基宽35m,实际净高按≥5.2m。

图2 C匝道跨G15沈海高速公路位置示意

图3 C匝道桥横断面(单位:cm)

2.2 上部结构拆除方案

C匝道桥单幅宽20.5m,由6片35m后张法预应力箱梁组成。因C匝道桥仅有5,6 2跨跨越G15沈海高速公路,其余跨均在G15沈海高速公路范围外,故拆除方式也不尽相同。

2.2.1跨高速公路段拆除方案

为尽可能减小C匝道桥拆除对既有G15沈海高速公路的影响,C匝道桥跨高速公路部分采用双机抬吊法进行拆除,具体流程为:施工准备→封闭C匝道桥→封闭高速公路半幅道路→设置起重机行驶和支腿硬化带→在盖梁与箱梁间垫木方→切割中横梁和湿接缝分离为单独梁→高速公路半幅道路上垫钢板和枕木→双机抬吊梁下放至已封半幅道路上→分段切割清运出场→施工完成。

C匝道桥在破除湿接缝后,吊装最大质量为172t,故选用2台300t级起重机开展吊装工作,起重机配重45t,单台起重机最大起重量为86t,起重机布置如图4所示。

图4 双机抬吊法布置示意(单位:m)

此外,考虑到起重机起吊过程中支腿所承受荷载较大,故在高速公路两侧设置了支腿硬化带,以保证起重机工作安全。同时,还建立了数值计算模型,分别就起重机支腿对高速公路路面、支腿硬化带的影响展开分析。

本文利用ANSYS Workbench建立的双击抬吊法计算模型如图5所示。其中,梁体材料、支腿硬化带混凝土为C40混凝土,起重机材料为结构钢。模拟时,分别在2台起重机吊臂端部加载860kN的力,以模拟梁体荷载。

图5 双机抬吊法计算模型

计算完成后,分别提取支腿硬化带20cm混凝土层和高速公路面层的变形与应力,如图6,7所示。由图6,7可知,采用双机抬吊法拆除C匝道桥时,起重机支腿对支腿硬化带及高速公路面层产生的位移和应力均较小,最大位移分别为3.466,5.347 9mm, 最大应力分别为4.628 7,2.735 6MPa。最大应力值远小于C40混凝土的抗压强度标准值(26.8MPa),故认为双机抬吊法拆除C匝道桥时,起重机工作安全,也不会对高速公路路面产生不利影响,该方法可行。

图6 支腿硬化带20cm混凝土层变形及应力云图

图7 高速公路面层变形及应力云图

2.2.2非跨高速公路段拆除方案

因非跨高速公路段桥梁拆除不会对G15沈海高速公路的安全运营产生影响,故从工期、造价等方面综合考虑,采用镐头机直接破拆法拆除C匝道桥,具体流程为:施工准备→封闭C匝道桥→切割中横梁使各跨变为简支梁→切割梁间湿接缝分离为单独梁→镐头机破拆梁并清运出场→破除下部结构清运出场→施工完成。C匝道桥下部结构采用镐头机直接破拆,其施工方法与上部结构非跨高速公路段衔接,在此不过多赘述。

3 卞西河中桥拆除技术

3.1 卞西河中桥参数

原卞西河中桥跨径为3×20m,如图8所示。上部结构为装配式后张法预应力混凝土空心板梁,梁高100cm,桥面宽度2×12.25m。下部结构为墩柱+盖梁,桥下为一条小河,现场调查时处于干涸状态,桥梁高约3m。

图8 原卞西河中桥位置示意

原卞西河中桥总体运营情况良好,无结构裂缝,其横断面如图9所示。

图9 原卞西河中桥横断面(单位:cm)

卞西河中桥单幅宽14m,20m空心板梁桥最大边梁重34.4t,采用1台150t汽车式起重机,起重机配重45t,起重机先站位于边跨起吊出运中跨,然后分别起吊出运边跨,如图10所示。

图10 卞西河中桥起重机位置示意(单位:m)

3.2 上部结构拆除方案

因卞西河中桥不跨越G15高速公路,且考虑到拆除对河道的影响,故采用“切割+汽吊”法拆除。

为评估150t级汽车式起重机起吊中跨时对边跨的影响,本文采用ANSYS Workbench建立桥上吊桥计算模型,开展数值计算分析,模型如图11所示。

图11 桥上吊桥法计算模型

建模时,板梁混凝土强度等级为C40,下部结构混凝土强度等级为C40、湿接缝材料为C50,起重机材料为结构钢。模拟时,在起重机吊臂端部加载344kN的力,以模拟梁体荷载。

计算完成后,分别提取起重机支腿正下方2座梁体的变形和应力云图,如图12和13所示。

图12 左支腿下板梁变形及应力云图

图13 右支腿下板梁变形及应力云图

由图12,13可知,起重机起吊时在支腿正下方板梁处产生的位移均较小,分别为5.758 1,6.036 6mm, 可忽略不计。

又根据卞西河中桥设计要求,其应力分别满足以下条件。

左支腿正下方板梁:

右支腿正下方板梁:

应力均满足要求,故认为此次采用桥上吊桥方式拆除卞西河中桥上部结构安全可靠。

3.3 下部结构拆除方案

经过对工期、造价等因素综合考量,卞西河中桥下部结构拟采用绳锯+汽车式起重机+就地破拆方式,分段、分块切割起运破拆。拆除顺序按先上后下、对称平衡,留下部分能自稳原则,如图14所示(粗线为切割线、数字为切割起吊顺序号)。

图14 卞西河中桥下部结构切割顺序

4 结语

本次研究以通锡高速公路海门—通州段2座近接高速公路桥梁拆除工程为依托,验证了“切割+汽吊”法在近接高速公路桥梁拆除中的应用,并利用ANSYS Workbench开展了数值模拟研究,主要得出如下结论。

1)双机抬吊法拆除桥梁时,起重机支腿对高速公路面层产生的位移和应力均较小,保证了高速公路路面不受破坏。

2)20cm混凝土层和40cm碎石基层构成的支腿硬化带在双机抬吊拆除桥梁时产生的变形及应力较小,起重机可安全吊运桥梁。

3)桥上吊桥方式拆除卞西河中桥时,支腿正下方板梁的变形较小,应力符合设计要求,是一种安全有效的桥梁拆除方式。