回填自塌式拆除法在老旧拱桥拆除中的应用研究

回填自塌式拆除法在老旧拱桥拆除中的应用研究

孙伟1 ,李欢2

1重庆交大建设工程质量检测中心有限公司，重庆 400074；2重庆市轨道交通(集团)有限公司，重庆 401120

摘要：随着我国在交通建设领域的快速发展，老旧道路提档升级的趋势日益突出，对于老旧路线上的桥梁，特别是拱桥，往往已经不能再满足新规划道路的使用要求，其中拆除重建是许多老旧桥梁经常选用的一种处置方式。本文首先对目前常用的几种老旧桥梁拆除方法进行介绍，然后结合依托工程提出一种适用于老旧拱桥拆除的回填自塌式拆除法，经对依托工程的理论计算及现场拆除实施，本文所提出的回填自塌式拆除法具有较强的可行性，能为相似工程提供借鉴依据。

关键词：老旧拱桥；旧桥拆除；回填自塌式拆除法

收稿日期：2015-10-05;修订日期：2015-11-15

基金项目：西部交通建设科技项目（200631800006）

作者简介：刘浪（1990-），男，现为重庆交通大学2015级在读硕士研究生，主要从事隧道设计与地下工程设计。Email：523854766@qq.com

1引言

随着我国在交通建设领域的快速发展，老旧道路提档升级的趋势日益突出，对于老旧路线上的桥梁往往已经不能再满足新规划道路的使用要求，通常采取的处置措施为加固改造或拆除重建，其中拆除重建是许多老旧桥梁经常选用的一种处置方式，对于老旧拱桥更是如此。目前我国常用的旧桥拆除方法主要有爆破法拆除法、小块切割法、整跨下放拆除法及顶拉法等，各种拆除方法基本原理及适用范围如下：

（1）爆破拆除法：以炸药为主要材料，以定向控制技术为手段进行拆除作业。该方法优点是拆除速度快，受桥型结构影响小，缺点是对周边环境要求较高，技术难度较大（需经具有相关资质的单位进行设计和实施），审批手续复杂。适用于周边无敏感构筑物（如加油站等）及场地较为宽阔的桥梁。

（2）小块切割法：将梁体分割成小块体，由吊车吊装至桥外。该方法优点是操作简单，缺点是需提前在桥下搭设支架，工作量较大。主要适用于拆除部分结构的桥梁（如拱桥桥面板）。

（3）整跨下放拆除法：结合液压切割和液压顶升技术，利用切割机将箱梁合理切断，再利用千斤顶及其张拉锚固系统将大吨位的箱体连续下放。该方法技术难度大、施工工艺复杂、施工风险高，只适用于规模较大的桥梁。

（4）顶拉法：将上部主梁整体或分段拉至桥头路基段利用液压破碎机及风镐凿除。该方法要求桥梁距离桥头路基段较近，而且对顶拉设备的性能要求高，设备投入较大。主要适用于桥下交通不容中断的桥梁。

本文依托工程由于当地城市规划，需对某拱桥进行拆除并将所在河道进行填沟还地，大桥两侧均处于城市居民区，而且北侧桥头有一座加油站，桥下净空高达30m，因此以上拆除方法均不适用于本项目。根据本桥的结构特点及周边环境因素，提出一种新的拆除方法-回填自塌式拆除法。该方法就是利用回填土作用于主拱圈及拱上立墙，当主拱圈承载能力不足时，桥梁自然垮塌，填土高度由计算获得，若计算填至拱顶仍未垮塌则采用机械拆除。该方法优点是施工方便、安全及成本可控，缺点是计算难度大。

2 回填自塌式拆除法基本原理

回填自塌式拆除法主要是利用回填土的荷载逐步增大承重结构内力，使承重结构受力逐渐达到极限状态从而发生破坏，采用内力的表达形式为：

其中：S-作用组合的效应值（主要为结构自重及回填土自重）；

R-结构承重能力设计值。

以上效应组合时应取标准组合，抗力计算中的材料强度宜取标准值。为防止结构发生不可控的突然性倒塌，回填时应分步进行，并应按照先粗后细的原则进行。

3 依托工程背景

某大桥全长104.0m，为1×60.0m上承式拱桥，主拱圈为跨径60m的悬链线拱，矢高为10m，矢跨比1/6，m=2.24。桥梁由左中右三幅组成，左右两幅为后期扩建的钢筋混凝土肋拱桥，主拱圈宽度均为4.6m，拱肋厚度1.35m，中间一幅桥为最初建设的圬工石拱桥，主拱圈宽度为8.0m，拱圈厚度为1.7m。左右两幅采用C30混凝土，中间一幅采用MU50石料，M7.5砂浆组成的块石砂浆砌体。

