跨铁路繁忙干线既有桥梁拆除关键技术研究

张万国

(中铁十四局集团第四工程有限公司 山东济南 250002)

1 绪论

近年来，随着城市发展进程的不断加快，人们对交通配套设施的依赖逐年上升，越来越多的桥梁，特别是城市跨铁路桥梁因年久失修和巨大的载荷已无法满足城市快速发展的需求。如何安全高效地拆除跨铁路既有桥梁最为关键[1－4]。

针对以上问题，国内许多专家对此展开了研究。金顺利[5]针对跨多条铁路线进行桥梁拆除施工难度大、风险高的问题，提出了“利用旧桥建新桥，利用新桥拆旧桥”的施工方法，解决了相邻铁路线间空间狭窄难施工的问题，并结合理论计算与现场监测验证了架桥机吊运施工过程的安全性。许冬萍[6]结合某高速公路改扩建工程，介绍了不同跨径的桥梁上部结构和盖梁的拆除施工方案，重点对架桥机和汽车吊两种梁板拆除施工技术以及抱箍支架盖梁拆除施工技术展开分析。王璞[7]根据爆破部位尺寸、材料采用不同的爆破参数，来控制爆破有害效应；通过逐跨延时爆破网路，有效降低了塌落振动强度；应用塌落振动公式和测振仪，来验证爆破振动强度值在安全允许范围内；采用竹排和轮胎的防护方案，有效降低了飞石距离，确保了紧邻既有桥梁的安全。倪明亮[8]采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件，建立新桥、旧桥以及河道的三维数值模型，模拟了旧桥从起爆到触地的全过程，并优化起爆时间和起爆顺序，提出了降低水位以减小涌浪影响，从而降低新桥桥墩损伤的风险。

本文以长春市西安桥改造工程跨京哈铁路旧桥拆除施工项目为依托，根据施工现场复杂的外部环境以及上跨铁路繁忙干线施工极高的安全风险等综合因素确定既有刚构桥梁拆除的施工方案。

2 既有桥概况

西安桥位于长春市城市主干路西安大路上，桥梁上跨京哈铁路，为一座东西走向的三幅三跨钢筋混凝土桥梁，桥梁全长37 m，跨径组合为(8＋21＋8)m。中幅桥梁为双悬臂门式混凝土刚构桥，南北两侧边幅为带挂孔的简支悬臂梁桥。

中幅桥修建于20世纪30年代，桥梁使用年限近90年，目前相关设计和竣工资料均已遗失。根据西安桥扩宽工程图纸(长春市勘测设计处1984年5月)得知，中幅桥设计荷载为汽车-13级、拖车-60。桥梁为双悬臂门式刚构桥，中跨跨径为21 m，两边跨悬臂长度均为8 m，上部结构均由10榀变截面整体现浇T梁组成，桥面板整体浇筑，下部结构采用排架式桥墩，设系梁，见图1a。

图1 中幅刚构桥及扩宽桥立面(单位:cm)

南北两侧边幅桥于1984年进行扩宽，桥梁已投入使用约35年。根据西安桥扩宽工程图纸得知，桥梁的设计荷载为汽车-10级、履带-50级，人群荷载为400 kg/m2。桥梁为简支单悬臂带挂梁结构，两边跨为锚固跨，跨径为8.0 m，并向中跨悬臂2.5 m，上部结构均由9榀变截面现浇T梁组成，中跨挂梁跨径为16.0 m，上部结构采用预制T梁，中梁为高0.7 m的等截面T梁，最外侧边梁梁底面为抛物线形变截面T梁，跨中梁高为0.7 m，端部梁高为1.17 m。挂梁间共设5道横隔板(含两端横隔板)，横隔板的焊接方式为预埋钢板焊接。T型梁的翼缘板用铰链连接，其下部构造为重力式桥台、双柱式桥墩，全部采用扩大基础，底部支撑结构使用板式橡胶支座结构，见图1b。

3 施工难点分析

根据现场勘查资料与相应设计资料，施工有以下3个难点:

(1)既有中幅桥梁修建年代久远，施工原始资料遗失，既有桥状况不明。拆除施工中极有可能发生梁体断裂，危及铁路行车，安全风险极高。

(2)桥梁结构形式复杂，净空较低且距离接触网距离仅34 cm，施工防护难度较大，作业空间受限。

(3)桥梁上跨铁路繁忙干线，桥梁拆除属营业线封锁二级施工，施工有效利用期短，施工难点多，施工技术要求标准高。

4 既有桥结构分析

既有桥梁因原始资料遗失，参照检测数据采用桥梁博士Dr.Bridge3.6建立平面有限元模型，见图2。划分节点41个、单元40个，横隔板作为永久荷载集中力计入模型中。

