释放桥面约束的圬工拱桥快速破拆方法与流程

1.本发明属于桥梁施工技术领域，具体涉及了释放桥面约束的圬工拱桥快速、一次性破拆方法。


背景技术：

2.我国历史上修建了许多主要以砖、石、混凝土等圬工作为主要建造材料的桥梁，尤其是圬工拱桥，如始建于隋代的赵州桥、近代双曲拱桥。圬工拱桥充分利用圬工材料的抗压能力，不配钢筋或是少配钢筋，在特殊的历史时期解决了跨越河流、沟谷的生产生活需要。近20年来，随着国家经济、交通基础设施的大发展，车流量逐年增长、荷载等级的逐渐提高，技术状况较好的圬工拱桥经维修加固可持续使用服役一段时间，但是由于圬工拱桥本身材料特性、结构特征、修建时荷载等级(多数为车-15级及以下)相对较低等原因，圬工拱桥并不能满足持续增长的车流量、因荷载等级提高的同步提升承载能力的要求。根据圬工拱桥技术状况、桥梁所属路段荷载等级、交通量等，圬工拱桥逐步进入拆除的历史阶段。2020年12月交通运输部办公厅关于印发《公路危旧桥梁改造行动方案》(交办公路[2020]71号)，明确对少筋拱桥、汽车-15级及以下的桥梁进行改造。一些省或市交通主管部门发文，对圬工拱桥不予保留或维修加固，而是进行予以拆除的彻底改造。
[0003]
爆破拆除是桥梁工程常用的拆除方式，但受炸药的管制影响而实施手续繁琐，常有因拆除爆破振动造成周边建筑物开裂破坏，爆破产生的飞石、冲击波易对周边建筑物及人员造成打击和损伤，产生不必要的财产、人身损害纠纷；需对爆破产生的大量粉尘进行抑制处理，抑制处理措施复杂、成本较高；爆破前需对周边人员进行疏散及道路的交通管制，当采用多次爆破拆除时，对群众生活和现有道路交通影响较大，尤其是在群众聚集居住区及车流量大的交通要道，无法实施圬工拱桥的爆破拆除或是爆破拆除实施极其困难。
[0004]
机械拆除也是较为常用的拱桥拆除方法，常规机械拆除顺序为护栏、桥面铺装、拱上填料、拱上侧墙、腹拱、主拱圈等，因要保持纵桥向、横桥向受力对称原则，往往无法采用大型设备，如挖机(带破碎头)，而采用小型设备，如风炮，致使拆除施工效率低、工期长、成本高等。如中国专利申请号202011587682.2提出了一种三跨上承式钢筋混凝土连拱桥拆除方法，先后依次拆除桥梁的桥面附属结构、桥面板、拱圈、桥墩、承台、桩基、桥台，其中，对称分块切割桥面板和拱圈，并且安装临时固定支架，临时固定支架固定在桥墩顶面进行限位，从而防止拱圈拆除卸载有先后使桥墩上出现偏载或不平衡荷载，进而防止使拱圈上承受的应力超过容许应力导致拱圈产生裂缝甚至塌方，并且在拱圈拆除时加设水平拉索，防止拱圈断裂，与传统的混凝土拱圈连拱桥桥梁拆除方法相比，施工更加安全，桥面板和拱圈分块切割拆除吊走，施工完成后不需要对河床进行打捞清理，施工周期短，更加方便快捷，实现三跨连拱桥的快速拆除。
[0005]
当桥下无水或水不深时，利用圬工拱桥的结构、受力特性，还可以采用机械破拆一侧拱脚使其整跨垮塌、整跨跌落至地面或水底，利用下落的产生的能量把圬工材料碎成小块，直接清运出施工现场。如中国专利申请号202110856940.0提出了一种圬工结构连续拱
桥的拆除方法，该圬工结构连续拱桥包括多个跨，包括如下步骤：s1、制造载荷提升装置，所述载荷提升装置包括内部具有容置空间的载荷容器、用于抽水的动力元件以及用于连接载荷容器和动力元件的管道；s2、在需要拆除的圬工结构连续拱桥上的每一跨的跨中位置放置至少一个空置的载荷容器；所述动力元件置于桥外；s3、对需要拆除的圬工结构连续拱桥进行交通封锁；s4、利用所述动力元件将河水输送到所述载荷容器内；s5、对该圬工结构连续拱桥的边跨开始进行拆除，直至引起圬工结构连续拱桥其他跨的自行垮塌。
[0006]
但是，由于部分圬工拱桥重新做了桥面铺装或是其他维修加固，其钢筋含量较大，常规机械拆除进度缓慢、工作量较大、成本较高；如果直接采用机械破除一拆侧拱脚，圬工拱桥也往往不能整跨垮塌跌落，遗留部分桥体悬在空中，致使悬空部分桥体需机械高空拆除，安全风险大、工期延长、成本增加等，为克服此类圬工拱桥的拆除失败，解决这些弊端，桥梁工程施工技术领域急需一种圬工拱桥快速、低成本、等风险的拆除方法。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供了一种释放桥面约束的圬工拱桥快速破拆方法。本发明能够通过机械拆除作业即可实现一次性整跨垮塌，并且利用整跨垮塌跌落的能量将圬工拱桥的圬工材料破碎成小块，实现快速破拆、清运，降低破拆安全风险，最大程度缩短施工周期、降低施工成本、减少对周边环境的干扰与影响。
