不等跨混凝土连拱桥主拱圈支架拆除技术

赵振海，李祯，蔡东旭，常绍杰

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

0 引言

新光路泻湖大桥地处连云新城人工湖区，0号桥台座落在人工抛石岛上，其他跨处于淤泥区，海相质淤泥层平均厚度达12 m以上。整座桥梁在流塑态淤泥等软土地基中施工，桩基及地基土极易受扰动，钢筋混凝土拱圈建造过程中混凝土浇筑、模板支撑体系预压与拆除等工序应最大限度地减少对软土地基中的桩基产生不利影响。本文主要研究不等跨混凝土连拱桥主拱圈支架拆除对拱桥的桩基和拱桥的受力影响，通过采用有限元分析先从跨中拆除和先从拱脚拆除支架对拱桥结构的受力分析，总结分析支架拆除的顺序对拱桥结构影响最小的工况，确定了不等跨连续拱桥的支架拆除方案，并在施工过程中取得较好效果。

1 工程概况

拱桥由于造型的美观，已成为目前城市道路桥梁中常用的桥型。泻湖大桥为14孔跨径渐变的上承式钢筋混凝土连拱结构，跨径布置为11+12+13+16+20+22+24+26+28+30+28+26+24+22=302 m，对应的矢高分别为1.8 m、2 m、2.2 m、2.7 m、3.2 m、3.7 m、4.3 m、4.7 m、5.1 m、5.5 m、5.1 m、4.7 m、4.3 m、3.7 m，矢跨比约1/5.5~1/6，桥面宽度44 m，分左右幅桥，全桥布置如图1所示。不等跨混凝土连拱桥在宽阔水面上状如若长虹卧波，效果如图2所示[1-2]。

图1 泻湖大桥全桥布置图Fig.1 Layout of thewhole Xiehu Bridge

图2 泻湖大桥效果图Fig.2 Effect drawing of the Xiehu Bridge

主拱圈拱轴线均采用圆弧线，为等厚度的板拱结构，其中：1号、2号、3号、4号桥孔的板厚为50 cm，5号、6号、7号、13号、14号桥孔的板厚为60 cm，8号、9号、10号、11号、12号桥孔的板厚为70 cm，混凝土等级为C40。桥墩为墙式墩，1号~4号墩身宽19 m、厚1.5 m。5号~13号墩身宽19 m、厚2.0 m。桥墩承台厚1.5 m，桥墩采用钻孔灌注桩基础，桥台为重力式桥台，承台厚2.5 m，18根直径1.5 m钻孔灌注桩基础，桥台后设止推板，止推板下采用粉喷桩进行软基处理。

本工程位置地下水丰富，地下淤泥层平均厚度不小于12 m，为海相质淤泥土，呈流塑状态。本工程共有30个桩基承台，每个承台所处地质条件均不同，0号桥墩在吹填区围堰堤坝块石堆填区，5号、6号、7号为抛填区，该区域已被回填块石覆盖，块石回填深度大于10 m；9号、10号、11号、12号、13号、14号为淤泥区，淤泥层深度达12 m；1号、8号、4号为一半抛填另一半淤泥区，2号左幅、3号左幅东侧有4根桩为抛石填筑，深度在2~8 m不等。

2 主拱圈支架拆除存在的问题分析

本工程主拱圈采用换填地基联合支架法模板支撑体系，即在承台墩柱施工完后，先进行地基换填处理，浇筑15 cm厚C20混凝土垫层，然后搭设纵横间距为0.6 m，步距为1.2 m满堂支架[3]，各跨分别浇筑混凝土，整幅桥全部合龙后再拆除支架。但是，由于本连拱桥跨径不等及地质条件较差的影响，主拱圈支架拆除时会产生以下问题：

1）连拱桥跨径不等，故在主拱圈支架拆除时将导致桥墩处产生不平衡力，其将影响到桥墩的安全。

2）连拱桥地质条件较差，地下流塑状淤泥层平均厚度在12 m以上，因此桩基在土中如同是长度12 m的自由柱，施工体系转换过程中产生的水平推力可能对桩基产生较大影响。

