下承式预应力混凝土桁架系杆拱桥拆除工艺的探讨

下承式预应力混凝土桁架系杆拱桥拆除工艺的探讨摘要：随着南浔区域内河航道货运量增加和船舶大型化发展的需要，京杭运河Ⅲ级航道亟需整治拓宽，其沿线区域内早期建设的拱桥也制约了航道运输的发展，为了缓解区域内航道运输的压力，原有跨越运河航道的系杆拱桥逐渐被拆除改造。本文以万寿桥改建工程老桥拆除为例，详细介绍了下承式预应力混凝土桁架式系杆拱桥拆除工艺的研究与应用，其中抬吊法拆除拱肋及小型起吊式移动门架拆除行车道板工艺的成功应用，证明了该工艺的可行性，该施工工艺的成功实施为预应力桁架式系杆拱桥的拆除提供了新技术，为今后类似的工程提供了一定的借鉴意义。关键词：下承式；预应力混凝土；桁架式；系杆拱桥；拆除工艺；抬吊法；小型起吊式移动门架；Discussiononthedismantlingtechnologyofbottom-bearingprestressedconcretetrussarchbridgeHuzhouProjectDepartmentofNO.2EngineeringCompanyLTDofCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLTDAbstract:WiththeincreaseofcargovolumeofinlandwaterwayinNanxunareaandtheneedoflarge-scaledevelopmentofships,thethird-classwaterwayofBeijing-HangzhouCanalneedstoberenovatedandwidenedurgently,andtheearlyconstructionofarchbridgesalongtheareaalsorestrictsthedevelopmentofwaterwaytransportation.Inordertoalleviatethepressureofwaterwaytransportationintheregion,theoriginaltiedarchbridgeacrosstheCanalwaterwayhasbeengraduallydemolishedandtransformed.TaketheoldbridgeofWanshoubridgereconstructionprojectforexample,Thispapermainlyintroducestheresearchandapplicationofdemolitiontechnologyofthroughprestressedconcretetrusstiedarchbridge.ThesuccessfulapplicationofliftingmethodtodemolisharchribsandsmallportalframetodemolishLaneslabprovesthefeasibilityofthistechnology.Thesuccessfulimplementationofthisconstructiontechniqueprovidesanewtechnologyfortheremovaloftheprestressedtrussarchbridgeandareferenceforsimilarprojectsinthefuture.Keywords:Bottombearing;Prestressedconcrete;Trusstype;Tiedarchbridge;Demolitionprocess;Liftliftingmethod;Smallportalframe;0引言万寿桥位于南浔区练市镇湖盐路，主桥跨越京杭运河Ⅲ级航道，作为衔接运河东西两侧城区交通运输的重要交通节点，对改善区域道路通行条件，保障道路通行及航道通航安全、建立完善综合的立体交通体系有着重要意义。