4 实例计算

4.1 拆除步骤

根据回填自塌式拆除法的基本原理，首先需要对桥梁拆除步骤进行设计，根据依托工程的特点拆除步骤设计如下：

（1）清理桥底杂物，分层回填至拱脚底部平面；

（2）对桥梁主拱圈以下位置进行对称回填，填土填至拱顶以下3m时，在无机械能碾压的情况下可直接将推入土体进行挤压即可。

（3）对拱脚以上拱背进行回填，回填至拱脚以上5m位置。在回填过程中，每腹孔均衡填筑，每层填30cm应进行压实，并应进行对称回填。

（4）对腹拱上下游边缘进行放坡填土，以保证挖机施工空间。再利用挖机对腹拱圈、桥面系及拱上横墙进行拆除。

（5）对上一步中垮塌的腹拱及路面进行碾压，再对碾压后的地面进行回填，回填碾压厚度为每层30cm，填至与原路面同高，并采用破碎锤将三幅桥主拱圈跨中位置破碎。

4.2 数值模拟分析

4.2.1 计算模型

为保证以上拆除步骤可行，本节采用大型桥梁有限元分析软件midas Civil进行建模分析。桥梁结构均采用梁单元模拟，桥梁计算模型图见图1。

图1  midas Civil结构分析模型图

4.2.2 计算工况

按填土厚度分别为2.5m、5.0m、5.5m、6.0m、6.5m、7.0m、7.5m、填满腹拱圈8种工况进行计算。

4.2.3 计算结果

随着填土的增加，主拱圈发生垮塌的可能性逐渐增加，本节对最终填满腹拱圈工况的计算结果进行分析。

（1）两侧主拱圈计算结果

填土至原桥面时，两侧两幅桥混凝土肋拱主拱圈应力云图见图2，主拱圈抗压承载力验算见表1。

图2 填土至原桥面两侧两幅桥主拱圈应力云图（kN/m2）

表1  填土至原桥面两侧两幅桥主拱圈验算结果

由以上云图可知：填土至原桥面时两侧两幅桥主拱圈最大压应力为20.72Mpa，出现于拱脚，最小压力应为8.67Mpa，出现于拱顶附近位置。整个拱圈均处于受压状态，最大压应力为20.72Mpa，大于C30混凝土抗压强度标准值（20.1Mpa）。综上，当桥面无车辆及人群荷载，填土至原桥面时，两侧两幅桥主拱圈拱脚部位应力大于混凝土抗压强度标准值，主拱圈拱脚局部可能已经压碎。

由以上验算表格数据可知，当桥面无车辆及人群荷载，填土至原桥面时两侧两幅桥主拱圈安全系数为0.77，最危险位置为拱脚位置，结构承载力不足，拱脚部位发展为拱铰。

②中幅主拱圈计算结果

填土至原桥面时，中幅主拱圈应力云图见图3，主拱圈抗压承载力验算见表2。

图3 填土至原桥面中幅桥主拱圈应力云图（kN/m2）

表2 填土至原桥面中幅桥主拱圈验算结果

由以上云图可知：填土至原桥面时中幅主拱圈最大压应力为10.20Mpa，出现于拱脚附近，最小压力应为3.02Mpa，出现于拱顶位置。整个拱圈均处于受压状态，最大压应力为10.20Mpa，超过砌体（MU50石料，M7.5砂浆）抗压强度标准值（6.14Mpa）。综上，当桥面无车辆及人群荷载，填土至原桥面时中幅桥主拱圈拱脚部位应力超过砌体抗压强度标准值，拱脚部位局部可能已经压碎。

由以上验算表格数据可知，当桥面无车辆及人群荷载，填土至原桥面时中幅桥主拱圈安全系数为0.77，最危险位置为拱脚位置，结构承载力不足，拱脚部位可能发展为拱铰。

4.2.4 计算分析

由于本文依托工程为无铰拱桥，即使在填土至原桥面工况下拱脚截面混凝土或砌体已经达到对应材料的抗压强度标准值，拱脚截面发展成为塑性铰，整个结构还是一个超静定结构，结构并不会自然垮塌，为达到拆除桥梁的目的往往还需要利用破碎锤将三幅桥主拱圈跨中位置破碎，从理论上看跨中位置破碎后结构虽为稳定的三铰拱，但在较大的自重及填土荷载作用三铰拱位移迅速发展，很快形成一个不稳定的机动结构，最终破坏。经过依托工程现场施工验证，跨中位置破碎后，结构响应与本文分析过程较为吻合。

5 结论

本文根据依托工程实际情况提出一种新的拆除方法-回填自塌式拆除法，根据理论分析及工程验证得到以下结论：

（1）随着填土的增加，主拱圈发生垮塌的可能性逐渐增加，当填土达到一定高度时，拱脚首先局部压碎进而形成塑性铰。

（2）当填土达到设计高度后，主拱圈两侧拱脚虽形成塑性铰但整个拱圈依然为稳定的超静定结构，为达到拆除桥梁的目的往往还需要利用破碎锤将主拱圈跨中位置破碎，进而在填土及自重作用下发生破坏。

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