莫劲松
（佛山市南海区道路建设管理处 广东 佛山）
摘要：佛山市南海区五斗桥东、西幅主桥现状均为钢筋混凝土拱桥，经过多年的服役，梁体病害严重，且原桥梁的净空高度不满足东平水道的通航净空要求，亟待进行拆除与重建。针对该桥的特点和桥位环境，本文对五斗桥的拆除和重建方案进行深入比选，并开展相应的结构设计验算。结果表明，本文推荐的拆除与重建方案技术上可行，造价上经济合理。
关键词：桥梁工程；拆除；重建；浮运；缆索；爆破；系杆拱桥；结构计算
中图分类号：U443.32 文献标识码：A
1工程概况
五斗桥位于佛山市南海区，北接永安南路与平东大道交叉口，跨越东平水道后南接魁奇路，是平洲片区通往顺德及广州南方向的重要通道，也是省道112 线的主要路段之一。现状五斗桥分东、西两幅，桥面净宽为9.0m，跨越东平水道的主桥均为跨径布置为(56+80+56)m的钢筋混凝土箱形拱桥(图1)：西幅五斗桥于1978 年建成通车，通航净空8 米；东幅五斗桥于1993 年建成通车，通航净空12 米。根据相关单位的检测评定，西幅五斗桥为IV类桥，东幅五斗桥为III类桥，目前东、西幅主桥均已采取限流、限载运营；五斗桥跨越的东平水道已升级为国家内河II级航道，通航净空要求不小于18 米。因此，为满足通航要求和保证行车安全，同时进一步完善南海区的交通路网结构，对现状五斗桥进行拆除重建迫在眉睫。
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图1 现状五斗桥
本文结合五斗桥主桥的结构特点及桥位周边环境，提出多种拆除与重建方案，并进行了方案比选和深化设计，以期为同类工程项目提供参考。
2 拆除方案比选
现状五斗桥拆除的主要控制因素为：①东平水道为Ⅱ级航道，航道繁忙，来往船只较多，尽量减短封航时间。②东平水道为平洲饮用水源区的下界（二级区）和三山港工业农业用水区的上界（二级区），施工活动应尽量减少对环境的破坏。③主桥北岸有居民区和商店，南岸有沿江路。基于上述控制因素，结合五斗桥主桥的结构特点，并参考类似工程项目经验，提出了四种拆除方案[1-2]。
方案一：利用新建桥梁拆除旧桥
新建系杆拱桥跨径和桥梁高度均大于原拱桥，因此可在原桥位处完成新建系杆拱桥后，利用新建系杆拱桥对原主拱圈进行拆除，如图2所示，按以下步骤进行施工：①封闭东西幅五斗桥的桥面交通；②改移桥上电力线路和通讯管线等；③吊机及运输车辆等上桥，按“先拆除东幅五斗桥，再拆除西幅五斗桥；从跨中拱顶向拱脚方向拆除拱上建筑”的总体顺序拆除至主拱圈；④采用整孔顶推完成新建拱桥的施工；⑤在新建系杆拱桥的横梁上设置临时索，与主拱圈相连，调整索力使主拱圈的拱顶截面内力为0；⑥按照从中孔向边孔的顺序逐孔拆开拱顶；⑦采用人工风镐或链条锯等小型机械将主拱圈分段切断，用浮船将拱肋节段移走运至岸边，再用船吊吊至岸上破碎；⑧拆除临时支墩，将旧桥主墩基础切割至设计标高，完成旧桥拆除施工。
根据项目规模、工程特点及前期筹备情况，预估本施工方法总工期约235 天，中间通航孔恢复通航时间约35天。该方案具有施工临时设施少，拆建一体，经济性好的优点。
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图2 拆桥方案一示意图
方案二：浮运法
由于东平水道具有良好的通航条件，因此可考虑采用浮运法对原钢筋混凝土拱桥进行拆除，如图3所示。主要施工工序如下：①同方案一工序1~3；②在原五斗桥的两边孔搭设临时支架顶住拱圈；③先在浮船上拼装支架并注水压舱，行驶至原五斗桥桥下后放水，使船舶上浮，支架顶住主拱圈；④采用人工风镐或链条锯等小型机械同时将第2孔拱肋在拱脚处切断；⑤解除临时吊索，用浮船将拱肋整体移走至岸边，再用船吊吊至岸上破碎；⑥拆除临时支架，将主墩基础切割至设计标高，完成拆除施工。