然而早期建设的万寿桥老桥荷载等级较低，结构单薄，已不能满足区域内道路日益增长的交通压力，而且主体结构裂缝较多，主桥安全系数较低，对陆上交通及桥下水陆交通均有安全隐患，因此亟需对老桥进行拆除改建施工以满足道路通行能力的要求和京杭运河整治升级后的通航运输条件。万寿桥改建工程项目由中交一航局湖州项目部承建，系将原有单跨下承式预应力混凝土桁架式系杆拱桥改建为下承式钢管混凝土系杆拱桥，前期主要工程内容为下承式预应力混凝土桁架式系杆拱桥拆除。由于该类系杆拱桥可借鉴施工经验较少，本文详细介绍了抬吊拆除的计算分析、各工序拆除方案比选、混凝土拆除工艺、小型起吊式移动门架拆除行车道板工艺、整个施工中详细的受力计算分析及项目实施的经验总结，对类似桁架式系杆拱桥拆除施工有很强的借鉴意义。1.工程简介万寿桥改建工程桥梁拆除部分主桥跨越主航道，采用单跨下承式预应力混凝土桁架式系杆拱桥，主跨径66.1m，两侧各设5跨搭板引桥，老桥长114.4m，桥宽5.5m；主桥面纵坡水平，桥位处河面宽度57.2m。主桥纵向由两片预应力桁架系杆拱组成，为刚性系杆刚性拱结构，受力特点是外部静定、内部高次超静定。每片预应力桁架拱片由四节预制拼装而成，包括两片端节片、两片中节片，节片预制采用一次浇筑成型，节片之间由C55钢筋混凝土湿接；两片桁架拱片横桥向通过15根横梁及5根顶撑连接成主体框架，在横梁之间铺设预应力桥板，通过铺装层浇筑形成整体桥面。节片预制为C50钢筋混凝土，端节片吊装重27.7t，中节片吊装重24t。图1-1主桥断面图图1-2主桥立面图全桥荷载均由两片预应力拱承受，上弦杆拱轴线为合理二次抛物线，计算跨径66.1m，计算矢高6.8m，矢跨比为1/9.72。上弦杆断面为工字形，高0.5m，宽0.5m的实心断面；下弦杆中部断面为矩形，高0.65m，宽0.35m，端部与上弦杆衔接处扩大为高0.75m，宽0.5m的矩形；竖杆断面为矩形，高0.35m，宽0.25m；斜杆断面为矩形，高0.35m，宽0.2m。本桥系杆拱下弦杆预应力钢束作为纵向连接拱肋的主要受拉构件，由5根一束的钢绞线组成。5束钢绞线孔道均采用波纹管成型，管内注浆，并埋设于下弦杆中，下弦杆内钢束分散锚固于下弦杆端头扩大截面处。图1-3主桥系杆拱预应力钢束布置图风撑及横梁为拱肋的横向联系构件。起着稳定拱肋受力的作用。主拱肋高出行车道部分设置风撑，在主拱桥面以下及边拱肋之间设置横梁，采用现浇施工。图1-4主桥侧面图1-5主桥正面图1-6主桥底面横梁及桥板分布行车道板纵向搁置于横梁上，行车道板之间横向铰接，纵向顶层主筋焊接，辅以10cm桥面现浇层及钢筋网，构成桥面连续体系。主桥桁架拱落在主墩盖梁上，盖梁尺寸1.3m×8.1m，厚度1.5m，桥台结构采用双柱式。桁架拱桥拆除工程量混凝土246.63m3，钢筋29.61t，型钢及钢板4.29t，桩基拆除至原地面以下1.0m。具体拆除构件数量见表1-1。表1-1老桥主桥构件参数表部位类型长度（m)重量（t）数量（片）备注拱片端节片19.127.74矩形实心断面，上弦杆0.5×0.5m，下弦杆0.35×0.65m，竖杆0.25×0.35m，斜杆0.2×0.35m，中节片13.95244顶撑5.52.25预制件、湿接头连接，矩形，断面0.4×0.4m横梁端横梁14.52.892预制、湿接头连接，断面0.4×0.6m中横梁20.92.6513预应力预制件，矩形截面带牛腿，断面0.4×0.6m桥面板边块件4.651.3448预制空心板，断面0.73×0.22m中块件4.651.9496预制空心板，断面0.96×0.22m铺装层95.25C40铺装层2.总体方案比选根据老桥建设时的逆向拆除，该系杆拱桥拆除主要有四大施工内容：桥面铺装及栏杆拆除、行车道板拆除、拱肋抬吊拆除、岸上拆解破碎，在总体拆除初定方案上进行了可行性研究。