[0008]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009]
释放桥面约束的圬工拱桥快速破拆方法，包括以下步骤：
[0010]
步骤一，收集或者实测待破拆的圬工拱桥的结构参数，获取跨径、矢高、桥面铺装厚度、宽度以及钢筋布置情况等；
[0011]
步骤二，通过临界算式计算待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数、厚度和宽度的临界值m'、h'和k'
pz
；
[0012]
所述临界算式为：
[0013][0014][0015][0016]
其中，m为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数，m'为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数的临界值，h为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的厚度值，h'为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的厚度的临界值，k
pz
为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的宽度值，k'
pz
为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的宽度的临界值，l
ab
为构件ab的长度，f
ab
为构件ab承受的拉力，f
st
为桥面
钢筋的抗拉强度，f
ct
为桥面混凝土的抗拉强度，fi为i号腹拱立柱承受的集中荷载，l
zi
为i号腹拱立柱距c点的水平距离，fs为实腹段等效集中荷载，x
sz
为实腹段等效集中荷载fs距b点的水平距离，β为构件ab与构件bc的夹角度数，g
zg
为主拱自重，d为钢筋直径，π为圆周率；i为非零的自然数，表示圬工拱桥的第i号腹拱；n为非零的自然数，表示圬工拱桥的腹拱数量；
[0017]
步骤三，根据步骤二获得的待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数、厚度和宽度的临界值m'、h'和k'
pz
，对待破拆的圬工拱桥桥面进行切割，使待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数、厚度和宽均应小于上述临界值；
[0018]
步骤四，完成步骤三后，采用长臂钩机破拆圬工拱桥其中一侧拱脚，圬工拱桥的桥跨即会整跨垮塌、整体跌落；
[0019]
步骤五，清运垮塌跌落下来的圬工材料，完成圬工拱桥破拆作业。
[0020]
本发明进一步说明，在步骤三中，对待破拆的圬工拱桥桥面进行切割的切割位置至少包括拱脚正上方的桥面。桥面切割的位置至少包括采用长臂钩机破拆拱脚的同一跨中另一侧拱脚正上方的桥面；也可以对所有拱脚正上方的桥面进行切割；以便确保实现圬工拱桥破拆时能够整跨垮塌、整跨跌落。
[0021]
本发明进一步说明，为了获得较小圬工碎块，方便后期清运，在步骤三中，对待破拆的圬工拱桥桥面进行切割的切割位置还包括每个腹拱处上方的桥面和/或实腹段上方的纵向间隔2～4m距离的桥面。
[0022]
本发明主要是提出圬工拱桥桥面切割释放约束、破拆拱脚，整跨垮塌、整跨跌落的破拆方法，以解决现有圬工拱桥破拆作业中出现遗留部分桥体悬在空中、作业安全风险增大等问题。本发明中所采用的临界算式，是根据申请人采用现有常规手段破拆圬工拱桥出现上述技术问题的案例进行受力分析获得，其技术原理及推导过程如下：
