钢管混凝土系杆拱桥临时系杆法拆除技术

岳忠文,黄 翔

(1.淮安市航道管理处，淮安 246000；2.中交二航局第四工程有限公司，芜湖 241000)

1 工程难点

京杭运河淮海路大桥老桥采用主跨54.8 m系杆拱结构，老桥拆除施工边界条件较差，其在施工及安全方面存在一系列需要解决的技术难题：

1.1 拱桥拆除支撑难度大

拱桥拆除工艺主要有整体拆除及分段拆除。整体拆除包含整体吊装、爆破拆除、整体船舶顶升托运。受桥梁结构现状、航道实际情况，拱桥需分段进行拆除，常规拱桥拆除时需对拱圈进行支架支撑，但京杭运河航道通航频繁，老桥主跨54.8 m宽度范围搭设支架对通航影响较大，拱桥拆除支架支撑难度大。系杆拱拆除时结构受力体系破坏，需针对工程的特点，寻找一种施工操作方便、安全可靠的体系解决拱桥支撑问题。

1.2 拱桥分段拆除吊装难度大

京杭运河航道净高为7 m，大型水上起重浮吊设备进场受限。拱桥拱肋、拱肋单件重量大，需通过两台浮吊抬吊进行拱桥主要构件拆除，吊装重量重、浮吊抬吊协作要求高。

1.3 拱桥拆除时安全稳定性控制

三幅拱桥采用分段拆除，拆除时结构受力体系发生变化，支撑、切割、吊装、移运等施工环节安全风险源较多，施工安全控制难度大。

1.4 拱桥分段单次拆除允许时间短

京杭运河为黄金水道，航务繁忙，航道单次断航时间不允许超过4个小时，构件拆除需在一个封航时间段内完成。系杆拱系杆及拱肋吊装难度大、吊装重大、切割面积多，需紧凑施工工艺，提高单次拆除施工工效。

因此，需对系杆拱桥拆除支撑体系、构件吊装、安全控制、高效拆除进行专项研究。

2 混凝土系杆拱桥拆除

2.1 钢管拱临时系杆锁定

拱桥系杆拆除后因墩顶简支结构的支座无法提供水平推力，拱肋将在自重作用下破坏，因此拱肋需先支撑后拆除。

(1)精轧螺纹临时系杆

拱肋支撑考虑在系杆拆除前采取临时系杆加固措施，临时系杆由两个设置自在拱脚处的Φ32 mm精轧螺纹钢组成，总长47.8/45.7 m，通过反力牛腿与拱脚连接，精轧螺纹纵向自重通过在吊杆焊接水平角钢进行支撑，确保临时系杆只受拉。

经计算，拱肋在自重作用下产生的水平推力为65 t，两个临时系杆端部各施加32.5 t预紧力，用于抵消拱肋水平推力。

图1 精轧螺纹临时系杆侧面布置图

(2)拱脚塞填

老桥为5跨结构，引桥为4跨16.7 mT梁，通过桥台与路基相连，主跨拱桥与边跨T梁间缝宽宽6 cm，为提高拱桥系杆拆除后拱肋结构安全性，在单跨简支伸缩缝处采用钢板填充密实，拱肋水平力可通过边跨T梁传递至桥台，通过桥台克服水平推力，提高拱肋结构的安全性。

图2 精轧螺纹临时系杆侧面布置图

(3)拱脚反压

为进一步提高系杆拆除时拱肋的安全性，在拱脚根部设置了竖向反压装置，单个拱脚处该装置由两根Φ32 mm精轧螺纹，及2工22a反压梁组成，反压精轧螺纹施加20 t预应力。拱脚底部支座附近塞填型钢，通过反压装置增加拱脚底部摩阻，利用墩帽辅助抵消拱肋的水平推力，以进一步提高拱肋安全性。

图3 拱脚反压装置图

2.2 钢管混凝土拱拆除

(1)系杆拆除

混凝土拱桥拆除完成进行钢管拱桥拆除，钢管拱桥先拆除两根系杆，拱肋通过临时系杆进行锁定，系杆拆除前进行桥面附属及中横梁拆除，系杆采用静力切割，采用两台150 t浮吊一次性吊装，单根系杆总重160 t，切割面靠近拱脚根部，四点吊最合理吊点布置距离梁端分别为0.104 L、0.396 L。