2.1主桥拆除计算分析2.1.1主桥内力计算计算分析总原则：整体拆除过程中拱肋、系杆、横梁、顶撑强度足够，整体结构在拆除前后保持稳定。结构分析计算采用ABAQUS有限元分析软件，拱肋、系杆、横梁、顶撑采用梁单元模拟，桥面板采用实体单元，老桥待拆除各部分重量如下表。表2-1老桥待拆除部分重量表类别端节片中节片湿接横梁顶撑桥面板桥面铺装栏杆扶手重量(t)27.8241.9140.231114695.2514.2两片拱肋水平中心间距6m，全桥总重（27.8+24）×4+1.91+40.23+11+146+95.25+14.2=620.1t；拱桥拆除栏杆扶手、桥面板铺装层后整体采用双船抬吊方案，桥总重（27.8+24）×4+1.91+40.23+11=260.34t，吊点对称布置于拱肋下弦杆与竖杆连接处，吊点布置如下图：图2-1吊点布置模型图模型的建立分为两个步骤，一是桥梁未拆除前的原始状态，二是拆除桥面板后的起吊状态。图2-2原始状态（未拆桥面板）图2-3起吊状态（拆除桥面板）原始状态与起吊状态内力对比如下表：表2-2施工阶段对应表杆件内力上弦杆下弦杆竖杆斜杆受力状态原始抬吊原始抬吊原始抬吊原始抬吊弯矩(kN·m）121.545.8↓295.8117↓31.811.5↓6.34.8↓轴力（kN）-3350-1651↓33501651↓25093.7↓-250-122↓剪力（kN）11956.7↓78.437.9↓33.815↓5.14.4↓通过计算结果分析，起吊状态下各部件内力较原始状态均有所减小，因此抬吊时桥梁整体强度足够，起吊状态是安全的。2.1.2吊索选型计算（2）拱肋吊装钢丝绳验算：钢丝绳水平角71°，取1.1倍动载系数，取1.2倍不均衡荷载系数，上部结构重260.23t，则计算荷载1.1×1.2×260.23×9.8=3366.3kN，则单个吊点处单股钢丝绳所受拉力为3366.3/（8sin71°）=445kN，选择6×37-φ70-1870MPa的纤维芯钢丝绳，套管压制接头；卡环选择S-DX-55-21/2，额定荷载55t。根据规范《一般用途钢丝绳》GB∕T20118-2006，钢丝绳的最小破断拉力F0（kN），按下式计算：F0=K＇×D2×（R0／1000）式中：F0—钢丝绳最小破断拉力，单位为kN；K＇—钢丝绳的最小破断拉力系数，6×37a纤维芯钢丝绳取0.33；D—钢丝绳公称直径，单位为mm；R0—钢丝绳公称抗拉强度（钢丝绳级别），单位为Mpa。钢丝绳吊索最小破断拉力F0=0.33×702×（1870/1000）=3023.8kN。根据规范《一般用途钢丝绳吊索特性和技术条件》GBT16762-2009，吊索工作极限载荷：WLL=式中：WLL—单根吊索工作极限载荷，单位为kN；F0—钢丝绳最小破断拉力，单位为kN；Ke—接头型式折减系数，套管压制接头取0.9；Ku—使用安全系数，用作捆绑时最小取6。钢丝绳工作极限荷载WLL=2527.6×0.9/6=453.6kN＞445kN，满足。（2）吊高验算：桥中心宽度6m，吊钩距桥面距离h=6/2×tan71°=8.7m；桥面标高11m，最低水位1.2m，根据苏锡海工6号起重参数表，起重船满载吃水1.6m，吊高H应满足H≥8.7+（11-1.2）+1.6=20.1m，采用40m扒杆，水平角度60°时吊高34.5m，跨距20m，起重量200t。2.2主桥拆除方案比选2.2.1拱肋拆除方案比选本工程主拱肋拆除工艺对比如下：表2-3主拱拆除工艺对比表序号拆除方式优点分析缺点分析1支架法按常规施工工艺逆向拆除支架搭设需要承载力较高，钢管支架使用量大，搭设费用高，拆除工期长；桥下预留的通航孔对航道通行产生安全隐患，难以保证拆除工期及安全要求2倒塌法工艺简单，无需搭设支架，拆除进度快拱肋整体倒入河中，需要调配起重船进行分段打捞，打捞拱肋作业周期短3双船抬吊法拱肋整体一次性吊除，拆除进度快主桥跨径66.1m，剩余构件总体重量大，抬吊时两起重船协同作业难度高综合上述三种拆除方案，在技术上均为可行，但由于京杭运河Ⅲ级航道运输繁忙，连续封航时间不能超过24h，主桥拆除面临作业时间短的问题。