[0023]
(1)经查阅历史资料，圬工拱桥建设过程首先是完成主拱圈，再以受力对称为原则施工拱上立柱、拱上侧墙、腹拱圈、拱上填料、护栏、桥面铺装的等，可知主拱圈承担拱上立柱、拱上侧墙、腹拱圈、拱上填料、护栏、桥面铺装等的自重恒载，因此可以假设在建设过程、营运使用及破拆过程均是主拱圈承担拱上建筑及桥面系的自重恒载。
[0024]
(2)残余结构力学简化。
[0025]
为避免出现采用现有常规手段破拆圬工拱桥出现上述技术问题，未能整垮垮塌、整跨跌落，取采用现有常规手段破拆圬工拱桥出现上述技术问题的案例的残余结构(如说明书附图图1和图2)进行分析，对残余结构进行简化，如说明书附图图3所示。重点研究分析三角形悬臂结构，ac主要由桥台或是桥墩(含墩上立柱)组成(即构件ac)，ab由桥面系、腹拱、拱上填料等组成(即构件ab)，桥面铺装中心线为其轴线；bc由拱肋、拱波等组成(即构件bc)，拱肋与拱座中心线交点与拱脚轴线延长线至桥面中心线的交点连线为其轴线。
[0026]
(3)构件ac、构件bc、构件ab受力特征及性能分析。
[0027]
①
构件ac长度均小于构件ab、构件bc的长度，构件ac横截面面积均大构件ab、构件ac的平均横截面面积，且构件ac有桥台搭板及路基或是桥墩临跨结构的约束，因此受弯为主的构件ac在三角形结构中抗力最大、最不可能发生破坏；
[0028]
②
构件ab在三角形结构中是受拉为主，由桥面系、腹拱、拱上侧墙、拱上填料等组成，腹拱、拱上侧墙、拱上填料材料的抗拉能力极低、且未配钢筋，对抗拉承载能力的影响忽略不计，护栏设置有变形缝、构造配筋、混凝土标号较低，可不考虑其抗拉能力，桥面系中的
桥面铺装一般为c40混凝土，配间距10cm左右、直径10mm或更大的钢筋，且钢筋为纵、横桥向双向布置，因此桥面铺装为构件ab的拉力的主要承担者；
[0029]
③
由建设过程可知构件bc始终承受压力，主要是拱肋承担，若是经维修加固往往会增加截面并配钢筋，悬臂状态构件bc压力远小于未拆除前的成桥状态，因此难以让构件bc受压破坏或是失稳失效；为进一步简化结构失效过程，仅考虑轴向力为主，把构件ab、构件bc两端视为铰接，如说明书附图图4所示，假设构件ab与构件bc的夹角为β；综上所述，可认为构件bc承担自身、拱上建筑及桥面系的重量，经拱上立柱以集中荷载形式传递腹拱、腹拱填料、侧墙、桥面铺装、护栏的重量传递至构件bc，实腹段侧墙、填料、桥面铺装、护栏的重量传递以梯形均布荷载的形式直接加载在构件bc上，如说明书附图图5所示。
[0030]
查阅桥梁设计文件、竣工图或现场实测资料，根据各部位尺寸及材料的密度可计算获取1号腹拱立柱的荷载f1、2号腹拱立柱的荷载f2、
………
，n号腹拱立柱的荷载fn，设n为非零的自然数；
[0031]
桥面系纵桥向的自重恒载集度为q
qm
，侧墙的材料密度为ρ
cq
，填料的材料密度为ρ
tl
，腹拱的材料密度为ρ
fg
，立柱的材料密度为ρ
lz
，设i为非零的自然数，从桥梁小桩号向大桩号对腹拱依次进行由小到大的编号，i号腹拱计算跨径为li、计算矢高为fi，xi为距i号腹拱拱轴线与i号拱上立柱中心线交点的水平距离，i号腹拱拱上侧墙横桥向的等效宽度为k
cqi
，i号腹拱拱上填料横桥向的等效宽度为k
tli
，i号腹拱横桥向的等效宽度为k
fgi
，l
zi
为i号拱上立柱距c点的水平距离，h
tli
为腹拱顶点上方填料的厚度高度，h
cqi
为腹拱顶点上方侧墙的高度，h
fgi
为腹拱拱肋的厚度，i号拱上立柱高度为hi，横桥向宽度为ki，纵桥向宽度为di，根据几何构成及物理参数，i号拱上立柱承受的集中荷载fi可以表示为：
[0032][0033]
假设l为实腹段的长度，xs为距b点的水平距离，k
tls
为实腹段填料的横桥向等效宽度，k
cqs
为实腹段侧墙的横桥向等效宽度，h
tls
为主拱顶部上方填料高度，h
cqs
为主拱顶部上方侧墙高度，根据几何构成及物理参数，实腹段的等效集中荷载fs(含主拱)可以表示为：
[0034][0035]
荷载fs的距b点的水平距离为x