预估本施工方法总工期约80天，中间通航孔恢复通航时间约7天。该方案在国内有丰富的实践经验，对不同主桥结构均具有较好的实施性[3-4]。实践证明浮运法对通航影响小，方案高效。由于西幅五斗桥中跨主拱圈重达1200t，应用于本项目时需要注意落梁瞬间的浮船的稳定和主拱圈结构是否能保持完整等问题。
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图3 拆桥方案二示意图
方案三：缆索吊法
现状东西幅五斗桥均为三跨连拱结构，考虑到主桥拆除过程中应避免出现较大的不平衡水平推力，两边跨主拱圈和中跨主拱圈应考虑同步拆除。因此，可采用缆索吊法按倒拆工序对主拱圈逐步拆除，如图4所示，主要施工工序如下：①同方案一的工序1~3；②在旧五斗桥的两边孔搭设，顶住拱圈，同时在原桥墩基础上分别安装扣索塔架。③调整张拉扣索力，使得拱顶截面内力为0，从中孔向边孔的顺序逐孔打开拱顶打开拱顶；采用人工风镐或链条锯等小型机械同时将主拱圈分段切断，用浮船将拱肋节段移走至岸边，再用船吊吊至岸上破碎；⑥在支架上将边跨剩余主拱圈分段切割拆除；⑦拆除临时支架，将主墩基础切割至设计标高，完成拆除施工。
预估本施工方法总工期约150天，中间通航孔恢复通航时间约35天。该方案不仅在主拱圈拆除时，需严格遵循对称施工，而且临时结构多。由于现状五斗桥主体结构病害已经较为严重，结构实际承载力不明确，因此本项目应慎用该施工方法。
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图4 拆桥方案三示意图
方案四：爆破法
由于东平水道通航繁忙，桥梁拆除应尽量缩短封航时间，同时减少老桥拆除过程中的施工风险，因此主拱圈采用爆破法[5]拆除，如图5所示，主要施工工序如下：①同方案一工序1~2；②根据爆破专项方案设计在主拱圈设计截面位置钻孔后安装炸药，并系上浮标，同时进行两幅桥梁的爆破；③根据浮标打捞主拱圈节段，快速清理出主要通航航道；④将主墩基础切割至设计标高，完成拆除施工。
预估本施工方法总工期约120天，中间通航孔恢复通航时间约10天。该方案能快速清理出航道，最大限度减少对通航影响，优势较为明显。
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图5 拆桥方案四示意图
从拆除工期、对通航影响和施工风险等角度，对上述四种拆桥方案进行比选：方案二和方案三对通航的影响小，封航时间短，优势明显；但考虑到现状五斗桥结构病害较多，结构承载力难以估算准确，为保证拆除过程施工安全，同时参考距本项目相不远的和顺大桥（4×45m 的上承式双曲拱桥）的拆除经验，最终本桥推荐采用爆破法拆除，并进行了爆破专项设计与审批。
3 重建方案设计
3.1重建方案比选
⑴ 主要技术标准
1.通航技术标准：东平水道为Ⅱ级航道，通航净空不小于18米，设计最高通航水位4.19m，设计最低通航水位为-0.24m（1985国家高程）。
2.道路技术标准：一级公路标准兼顾城市道路功能。主桥采用双向8车道，两侧各有3.5m宽的非机动车道，设计时速为60km/h。
3.桥梁荷载：汽车荷载为公路-I级，人群荷载和非机动车荷载按照《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取值。
4.地震：桥梁位于7度区，地震动峰值加速度为0.10g。
⑵ 方案比选
依据东平水道的通航要求，同时考虑桥墩与堤岸位置关系，重建五斗桥采用215m的主跨一跨跨越东平水道；参考上下游已建桥梁的情况，拟定了三个主桥方案进行比选。下文从结构合理性、施工便捷性、工程造价、工期和景观效果等方面进行比选。
表1 主桥方案比选表
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由表1可知，方案二虽然结构新颖，但桥面系梁承受较大的扭矩，主梁剪力滞系数较大，导致结构钢材用量较多，造价偏高；方案三桥塔造型气势挺拔，但由于需要设置配跨，导致总造价较高，同时施工工期较长；方案一结构简洁，总造价低，工期短，符合本项目的要求。因此，重建方案推荐采用（1×215m）双拱肋系杆拱桥。