支架法拆除需要在航道中搭设临时支墩，施工持续时间较长，而且支架预留双向通航孔存在很大的安全隐患；倒塌法需要连续封航，交通管制时间较长，坠入航道的残渣无法彻底清除干净，对航道环境造成污染，而且倒塌时对周边环境造成较大的噪音污染。综合考虑拆除安全性、拆除工期、影响航道周期等因素，主桥拆除方案采用双船抬吊法进行施工。2.2.2混凝土桥面（含附属）拆除及运输工艺本工程桥面部分拆除主要内容为防撞护栏、栏杆、自来水管道等附属设施及桥面铺装、行车道板等桥面结构，桥面拆除主要施工工艺对比如下表：表2-4桥面及附属拆除工艺对比表序号拆除方式优点分析缺点分析1绳锯拆除吊装工艺相对成熟，对不规则构件拆除有良好效果对施工面要求大，绳锯串珠损耗较高；锯绳断裂，容易造成安全隐患2风镐破碎+小型起吊式移动门架运输工艺简单，设备加工、使用方便，破碎及运输效率高破碎残渣坠落桥下影响航道运输安全，对环境容易造成污染经过两种工艺对比，绳锯在切割过程中存在断裂的可能，对其影响范围内的施工人员产生较大的安全隐患，而且切割过程中产生大量灰浆，容易对环境造成污染；绳锯拆除施工时需要工作面较大，本桥横向宽度仅5m，绳锯使用率较低，切割同体积砼成本相对较高；因此，桥面板拆除采用风镐破碎湿接缝，小型起吊式移动门架+汽车吊拆除桥面板的工艺，桥面以上部分防撞护栏、栏杆、砼铺装层等采用小型破碎锤进行拆除清理。行车道板拆除依据对称的原则，从跨中至两侧进行拆除。2.2.3系杆拱桥拆除施工工艺及设备经过对施工工艺研究及该项目现有设备情况分析出各分项采用施工工艺及设备如下：表2-5桥梁拆除工艺表序号分项名称工艺方案投入主要设备1桥面附属结构拆除破碎锤拆除60型破碎锤带推土铲设备1台2桥面行车道板拆除小型起吊式移动门架+汽车吊小型起吊式门架1台、50t汽车吊2台、气焊切割设备1套3拱肋拆除抬吊法500t、200t起重船各1艘3.总体施工工艺3.1成桥施工工艺万寿桥老桥在建设过程中，具有以下特点：（1）预应力系杆拱施工是由四片拼装而成（2片端节片2片中节片），端节片吊装重27.7t，中节片吊装重24t；（2）系杆拱片制作在预制场整体放样、一次性浇筑完成，待强度达到100%后进行竖杆预应力张拉，后封浇端头砼；（3）节片架设与吊装采用支架法施工，贝雷架通全河，留不低于25m的通航孔；（4）系杆拱下弦杆钢束张拉是在两片系杆拱片及横梁安装完毕后，且湿接头强度达到90%以上进行；3.2拆桥施工流程主桥拆除根据老桥建设的逆向工序法，共分为四个部分：桥面铺装层及附属设施拆除、行车道板拆除、拱肋整体抬吊拆除、临时场地拆解破碎，即先拆除护栏、铺装层，再分块拆除桥面板，剩余横梁、拱肋、顶撑、立杆采取两条起重船整体抬吊拆除，吊至临时场地后用破碎机进行破除。图3-1桥梁拆除流程图3.3整体拆除施工工艺3.3.1桥梁拆除拱肋位移观测控制主桥拆除过程中，严格按照抬吊法的桥梁拆除步骤进行拆除，保证拆除过程中系杆拱片各个部件的内力小于拆除之前的原始内力，因此针对桥梁拱肋位移进行观测，保证拆除过程中拱肋稳定的控制，观测记录表见表3-1。