图2 桥梁博士模型及施工阶段

持久状况承载能力极限状态验算:

根据相应规范，用下列公式计算桥梁构件承载能力状态极限:

式中:γ0为桥梁结构重要性系数；S为作用(或荷载)效应(其中汽车荷载应计入冲击系数)的组合设计值；R为构件承载力设计值；R(·)为构件承载力函数；fd为材料强度设计值；ad为几何参数设计值。

通过图3计算可以看出，主梁吊装时承载能力不能满足规范要求。

图3 主梁最大、最小抗力及对应内力(单位:kN·m)

5 贝雷梁梁体加固受力分析

在既有桥直接吊装不能满足结构稳定性前提下，采用将梁体与贝雷梁捆绑成为整体进行吊装的施工方案，对贝雷梁受力情况进行分析。

5.1 荷载分析

(1)荷载参数

混凝土容重:26 kN/m3。

(2)材料选择

钢材的设计用强度指标根据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)规定，16 Mn钢材性能参照表1中的低合金高强度结构钢Q345。

表1 材料性能

为了方便进行荷载计算，按照T梁截面的变化，取5个特征截面，计算梁体重量列于表2。因上跨铁路施工，为安全起见按照2片贝雷梁承担梁体荷载进行计算。

表2 截面信息

5.2 贝雷梁检算

利用Midas/Civil建立贝雷梁模型，如图4所示，计算结果见图5。

图4 贝雷梁模型(单位:kN)

图5 贝雷梁组合应力、剪应力及位移云图

由上述计算可得:

通过以上计算可知，贝雷梁的强度和刚度满足要求。

6 梁体吊装拆除方案分析

中幅门式刚构桥共10片梁，两边幅拓宽桥为带挂孔的简支悬臂梁桥共计挂梁18片、悬臂梁36片。经计算，门式刚构37 m一片T型梁，重76.94 t；16 m一片挂梁，重约13.92 t；10 m一片悬臂梁，重11.56 t。中幅刚构桥拆除计划采用贝雷梁加固方式配合JQ180-40型架桥机进行吊装拆除(见图6)，边幅挂梁及单悬臂梁采用不加固直接打孔吊装的施工方案。

图6 贝雷梁捆绑加固

经实际勘查和测量，按最大吊重计算中梁每片重量，边跨悬臂梁的两相邻支座中心线间最大距离8 m，T型梁腹板厚度平均为0.25 cm，高度164 cm；顶板外侧长度为0.11 m，内侧长度为0.16 m，梁宽1.28 m。梁体钢筋混凝土的容重为2.6 t/m3，梁重5.35×2.6＝13.91 t。

施工时使用450 t汽车吊搭配长12 m、直径43 mm的钢丝绳完成吊装拆除。梁端向内0.3 m处实施吊装工序，梁面在制作时留有吊装口，将钢丝绳穿过即可(见图7)。φ43钢丝绳破断拉力Sb＝50×10×43×43/103kN＝924.5 kN，吊梁钢丝绳与梁体水平面之间的夹角为35°夹角度数大于30°，满足施工要求。

图7 吊具示意

T梁采用4个直径43 mm的12 m钢丝绳捆绑吊装，梁端向内0.3 m位置捆绑拉升。

查得16 m板梁最重为13.92 t，Q＝mg＝13.92×10/10＝13.92 kN，钢丝绳安全系数为:

每根钢丝绳所受拉力S＝Q/(n×sinα)＝57.37 kN。

钢丝绳最大破坏拉力S＝Sb/K1＝924.5/4＝231.1 kN。

231.1 kN＞67.78 kN，根据《起重吊装计算及安全技术》，T梁捆绑吊装使用直径43 mm钢丝绳符合规范要求。

7 结束语

跨铁路既有桥梁拆除的结构稳定关系到[9－10]整个过程的施工安全，通过对既有桥梁的受力模拟[11－13]和贝雷梁捆绑吊装方案的结构检算，为旧桥拆除提供了理论基础，通过现场合理施工布置和严格控制，保证桥梁拆除施工的安全推进，同时为类似工程提供相应施工经验和参考价值。