五斗大橋拆除重建設計關鍵技術

李華強

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南鄭州 450052）

0 引言

20 世紀60～70 年代修建的橋梁在運營過程中因交通流量過大和車輛超載嚴重，已產生不同程度的損壞，也有的不能滿足通航要求，需拆除重建。由于橋位資源受限，通常舊橋拆除后采取原位重建的方式。對于跨越通航河流的舊橋拆除，常用的方法有爆破法［1］、浮云法、倒拆法、支架切割法［2］等。爆破法拆除缺點是封航時間長，航道廢渣清理難度大。其余拆除方法均需要建設大量的臨時工程，成本較高。舊橋拆除以后需要重新在水中搭設棧橋、平臺、支架等臨時設施施工新橋。有時為了快速建成需投入大規模的建橋設備［3］。本文依托佛山五斗橋拆除重建工程，介紹拆建一體化的設計理念，利用舊橋作為支架施工新橋，再利用新橋輔助拆除舊橋，以減少臨時工程的投入，降低建設成本。

1 工程概述

五斗橋位于佛山市南海區，北接永安南路與平東大道交叉口，中途跨越珠江支流東平水道，南接魁奇路，是平洲片區通往順德及廣州南方向的重要通道，也是省道112 線的主要路段之一。五斗橋分東、西兩幅，西幅舊五斗橋于1978 年建成通車，通航凈高8 m。主橋為鋼筋混凝土箱形拱，跨徑為（56+80+56）m，橋寬9.6 m，雙向兩車道，設計荷載為汽車-15級、掛車-80。東幅舊五斗橋于1993 年建成，主橋為上承式鋼筋混凝土箱形拱，跨徑為（56+80+56）m，拱肋采用懸鏈線拱，軸系數為1.167、矢跨比1/7，橋寬9.6 m，雙向兩車道，通航凈高12 m，設計荷載為汽車-20 級、掛車-100。西半幅中心線與東半幅中心線平面距離13 m，西半幅橋面比東半幅橋面低4 m。拱上建筑及引橋均為16 m 空心板?，F狀五斗橋舊橋照片與示意圖見圖1、2。

圖1 現狀五斗橋現場照片

圖2 現狀五斗橋舊橋示意圖（單位：m）

對該橋實施拆除重建主要基于以下兩點原因：①根據南海區公路管理站委托相關單位進行的檢測結果可知：1978 年五斗大橋的技術狀況評定為四類，1993 年五斗大橋為三類，均需進行不同程度的修繕或重建［4］。為了橋梁通行安全，目前五斗大橋東、西兩幅均已進行限高，禁止2.6 m 以上高度車輛通行；②五斗大橋所在航道為東平水道，定級為國家內河Ⅱ級航道，通航凈空不小于18 m。目前的通航凈空已經不能滿足要求。為滿足通航要求，同時保障車輛通行安全，急需對五斗大橋進行拆除重建。

2 舊橋拆除

常見的橋梁拆除方案有如下4 種：①方案1：爆破法。該方法是通過在墩柱、拱肋、系梁等部位鉆孔裝藥，采用微差爆破技術方法，將橋梁爆破，并使碎混凝土塊散落在一定范圍內。其優點是拆除時間短，費用低，但不適用距離建筑物近和有人員活動的情況，且在通航部位使用會導致斷航時間長，航道廢渣清理難度大；②方案2：支架法。滿堂支架法由于占用支架較多，搭設、拆除支架時間長導致拆除周期長而采用較少，同時不適用于通航河道；③方案3：纜索吊機扣掛法。采用纜索吊機輔助扣索塔架懸臂倒拆的方法，缺點是安全風險高，施工難度大，造價昂貴；④方案4：浮運法。該法是先將浮船拼裝支架并注水壓艙，到達橋下后放水使船舶支架上浮頂住拱肋，在拱鉸以上一定部位將拱肋割斷后，將拱肋、拱波整體浮運離開橋位，放到指定地點拆除。該法優點是適用于通航橋梁，特別是要求斷航時間短的橋梁。缺點是落梁風險高，曾出現過垮塌事故。以上方案均存在安全風險和造價高等問題。針對拆除重建工程，結合五斗橋工程實例，本文提出一種拆建一體化設計的新理念。

3 新建橋梁設計

3.1 技術標準

道路等級為雙向八車道Ⅰ級公路兼市政功能；設計速度60 km/h；汽車荷載取公路-Ⅰ級，人群荷載取2.875 kN/m2；通航標準為Ⅱ級航道，凈寬150 m，凈高18 m。