表3-1拱肋位移观测表点号时间坐标变化量备注南拱肋XYH本次变化△X本次变化△Y本次变化△H累计变化△X累计变化△Y累计变化△HD1(东侧)2018/6/233407869.220537940.79312.0290.0000.0000.0000.0000.0000.000拆除前初测2018/6/263407869.223537940.81512.0330.0030.0220.0040.0030.0220.004桥面铺装及栏杆拆除、清理2018/6/293407869.221537940.78112.032-0.002-0.034-0.0010.001-0.0120.003铰缝、湿接缝切割2018/7/33407869.221537940.78112.0370.0000.0000.0050.001-0.0120.0084跨行车道板拆除2018/7/93407869.213537940.78312.035-0.0080.002-0.002-0.007-0.0100.0065跨行车道板拆除2018/7/143407869.216537940.78612.0340.0030.003-0.001-0.004-0.0070.005行车道板拆除完毕2018/7/173407869.216537940.78712.0360.0000.0020.006-0.004-0.0060.007抬吊前初测D2(跨中)2018/6/233407843.395537930.32617.6280.0000.0000.0000.0000.0000.000拆除前初测2018/6/263407843.396537930.33017.6270.0010.004-0.0010.0010.004-0.001桥面铺装及栏杆拆除、清理2018/6/293407843.397537930.34117.6290.0010.0110.0020.0020.0150.001铰缝、湿接缝切割2018/7/33407843.394537930.32917.630-0.003-0.0120.001-0.0010.0030.0024跨行车道板拆除2018/7/93407843.391537930.31817.632-0.003-0.0110.002-0.004-0.0080.0045跨行车道板拆除2018/7/143407843.388537930.32117.636-0.001-0.0020.002-0.007-0.0050.008行车道板拆除完毕2018/7/173407843.387537930.32017.637-0.001-0.0010.003-0.008-0.0060.009抬吊前初测D3(西侧)2018/6/233407817.546537919.79811.8870.0000.0000.0000.0000.0000.000拆除前初测2018/6/263407817.549537919.80011.8880.0030.0020.0010.0030.0020.001桥面铺装及栏杆拆除、清理2018/6/293407817.537537919.80311.890-0.0120.0030.002-0.0090.0050.003铰缝、湿接缝切割2018/7/33407817.537537919.80111.8890.000-0.002-0.001-0.0090.0030.0024跨行车道板拆除2018/7/93407817.538537919.79211.8910.001-0.0090.002-0.008-0.0060.0045跨行车道板拆除2018/7/143407817.539537919.79411.8920.0000.0010.001-0.007-0.0040.005行车道板拆除完毕2018/7/173407817.540537919.79411.8930.0010.0000.001-0.006-0.0040.006抬吊前初测3.3.2桥面铺装及附属拆除根据拆除顺序首先拆除栏杆及扶手，本桥栏杆采用混凝土护栏+钢管格栅形式，桥面铺装为4cm厚现浇混凝土，拆除时采用60型破碎锤带推土铲设备进行破除，在下弦杆两侧悬挂安全网，防止混凝土块坠入河中；铺装层破碎时同时注意保护空心板吊耳，破除完毕后残渣用推土铲清出桥面，并用水冲净。