sz
：
[0036][0037]
假定构件ab长度为l
ab
、承受的拉力为f
ab
，构件ab的拉力有桥面铺装中的钢筋与混凝土共同承担，假定桥面铺装中直径d的钢筋m根，桥面混凝土铺装的厚度h和宽度k
pz
，桥面钢筋和混凝土的抗拉强度分别为f
st
、f
ct
，π为圆周率，则有：
[0038][0039]kzg
为主拱横桥向等效宽度，主拱的材料密度为ρ
zg
，h
zg
为主拱的厚度，主拱肋计算跨径为l
zg
，计算矢高为f
zg
，则主拱的自重g
zg
可得：
[0040][0041]
对c点取矩，则有：
[0042][0043]
分别求得临界的钢筋根数m'、混凝土桥面铺装的厚度h'和宽度k'
pz
，则有：
[0044]
[0045][0046][0047]
当混凝土桥面铺装的钢筋根数m、厚度h和宽度k
pz
均小于上述计算值m'、h'和k'
pz
时，只需破拆其中一侧的拱脚，拱桥桥跨将会整跨垮塌、整体跌落。
[0048]
本发明的优点：
[0049]
1.本发明的破拆方法不受节假日及炸药管制的影响，无需办理繁琐的申请、报批手续，随时可以实施破拆施工；
[0050]
2.本发明的破拆方法在实施过程中，产生的振动小、粉尘少，不产生飞石、冲击波，不影响周边建筑结构物及人员安全，无需对周边人员近疏散、无需抑制粉尘相关措施；
[0051]
3.本发明提出的切割桥面法破拆工期最短、成本低，无论圬工拱桥跨径大小0.5天即可实现破拆完成，根据圬工拱桥跨径不同现有技术中常规机械拆除需要5～15天；
[0052]
4.本发明的破拆方法利用整跨垮塌、整跨跌落产生的能量将圬工材料碎成小块，便于直接清运出施工场地。
附图说明
[0053]
图1为申请人采用现有技术中常规手段机械破拆圬工拱桥出现的未整跨垮塌、整跨跌落的示意照片。
[0054]
图2为申请人采用现有技术中常规手段机械破拆圬工拱桥出现的未整跨垮塌、整跨跌落的另一示意照片。
[0055]
图3为图1或图2的未垮塌残余结构的简化示意图。
[0056]
图4为图3视为铰接方式的示意图。
[0057]
图5为图4中构件bc受结构自重恒载示意图。
[0058]
图6为圬工拱桥立面布置图。
[0059]
图7为圬工拱桥(以双曲拱桥为例)跨中横断面布置图。
[0060]
在图6和图7中：1护栏、2-1桥面铺装混凝土、2-2桥面铺装钢筋、3拱上填料、4拱上侧墙、5-1拱波、5-2拱肋、5-3拱肋隔板、6腹拱圈、7拱上立柱、8墩上立柱、9桥台、10桥墩、11地面线。
[0061]
5-1拱波、5-2拱肋及5-3拱肋隔板统称为5主拱圈；2-1桥面铺装混凝土、2-2桥面铺装钢筋统称为桥面铺装；1护栏、2-1桥面铺装混凝土、2-2桥面铺装钢筋统称为桥面系；3拱上填料、4拱上侧墙、6腹拱圈、7拱上立柱统称为拱上建筑。
具体实施方式
[0062]
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
[0063]
实施例：
[0064]
一种释放桥面约束的圬工拱桥快速破拆方法，包括以下步骤：
[0065]
步骤一，收集或者实测待破拆的圬工拱桥的结构参数，获取跨径、矢高、桥面铺装厚度、宽度以及钢筋布置情况等；
[0066]
步骤二，通过临界算式计算待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数、厚度和宽度的临界值m'、h'和k'
pz
；
[0067]
所述临界算式为：
[0068][0069][0070][0071]
其中，m为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数，m'为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数的临界值，h为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的厚度值，h'为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的厚度的临界值，k