3.2结构设计
⑴ 主拱
主拱采用两片拱肋，主拱圈向内侧倾斜11o[6]，形成优美的提篮拱造型。主拱采用全焊等截面钢箱截面，总高4500mm，宽度2500mm，采用Q355C钢材。钢箱梁采用板肋加劲，间距500mm。在吊杆截面设置吊点横隔板，其上开设有检修人孔，每两个吊点横隔板之间设置两道非吊点横隔板，在拱脚位置横隔板适当加密。主拱圈、桥面系纵肋和端横梁三者在端部交汇。两道主拱圈之间采用桁架式斜撑，以增强结构的横向稳定性。
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图6 主拱隔板、吊点横隔板和横撑断面图（单位：mm）
⑵ 横撑
本方案选用下承式双拱肋系杆拱桥，为满足结构造型优美和视觉效果丰富双重需求，拟定了四种造型方案。
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图7 横撑造型俯视图
考虑到桥上行车视野开阔，并兼顾结构受力，横撑推荐采用方案四。横撑采用箱型截面杆件。高3000mm，宽度2500mm，顶、底板和腹板厚分别为18mm、22mm和16mm，顶、底板分别与拱肋内的纵向加劲肋的位置相对应。
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图8 推荐方案效果图
⑶ 吊杆
主桥每侧拱肋各设置24根吊索，全桥共48根。吊索纵桥向间距为8.0m。吊索采用GJ15-7高强度镀锌平行钢丝束，标准强度为1860MPa。吊索上端采用耳板式锚固，下端采用钢锚箱锚固，下端为张拉端，拱肋处锚头为固定端。钢锚箱48根吊索在张拉端锚头处加设调节套筒，在拱肋上的理论锚固点为上耳板销孔中心线与吊索中心线的交点；吊索在系杆上的理论锚固点为系杆中心线与钢锚箱中心线与吊索中心线的交点。吊索与拱肋平面在横桥向内倾11o。
⑷ 桥面系
a.系杆梁
主桥系杆对应拱肋设置两道，系杆立面处于R=2000m的竖曲线上，采用全焊钢结构，箱型截面。两个系杆的中心距37.8m。系杆在跨中位置按3.0m等高设计，在拱脚位置加高至4.5m。为平衡拱肋水平拉力，在每个系杆内设置6束55-Φ15.2的钢绞线体外索，在端部锚固。为满足局部稳定的需要，分别在顶底板设5道纵向加劲肋，加劲肋均为板形。纵向每4m设一道横隔板。系杆外侧设置3.5m悬臂，其上部设置人行道板。
b.横梁
横向系统主要由吊点横隔板、非吊点横隔板和端横梁组成。其中吊点横隔上翼缘宽600mm，厚度26mm，下翼缘宽1200mm，厚度60mm，腹板厚24mm；非吊点横隔板上翼缘宽600mm，厚度26mm，下翼缘宽1200mm，厚度60mm，腹板厚20mm；端横梁为箱形结构，高4521~4880.6mm，宽度3000mm，根据受力需要设置各板件厚度，其中顶板厚36mm，底板厚42mm，腹板厚24mm。
c.桥面板
行车道范围内桥面系采用组合桥面板，不仅能有效避免钢结构疲劳，且桥面板局部刚度大，桥面铺装不易出现病害。桥面板支撑于横梁和小纵梁上，除端横梁处桥面板采用现浇外，其余均采用预制。预制桥面板在车行道及系杆范围内满布，横向分为4块，标准段预制板尺寸7.625×3.5m (横向×纵向)，板厚28cm。板与板之间纵横桥向分别预留50cm后浇带，通过预制板端预留钢筋与后浇带钢筋，横梁、系杆顶预焊的剪力钉共同形成先简支后结构连续的整体桥面板体系。预制桥面板板采用C50混凝土，后浇带采用C55微膨胀混凝土。
人行道板支撑于钢悬挑梁上，人行道板均采用预制矩形板，板厚10cm，标准段长180cm，板宽200cm，板与板之间纵桥向预留3cm缝。