3.2 總體設計

新建橋梁橋軸線與水流方向基本正交。橋位處河道北岸為鋼筋混凝土護堤，堤頂沿江路寬10 m，河道南側為漿砌片石岸坡，兩岸寬183 m。根據航道及防洪要求，主橋一跨過河，中間不設墩，同時需跨越北岸河堤沿江路，主墩基坑開挖避免影響河堤，主跨跨徑為215 m。主橋采用計算跨徑215 m 的下承式鋼箱系桿拱橋，主橋全長221 m，主拱為提籃式鋼箱拱肋，主梁為鋼-混凝土組合梁，主橋布置情況見圖3、4。下部結構采用分離式承臺，鉆孔樁基礎。

圖3 主橋總布置圖

圖4 橫斷面布置圖（單位：m）

3.3 主拱設計

主拱系統由拱肋、風撐等構件組成。主拱計算跨徑215 m，矢高43 m，矢跨比1/5，拱軸線為二次拋物線。拱肋內側傾斜11°，有利于提高結構的橫向整體穩定性，且造型優美。拱肋采用全焊鋼箱結構，材質為Q370qD 鋼材。拱肋等截面布置，高4.5 m，寬度2.5 m，縱向加勁肋采用Ⅰ形，間距0.5 m 左右。在吊桿位置設置豎直橫隔板，每兩個吊點橫隔板之間設置兩道垂直拱軸線的橫隔板。兩道主拱圈之間設置五道風撐，以增強結構的橫向穩定性，風撐采用鋼箱截面高3 m，寬2.5 m。

3.4 主梁設計

主梁采用雙邊箱鋼-混組合梁，截面中心處標準梁高3.76 m，系梁中心處標準梁高3.38 m，拱腳處系梁增加至4.88 m，橋面全寬51 m，梁頂設置雙向2%橫坡，梁底水平。主梁由雙邊系梁、中橫梁、端橫梁、小縱梁、懸臂梁及面板組成，具體見圖5。系梁采用全焊鋼結構，箱形截面，腹板內傾11°。系梁中心距為37.8 m。系梁在跨中梁高3.0 m，拱腳位置加高至4.5 m，寬3 m，縱向加勁肋，采用I 形。每道系梁的箱室內布置6 根系桿，采用55?15.2 mm 環氧鋼絞線體外索。中橫梁標準間距4 m，采用工字形截面，梁高由3 m 漸變至3.38 m。端橫梁采用箱形截面，梁高由4.5 m 漸變至4.88 m，寬3 m。系梁外側設置6 m 懸臂梁，其上部設置非機動車和人行道板。橋面板采用C60 預制混凝土橋面板，厚28 cm，橫斷面分4 塊預制。

圖5 主梁斷面布置圖（單位：mm）

4 拆除重建實施方案

該橋的特點是航道繁忙，北岸緊鄰居民區。因現狀通航孔不可搭設支架，舊橋拆除和新建橋梁施工均比較困難。因此提出一種新的拆除重建一體化設計理念。首先利用舊橋作為臨時施工支架和操作平臺施工新橋，再利用新橋作為輔助拆除舊橋。具體實施方案如下：

（1）封閉交通，改移橋上電力線路和通信管線等。利用小型吊機輔助，逐孔拆除護欄和路燈，再利用車輛運離現場。拆除順序由拱頂向兩側同步實施，三孔同步卸載；按照相同的方法拆除橋面鋪裝。利用浮吊輔助拆除拱上16 m 空心板，全橋拆除順序遵循“三孔同步卸載”的原則。

（2）利用舊橋裸拱作為支撐，利用浮船在舊橋主拱上搭設拼梁支架。利用舊橋兩個水中墩承臺作為操作導向和施工平臺，輔助施工兩個拼拱臨時墩，見圖6、7。

圖6 拼梁支架示意圖

（3）利用浮吊在支架上拼裝系梁、鋼橫梁、小縱梁，詳見圖7。分段拼裝主拱及風撐，安裝主拱系桿和吊桿，進行初步張拉。暫時不施工橋面板。新建拱橋主要受力體系［3］施工完成。

圖7 新建主拱吊裝示意圖

（4）拆除新橋施工臨時支架，在新建橫梁上安裝分配梁，利用新建橫梁為臨時吊點，吊裝老橋鋼筋混凝土主拱，見圖8。采用人工風鎬或鏈條鋸等小型機械將主拱圈分段切斷，用浮船將拱肋節段移走運至岸邊，再用船吊吊至岸上破碎。