系杆吊装时浮吊船选用60°仰角、23 m吊幅，其抬吊吊重127×2×0.9=228.6 t，系杆考虑1.1倍动荷载系数为176 t，吊重满足系杆拆除要求。吊装时选用6×37Φ72规格，破张力250 t，钢丝绳夹角72°，安全储备为6倍，钢丝绳满足拱肋吊装要求。

图4 钢管拱拱肋拆除侧面布置图

系杆切割先采用气割将外包钢箱切割出切割线，露出混凝土。然后采用链式切割机进行切割，系杆切割立面从上到下成“正八字”形，平面上成“正八字”形，平面切割倾角取5°，竖向切割倾角取45°，便于系杆先下放再水平前移后提升，留有足够空间移运出拱肋线。

(2)钢管拱拱肋拆除

钢管拱跨度54.8 m，高8.5 m，钢管拱肋采用Φ700×16 mm钢管，填充C50混凝土，吊杆采用10根Φ194×16 mm钢管，风撑采用3根Φ402×16 mm钢管，钢管内填充C40混凝土。单幅桥拱肋、吊杆及风撑结构自重共164 t。

钢管拱拱肋采用两台150 t浮吊一次性吊装，结构总重164，拆除时浮吊船选用60°仰角、23 m吊幅，其抬吊吊重127×2×0.9=228.6 t，拱肋、风撑、吊杆考虑1.1倍动荷载系数为180.4 t，吊重满足系杆拆除要求。

吊装时采用八点吊，每个拱肋出设置四点，采用4根钢丝绳，每根钢丝绳分别捆绑两侧拱肋。钢丝绳采用6×37Φ56规格，破张力156 t，安全系数6.8，钢丝绳满足拱肋整体吊装要求。

图5 钢管拱桥拱肋整体拆除侧面布置图

3 系杆拱桥拆除安全风险控制研究

3.1 风险分析

系杆拱桥通过系杆克服拱肋产生的水平推力，自身为稳定的结构。系杆拱桥分段拆除时整体结构发生了体系变化，受力复杂，拱肋及系杆均无法独自承受自重。须对拆除剩余部分结构安全稳定、已切割结构吊装时安全稳定两者的不利情况及不利因素进行分析并提出控制措施。

表1 拱桥拆除风险分析及控制内容

经分析，两种拱桥在系杆及拱肋拆除过程中，结构整体性差，需重点进行结构及支撑系统安全稳定性控制。

3.2 钢管混凝土拱桥拆除安全验算

单幅拱桥两侧系杆分别拆除。先拆除下游侧系杆，再拆除上游侧系杆，采用静力切割工艺，两台150 t浮吊船进行抬吊。

(1)下游侧系杆拆除

下游侧拱系杆切断后，在自重作用下两个拱肋弯矩及剪力均较小，轴力最大2 079 KN<26 266 KN；剩余上游侧系杆弯矩最大321 KN·m<3 627.4 KN·m，剪力113.4 KN<4 075 KN。钢管拱剩余部分结构内力均未超过抗力值，结构安全。

两侧拱肋根部分别安装两根Φ32精轧螺纹，下游系杆拆除前下游侧两根精轧螺纹共施加65 T预紧力。系杆拆除后精轧螺纹拉力增长至65.6 T，精轧螺纹应力满足拱肋锁定要求。

(2)上游侧系杆拆除

上游侧系杆拆除前上游侧两根精轧螺纹共施加65 T预紧力。上游侧系杆切断后剩余结构拱肋轴力、弯矩均较小。两根精轧螺纹内力为65 T，拱肋拱脚纵向水平位移较小，仅3 mm，结构安全。

钢管拱采用临时精轧螺纹锁定，先拆除系杆，再拆除拱肋的工艺，经验算拆除过程自身结构安全，安全储备较大。

(3)钢管拱吊装

钢管拱肋通过临时精轧螺纹系杆锁定后进行单幅桥两侧系杆拆除。系杆通过两台150 t浮吊抬吊，吊点设置在第2、4、7、9根吊杆根部处，系杆切割长度48.9 m，切割系杆重量160 T。经计算系杆内力最大值位于吊点附近，该系杆在承载能力极限状态下，结构各控制截面的正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力均满足规范要求。

表2 系杆吊装时承载能力计算结果

钢管拱肋采用Φ700×16 mm钢管，填充C50混凝土，单幅桥通过临时精轧螺纹系杆锁定拱肋后拆除系杆，然后在拱脚位置处切断两侧拱肋，混凝土拱肋与吊杆同时吊装，采用两台150 t浮吊抬吊，四根钢丝绳八点吊，分别捆绑两侧拱肋第2、4、7、9根吊杆顶面根部。