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图9 主梁横断面图（单位：mm）
（5）下部结构
主桥桥墩采用分离式空心薄壁墩，顺桥向宽5m，横桥向宽6m，壁厚1.0m，采用C40混凝土。主墩承台为分离式基础，单个承台尺寸为14.648×14.8m（横桥向×顺桥向），厚5.5m，采用C35混凝土。单个承台下设置9根长33m的嵌岩桩，采用梅花形布置，桩基直径2.2m，桩身采用C30水下混凝土。
3.3结构验算
（1）应力验算
采用Midas Civil2019建立考虑施工过程的有限元计算模型，如图10所示。有限元模型中采用杆单元模拟吊杆和系杆，混凝土采用板单元模拟，其余部件均采用梁单元模拟。有限元中计算荷载包含自重恒载、汽车和人群活载、风荷载、温度荷载、地震荷载等，依据规范进行荷载组合。
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图10 有限元模型
荷载基本组合下，拱肋的计算结果如图11和图12所示。
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图12 1.1倍基本组合主拱下缘应力（MPa）
1.1倍荷载基本组合作用下，拱肋全截面受压。拱肋上缘最大应力223MPa，最大应力201MPa，小于钢材强度设计值335MPa，应力满足规范要求。
主梁为钢-混组合结构，混凝土桥面板按全截面受力计入进行计算。1.1倍荷载基本组合作用下，钢纵梁的上、下缘应力如图13和图14所示。
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图14 1.1倍基本组合纵系梁下缘应力（MPa）
1.1倍基本组合作用下，纵系梁的上缘最大应力106MPa，下缘最大应力151MPa，小于钢材强度设计值270MPa。
系杆拱桥的混凝土桥面板在成桥时，由于受到系杆的作用，以受压为主。考虑混凝土的收缩徐变后，在频遇组合作用下，混凝土桥面拉应力超过C50混凝土抗拉设计强度。因此，混凝土桥面板按钢筋混凝土构件设计，裂缝宽度控制在0.15mm以内。
（2）稳定性验算
主拱为压弯构件，其最小稳定性系数需要满足规范不小于4.0的要求。采用Midas计算得到在最不利荷载工况下，系杆拱桥的1阶屈曲模态为反对称侧向失稳，整体屈曲系数8.5。
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图14 1.1倍基本组合纵系梁下缘应力（MPa）
（3）人行舒适度评价
系杆拱桥为柔性结构，结构刚度小，自振频率通常小于3.0Hz，人致振动问题需要特别注意。我国现行人行桥设计规范[8]要求“上部结构竖向自振频率不应小于3Hz”，通过回避敏感范围内的频率来防止桥梁振动不满足人行舒适度要求，但未对人行舒适度评价方法作出详细规定。目前国外广泛采用采用峰值加速度或峰值加速度平方根进行评价人行桥振动舒适性，新的《城市人行天桥与人行地道技术规范》（征求意见稿）吸收了上述研究成果，本文依据相关条文，计算得到车辆以设计时速60km/h过桥时，桥面的竖向加速度峰值为amax=1.97m/s2，侧向加速度峰值为amax=0.05m/s2，人行舒适度等级为CL2，达到合格要求[9]。
3 结语
现状五斗桥不满足东平水道的通航净空要求，病害严重，亟待进行拆除与重建。本文针对该桥的特点，提出了4种拆除方案和3个重建方案，并从多角度进行深入比选，最终推荐采用爆破法拆除东、西幅钢筋混凝土拱桥；重建桥梁方案推荐采用经济合理、结构受力合理的215m的双拱肋系杆拱桥，并开展了相应的结构设计与验算。
参考文献：
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通讯作者：张士红（1990-）,男,河南信阳人,硕士研究生。主要从事钢与组合结构桥梁理论的研究。