圖8 舊橋裸拱吊裝拆除示意圖（單位：m）

（5）拆除舊橋水中墩墩身及承臺，水下切割舊橋基樁，逐根拆除。拆除橋臺承臺，施工新橋承臺系梁。

（6）舊橋拆除完畢，施工新橋預制面板，施工鋪裝及護欄、二次調整吊桿拉力，新橋施工完畢。

5 設計關鍵點

5.1 利用舊橋主拱作為支架施工

舊橋裸拱是否能承受新橋的鋼主梁及支架自重是設計的關鍵點。鋼箱系桿拱橋自重輕是方案實施的基礎。舊橋已拆除的拱上建筑及二期鋪裝線荷載均值單幅合計為193 kN/m，兩幅合計369 kN/m。臨時支架荷載利用鋼管和型鋼梁搭設，自重遠小于拱上立柱荷載。新建系梁及橫梁自重線荷載均值為245 kN/m，新橋的荷載分布與舊橋基本一致，且比舊橋主拱原來承受的恒載小很多。因此以舊橋主拱作為支架拼裝新橋鋼梁安全可靠。舊橋拱上立柱拆除時，預留部分鋼筋用于拼梁支架臨時錨固。

5.2 利用新建橋梁拆除舊橋

新建橋梁在未鋪設橋面板的情況下，能否承受舊橋裸拱荷載，是該方案成立的重要關鍵點。橋面板厚0.28 m，瀝青鋪裝厚10 cm，橋面板、護欄、人行道板等二期荷載線荷載均值合計為560 kN/m。兩幅舊橋裸拱線荷載均值合計為315 kN，從荷載來看舊橋裸拱荷載遠小于新建橋梁二期恒載。但是舊橋主拱自重分布與新橋恒載分布存在較大差異［6］，且拆除裸拱過程中施工荷載和切割過程中的沖擊荷載不容忽視［7］。吊裝沖擊系數取1.25。設計采用Midas 軟件建立三維有限元計算模型，對拆除過程進行分析，有限元計算模型見圖9。

圖9 有限元計算模型示意圖

通過舊橋拆除工況與新橋二期荷載的對比分析可知：主拱所受軸力與彎矩差異較大，見圖10、11。

圖10 施工階段主拱軸力圖

圖11 施工階段主拱彎矩圖

由圖10、11 可知：①舊橋拆除工況，新建主拱最大軸力為22.8 MN，考慮沖擊修正為30.8 MN，比成橋狀態橋面板及二期恒載產生的軸力（46.2 MN）小得多；②拆除舊拱工況，拆橋荷載對主拱根部產生彎矩為21.4 MN · m，小 于 成 橋 恒 載 彎 矩37.5 MN · m 。拆除舊拱工況，主拱跨中彎矩為10.9 MN · m，大于成橋恒載彎矩5.73 MN · m，但是遠小于主拱的抗力值。臨時吊點與吊桿基本對應，系梁受力遠小于成橋狀態，各指標滿足規范要求。

系梁、橫梁、系桿索施工完成后，拱橋體系已經形成［8］，利用此時的結構拆除舊橋是合理的方案。切割過程中和舊橋斷裂時沖擊荷載需嚴格控制。切割過程中，對各吊桿實時監控，讓舊主拱逐步變形釋放能量，逐步弱化舊橋剛度，在斷裂前足夠釋放能量［9］。特別在起吊分配梁位置設置緩沖橡膠，可較大程度減小沖擊力。不同的結構采取的措施不同，沖擊系數也不同，需根據實際情況修正。

5.3 舊橋基礎拆除

新建橋梁基礎盡量避開舊橋基礎。本項目承臺設置在舊橋兩側，從而減少對舊橋基礎的拆除。新橋基礎施工距離舊橋較近，需要單側支護，可采用開口式基坑支護方式［10］。舊橋基樁拆除費用較高，也可考慮利用舊橋基樁，但需進行相關試驗，使用年限較久的橋樁質量難以保證時，不建議利用。

5.4 造價分析對比

與爆破法相比，本方案減少了對居民區的影響，同時避免了水中打撈廢渣。與支架法相比，減少了大量的臨時工程量，施工措施費用低。與浮運法相比，拆建過程中封航時間短，社會影響小。系桿拱橋施工無論是先梁后拱施工方案還是先拱后梁方案，臨時結構用鋼量基本與主體結構相當。而該橋的設計方案，臨時結構用量只有常規方案用量的39%，特別是節省了水中平臺和水中支架的基礎費用。

6 結語

拆建一體同時設計，需要設計師充分理解施工和主體設計。每一座橋梁都有自身的特點，五斗大橋拆除重建工程具有航道繁忙、舊橋緊鄰居民區等特點，無論單獨拆除舊橋還是新建橋梁，施工措施費都非常高。先拆除舊橋拱上建筑，利用裸拱作為支架施工新橋主拱和系梁，再利用新建橋梁拆除剩余舊橋裸拱。節省了新建橋梁施工支架，特別是水中支架和平臺，全橋施工措施費節省33.5%。本文提出的拆建一體同時設計理念可為類似工程提供借鑒。