经计算系杆内力最大值位于吊点附近，该拱肋在承载能力极限状态下，结构各控制正截面抗弯承载力、抗剪承载力以及组合应力均满足规范要求。

表3 钢管拱肋时承载能力计算结果

3.3 拱桥拆除安全保障措施

(1)拱桥拆除变形观测

从桥面拆除施工至系杆拆除，各测点变形量与理论变形值吻合较好，未出现较大异常变形。系杆的跨中截面累计最大实测变形值为2.0 cm，小于预警值15 cm。桥梁各拆除施工阶段对拱肋的变形影响不大，拱肋总体变形量较小，利于保持结构稳定。

(2)结构预紧力施加

拱桥在发生破坏前拱肋、吊杆、系杆形成多次超静定稳定体系，当吊杆切断后拱肋与系杆的联系瞬间消失，会引其桥梁结构的剧烈振动，不利于保证施工安全。拱肋与系杆吊装时，在切断顺间，结构重量转移至起重浮吊船，将会给浮吊船冲击，因此受力构件防止施工过程振动，需在支撑及吊装过程施加预紧力。

混凝土拱拆除过程，拱肋吊装时反吊贝雷梁通过吊杆施加所承受系杆重量荷载荷载的1.0倍预紧力；钢管拱拆除过程，系杆切断时临时精轧螺纹施加拱肋水平推力的1.0倍的预紧力；拱肋、系杆、拱脚等构件吊装时浮吊船施加结构自重的1.05倍预紧力。

(3)钢管拱拱脚锁定保险措施

两侧桥钢管混凝土拱桥内部由拱肋、吊杆、系杆组成，系杆克服拱肋水平推力，为超静定体系，拱桥整体为静定体系。拱桥系杆拆除后因墩顶简支结构的支座无法提供水平推力，拱肋将在自重作用下破坏，因此拱肋需先支撑后拆除。

拱肋支撑考虑在系杆拆除前采取临时系杆锁定措施，两个临时系杆端部各施加65 t力，用于抵消拱肋水平推力。同时采取拱脚反压装置及伸缩缝塞填的保险措施，确保拱肋在系杆切断后无较大的变形。

(4)拱肋横向刚度提高措施

拱脚位置处切断两侧拱肋，混凝土拱肋与吊杆同时吊装，采用两台150 t浮吊抬吊，四根钢丝绳八点吊，分别捆绑两侧拱肋第2、4、7、9根吊杆顶面根部。

拱肋整体吊装时钢丝绳对拱肋有向内的拉力，为确保拱肋吊装时结构安全性，在吊点位置处增加钢管临时风撑，以提高拱肋横向刚度。

(5)构件切割安全措施

①在施工区域设置两道防护屏障，无关人员不得进场；

②在切割前对绳锯机进行试运转，确定设备运行和水源供应正常的情况下方可进行切除；

③切割时切割段面内禁止人员通行，切割安装保护罩，设置警示标志及护挡板；

④合理设置切割顺序， 防止混凝土崩裂， 切割

断面和各区域切割尽量同步，减少冲击作用；

⑤切割人员穿防滑鞋，切割时随时清理桥面水泥浆，防止滑倒。

(6)结构吊装安全措施

①构件吊装时通过详细计算模拟，确定吊装相关参数，确保吊装安全；

②计算吊点位置，减小不平衡力，确保切割下放过程中构件平稳；

③构件切断前施加预紧力，严格对下放过程同步性进行控制；

④从切割方式上确保切割断面平整，防止箱梁在下放过程中卡住；

⑤在结构吊装能发生自由运动方向采取必要制动措施。

4 总 结

随着桥梁建设事业不断发展，旧桥拆除新建愈发频繁。针对运河航道内无法搭设支架难题，研发了临时系杆装置进行体系转换，形成先拆梁再拆拱的施工工艺，指导现场拆除安全、高效实施。通过有限元模型进行拆除全施工阶段模拟分析，确保拆除及吊装过程安全；施工过程引入拱脚锁定保险、拱圈稳定、预紧力施加等措施进一步提高拆除施工过程安全，实现拱桥拆除全面受控。本工程拱桥拆除关键技术的成功实施，可为类似复杂环境的桥梁拆除施工提供借鉴。