3 主拱圈支架拆除顺序有限元分析

3.1 参数选取

拱桥主拱圈支架拆除顺序有两种方式；一种是自跨中向拱脚拆除，另一种是自两侧拱脚向跨中拆除。为分析不等跨连拱桥拱圈支架拆除对拱圈和桩基的影响，用ANSYS软件对两种支架拆除顺序进行分析计算，将3 m宽度的板拱作用作为模拟对象，主拱、支架钢管、墩柱、承台、桩基均采用梁单元（Beam3）；考虑桩-土共同作用，按《公路桥涵地基与基础设计规范》中的“m法”计算土弹簧刚度，土弹簧用combin14单元。用荷载步和单元生死仿真支架拆除的不同顺序和工况[4]。

混凝土的弹性模量、泊松比采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[5]推荐数值，单元的实参数如表1所示，各土层的m值取值如表2所示。因主拱圈上没有其他荷载，仅考虑自重作用，C40混凝土密度2 600 kg/m3，C30混凝土密度2 500 kg/m3。桥台对拱板的约束采用固定支座形式，桩底采用竖向固定支座。建立实体几何模型如图3所示。

表1 梁单元实参数选用表Table 1 Beam element parameter selection table

表2 “m法”取值表Table 2 m-value

图3 拱桥几何模型Fig.3 Arch bridge geometric model

3.2 单跨支架拆除顺序分析

连拱桥拱圈支架拆除分析以单跨支架拆除为基础，采用两种支架拆除方式；一种是自跨中向拱脚拆除，另一种是自两侧拱脚向跨中拆除，以最大跨第10跨为例计算工况如下。

方案1：先拆跨中后拆拱脚

第1步：第10跨跨中1/2拆除，其他支架不拆。

第2步：在第1步的基础上，第10跨拱脚支架拆除，即第10跨支架全部拆除完毕。

方案2：先拆拱脚后拆跨中

第1步：先拆第10跨拱脚1/4支架，其他支架不拆。

第2步：在第1步的基础上，第10跨跨中1/2支架拆除，即第10跨支架全部拆除完毕。

3.3 计算结果分析

第10跨主拱圈支架两种不同的拆除顺序产生的桩基、拱圈的内力及位移计算结果如表3所示。

由表3分析数据可知：

1）主拱圈支架两种拆除顺序，支架的受力相差不大，即支架是安全的。

2）方案1较方案2产生的主拱圈轴力大一个数量级，即先拆跨中，拱桥的拱圈的受力体系较早建立，更接近于成桥后拱的受力性状，即自跨中向拱脚拆除对拱结构本身是有利的。

表3 第10跨两种拆除顺序计算结果Table 3 Two demolition sequences results of the tenth span

3）方案1与方案2两种拆除顺序，对墩台引起的内力基本相等（表现为桩的水平推力几乎相当），但方案1桩顶的水平位移较方案2大。即用土弹簧变形对结构内力释放起了较大作用，易对地基产生扰动。

3.4 单跨支架拆除顺序结论

由上述分析可以得出：

1）拱桥单跨的两种拆除顺序，都是可行的。

2）考虑到桥梁的上部荷载尚未加载，拱结构本身是足够安全的；而泻湖大桥处在有淤泥广泛分布的不良地质条件下，所以，如何尽量减小对桩基的不平衡水平推力应是问题的主要矛盾。综合考虑，方案2优于方案1，本工程采用自两侧拱脚向跨中拆除的方案。

4 拱桥支架整体拆除顺序

根据以上分析，为使拱脚产生的不平衡水平推力不至太大，确定拱桥支架整体拆除顺序：单幅桥梁按照“分步骤分阶段、小跨先拆大跨后拆”；单跨按照“以桥墩为中心，自拱脚向跨中”的原则拆除拱圈支架。

总体上的支架拆除顺序分为8步。

1）第1步：首先以墩帽为中心，两侧同时拆除顶托。第 1～4跨跨中保留 1/5，第 5、6、7、13、14跨中保留2/5，第8～12跨中保留1/2，形成如图4所示。