图3-2桥面及附属结构图3-3栏杆及铺装层破除图3-4桥面附属设施破除完毕并冲净3.3.4行车道板拆除依据对称拆除的原则，只对中板由跨中向两侧对称拆除，剩余边板与拱肋整体抬吊拆除，采用50t汽车吊+小型起吊式移动门架拆除中板。桥面板为空心板，边板尺寸74.5cm×425cm×22cm，中板尺寸99cm×425cm×22cm，桥梁纵向方向为425cm；边板重1.7t，共28块；中板重2.5t，共56块；行车道板分布及拆除方式见图3-3，小型起吊式移动门架设计见图3-4。根据施工图纸尺寸及现场横梁与车行道板位置，将车行道板间湿接头及铰缝位置进行弹线放样，采用圆盘锯对纵向铰缝位置进行切割，采用风镐将横向湿接缝凿除。然后采用小型起吊式移动门架对中跨20块板运至两侧桥头，由50t汽车吊吊至桥下；剩余中板采用汽车吊直接吊至岸侧桥下。图3-5行车道板分布及拆除顺序图图3-6纵向铰缝切割图3-7铰缝及湿接缝破除图3-8小型起吊式移动门架设计图图3-9小型起吊式移动门架拆除中板图3-10中板拆除完毕3.3.7拱肋抬吊拆除在拆除护栏、铺装及桥面板后，对拱片、横梁、顶撑进行整体吊装拆除，采用2条起重船对约260吨重的剩余结构进行一次性抬吊拆除，抬吊流程见图3-11。吊点设在竖杆与下弦杆交接处，拱肋每端一条起重船设4个吊点，共8个吊点。图3-11拱肋抬吊施工流程图3-12拱肋抬吊路线图图6.3-13旧桥抬吊初始状态图图3-14起重船就位，挂吊索图3-15两条起重船同步起吊，起吊高度离地20cm图3-161#船保持不动，2＃船向上游移动，旧桥旋转至45°图3-17旧桥继续旋转至与河道方向基本一致图3-18旧桥到达预定堆放位置上方图3-19两船缓慢落钩，保持旧桥水平，落至预定位置3.3.8旧桥就位后的拆除为保证旧桥上部结构破除时的稳定，临时场地提前进行清理及整平，再用压路机压实，旧桥整体吊运至临时场地后，直接用220液压破碎锤进行拆解破碎，拆解顺序由上到下进行，破除的碎渣作为便道整修用。（1）用破碎锤结合气割沿湿接缝位置，将整桥拆为4段。湿接缝破碎时，采取先横杆后拱肋的顺序，沿长度方向，先破碎中间缝，后破碎两侧接缝。（2）自上而下分别破碎拱肋、竖杆斜杆、下悬杆、横梁混凝土，破碎完成后，采用人工结合气割处理废旧钢筋、钢绞线，混凝土废渣采用环保自卸车集中外运。图3-20旧桥临时场地破除4．施工中的创新点本桥梁拆除工程第一个创新点为采用小型起吊式移动门架拆除中跨行车道板，通过自行设计并加工的新设备，使工程在节约成本和施工效率上均取得显著效果：（1）小型起吊式移动门架的加工可在现场自行焊接完成，方便快捷；由于中行车道板自重仅2.5t，在小型起吊式移动门架上横梁设置2组手拉葫芦，下横梁设置4组万向轮，通过人工推动小型起吊式移动门架即可完成中跨中板的拆除作业，避免了大型起重设备的进出场及租赁。行车道板拆除工期15天，采用汽车吊拆除行车道板，需要50t汽车吊2台，租赁费用4000元/台班，共需费用120000元；小型起吊式移动门架拆除行车道板需要8t汽车吊2台，租赁费用1000元/台班，小型起吊式移动门架加工利用现场闲置工字钢加工焊接，材料及人工费6000元，共需费用36000元，节约施工成本84000元。（2）通过使用小型起吊式移动门架拆除作业，极大提高了行车道板的拆除速度，为桥梁拆除顺利履约提供了保障。为系杆拱桥行车道板的拆除提供了新思路、新技术。本桥梁拆除工程第二个创新点为双船抬吊法拆除拱肋，通过此方法拆除，在航道通航安全性、施工成本、拆除工期上均有显著的效果。（1）按支架法拆除拱肋，前期打设临时支墩约12天，需采用起重船配合打设，分段拆除拱肋需要5天，后期拨除支架约5天，总拆除拱肋周期需要25天。采用抬吊法拆除，仅需封航1次，封航时间4h，拱肋从挂设钢丝绳到抬吊至临时场地预设位置仅用1h，极大提高了拱肋的拆除效率，对航道通航影响较小，节约工期24天，为万寿桥新建在工期