pz
为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的宽度值，k'
pz
为待破拆的圬工拱桥桥面铺装的宽度的临界值，fi为i号腹拱立柱承受的集中荷载，l
zi
为i号腹拱立柱距c点的水平距离，fs为实腹段等效集中荷载，l
ab
为构件ab的长度，x
sz
为实腹段等效集中荷载fs距b点的水平距离，g
zg
为主拱自重，f
st
为桥面钢筋的抗拉强度，f
ct
为桥面混凝土的抗拉强度，β为构件ab与构件bc的夹角度数，d为钢筋直径，π为圆周率；i为非零的自然数，表示圬工拱桥的第i号腹拱；n为非零的自然数，表示圬工拱桥的腹拱数量；
[0072]
步骤三，根据步骤二获得的待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数、厚度和宽度的临界值m'、h'和k'
pz
，对待破拆的圬工拱桥桥面进行切割，使待破拆的圬工拱桥桥面铺装的钢筋根数、厚度和宽度均应小于上述临界值；
[0073]
步骤四，完成步骤三后，采用长臂钩机破拆圬工拱桥其中一侧拱脚，圬工拱桥的桥跨即会整跨垮塌、整体跌落；
[0074]
步骤五，清运垮塌跌落下来的圬工材料，完成圬工拱桥破拆作业。
[0075]
在本实施例中，在步骤三中，对待破拆的圬工拱桥桥面进行切割的切割位置至少包括采用长臂钩机破拆拱脚的同一跨中另一个拱脚正上方的桥面；也可以对所有拱脚正上方的桥面进行切割；以便确保实现圬工拱桥破拆时能够整跨垮塌、整跨跌落。
[0076]
应用实例：
[0077]
位于广西北海市某8
×
22m跨混凝土双曲拱桥，1970年建成通车。桥面总宽8.0m,主拱圈采用6肋6波，左右各悬半波，拱波为混凝土预制，每跨拱上6孔腹拱，主拱肋间3道横系梁(拉杆)，腹拱圈和立墙采用预制块；下部结构桥台为浆砌片石重力式桥台，桥墩为重力式桥墩，基础均为明挖扩大基础，桥面铺装采用采用水泥混凝土。已经过了50年的运营，原结
构的承载能力较低，虽经2011年过了一次提升加固，但结构的安全性储备低，主拱肋、拱波等主体受力结构存在大量裂缝，部分裂缝超限，从结构安全性，考虑到拱桥的主体结构不适应交通量的快速发展的需求，主管部门决定对该桥拆除重建。
[0078]
经查阅2011年设计文件及现场查勘，主要参数如下：该桥主拱圈净矢高均为4.0m，主拱肋厚度为0.6m，1#腹拱、2#腹拱、3#腹拱中心跨径均为1.6m，腹拱矢高均为0.5m，腹拱与主拱顶部填料与侧墙厚度均为1.3m，填料密度为14.5kn/m3，填料等效宽度均为7m，拱上侧墙平均厚度为0.5m，拱上侧墙材料密度为17.8kn/m3，腹拱与主拱材料密度为19kn/m3，腹拱与主拱等效宽度均为8.1m，腹拱厚度为0.15m，主拱厚度为0.6m，单侧护栏纵桥向线密度为1.65kn/m，桥面采用平均厚度为0.1m混凝土铺装，桥面混凝土密度为25kn/m3，立柱材料容重19n/m3，横桥向宽度为8m，纵桥向宽度为0.3m，1号立柱高度为2.0m，2号立柱高度为1m，c40混凝土铺装宽度为7.0m,桥面混凝土铺装的钢筋为直径12mm、20cm
×
20cm网格状布置，共计34根钢筋，桥面钢筋的抗拉强度f
st
为270n/mm2，桥面混凝土的抗拉强度f
ct
为2.39n/mm2，l
ab
为6.6m，夹角β为30.0
°
，实腹段换算长度为2.6m。经计算，桥面铺装的钢筋根数、厚度和宽度的临界值m'、h'和k'
pz
的结果如下：
[0079][0080][0081][0082]
在桥跨向两侧拱脚对应部位置的桥面处，对桥面进行切割、释放约束，使其均小于上述临界值，同时，桥面纵桥向每隔2m实施切割按照上述参数进行切割，实现了该跨圬工拱桥快速一次性整跨垮塌、拆除。
[0083]
显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对本发明实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。