图4 Step 1拆除示意图Fig.4 Sketch map for Step 1 demolition

2） 第2步：第1、2跨保留的部分顶托拆除，施工时两跨同时进行，同时拆除完成，其他跨保持不变。

3） 第3步：用同样的方式将第3、4、5跨保留的部分顶托拆除，其他跨保持不变。

4） 第4步：第13、14跨保留的部分顶托同时拆除，拆除时依次从两侧向中间拆除。

5） 第5步：拆除6、7跨保留部分的顶托，拆除时同时依次从两侧向中间拆除。

6） 第6步：拆除8、12跨保留部分的顶托，拆除时同时依次从两侧向中间拆除。

7） 第7步：拆除9、11跨保留部分的顶托，拆除时同时依次从两侧向中间拆除。

8）第8步：第10跨保留的部分的顶托拆除，整幅桥支架拆除结束。

5 过程监控

针对以上拱桥支架拆除方案，对施工过程进行了监测；分别对主拱圈的应力、挠度、各墩台基础沉降和各墩台水平变位进行跟踪监测[6]。

1）左右幅各墩基础沉降非常小，基础沉降变形连续观测7 d处于稳定状态。

2） 左幅各墩身水平位移实测值在-2～1 mm之间，右幅各墩身水平位移实测值在-1～0.5 mm之间，各墩身所承受的水平推力是匀称的、平衡的，下部结构受力安全。

3） 左幅各跨主拱沉降2～43 mm，右幅各跨主拱沉降为5～45 mm，主拱圈沉降变形较小，各跨主拱沉降连续观测7 d已处于稳定状态。左幅第10跨主拱L/2（10号墩侧）沉降量曲线如图5所示。

图5 左幅10孔L/2处截面横向各测点累计沉降曲线（10号墩侧）Fig.5 Total settlement curve of each measuring point in horizontal section at L/2 on the left side of No.10 hole（on the side of No.10 pier）

4） 主拱圈应力各控制截面实测最大压应力为-0.67 MPa，最大拉应力为1.86 MPa，各控制截面应力较小亦在规范范围之内，说明结构处于安全受力状态。

5）经过监测，主拱圈底板出现的斜向裂缝其宽度均在0.15 mm左右，且裂缝的长度和宽度连续观测21 d均处于稳定状态；结构处于安全受力状态。

通过监测，第10跨主拱最大沉降为43 mm，理论计算第10跨主拱沉降为10.4 mm，理论计算与实测相差不是很大，主要由于理论计算只计算了第10跨的受力分析，未进行整体拱的沉降计算，以及相邻拱之间的相互影响，所以理论计算偏小，但可以作为施工方案的参考。实测结果表明，拱桥支架拆除后结构受力符合设计受力状态，结构始终处于安全状态。

6 结语

通过对软土地基上钢筋混凝土连拱桥施工分析研究与实践，不良地质条件下建造跨度渐变的连续拱桥采用支架法施工的支架拆除应注意如下问题：

1） 对于不等跨连拱桥，按照“分步骤分阶段、小跨先拆大跨后拆”的原则，使连拱桥逐步实现体系转换，达到成桥状态。

2） 单跨按照“以桥墩为中心，自拱脚向跨中”的原则拆除支架，其对软土地基中的桩基产生的水平不平衡水平推力最小，拱结构受力均衡，结构实体受扰动最小。

3）按照少量对称的原则拆除支架。

4）针对支架方案，支架拆除过程须对主拱圈的应力、线形（挠度）、各墩台基础沉降和各墩台水平变位进行跟踪监测，以指导施工。

[1]泻湖大桥施工组织设计[R].中交第一航务工程局，2010.Construction management plan of the Xiehu Bridge[R].CCCCFirst Harbor Engineering Co.，Ltd.，2010.

[2] 连云新城新光路泻湖大桥新建工程施工图[R].南京：东南大学建筑设计研究院，2009.Construction drawing for the Xiehu Bridge project in Xinguang Road of Lianyun new city[R].Nanjing：Architects&Engineers Co.，Ltd.of Southeast University，2009.

[3]JGJ166—2008，建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范[S].JGJ 166—2008，Technical Code for Safety of Cuplok Steel Tubular Scaffoldingin Construction[S].

[4] 李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.LIQuan.Application of ANSYS on civil engineering[M].Beijing：Postsand Telecom Press，2005.

[5]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].GB 50010—2010，Codefor Design of Concrete Structure[S].

[6]CJJ2—2008，城市桥梁工程施工与质量验收规范[S].CJJ2—2008，Code for Construction and Quality Acceptance of Bridge Worksin City[S].