黃伯承

（福建省高速公路養(yǎng)護工程有限公司，福州 350100）

我國高速公路分段建設(shè)、逐步成網(wǎng)，實行以省為單位的建設(shè)體制和管理體制，各?。▍^(qū)、市）依法設(shè)立了省界收費站。 為深化公路收費制度改革，提高綜合交通運輸網(wǎng)絡(luò)效率， 降低物流成本，2019 年3 月5 日，李克強總理在政府工作報告中明確提出：兩年內(nèi)基本取消全國高速公路省界收費站，實現(xiàn)不停車快捷收費，減少擁堵、便利群眾[1-3]。

為深入貫徹落實國務(wù)院和交通運輸部的決策部署， 降低已經(jīng)運營超過17 年的沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚后續(xù)定期防腐、日常維護成本及降低惡劣天氣下桿件掉落的安全隱患，沈海高速公路福建段管理單位組織對其進行拆除。由于受棚架跨度大、凈空高、地面多行車道分隔布置、限時拆除、拆除設(shè)備有限等多種因素影響，大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架在拆除過程中存在著諸多不可控制安全因數(shù)，如網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的傾覆、部分桿件的散落、支座推移等[4-7]。 李華[8]、張華平[9]和齊高龍[10]等采用有限元分析的方法， 定性定量的分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除過程中結(jié)構(gòu)受力變化及提供相應(yīng)的拆除工序。

本文依托沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚拆除工程， 結(jié)合實際現(xiàn)場拆除條件，制定了安全可靠的拆除方案，通過合理的施工組織設(shè)計，安全、順利地完成拆除工作，其拆除方案及施工方法可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚主體部分為單曲拱螺栓球節(jié)點四角錐網(wǎng)架，平面尺寸為（114.45×21.0）m，網(wǎng)架共2 層，下層網(wǎng)架矢高為16.8 m，矢跨比為0.16，半徑R=89.59 m，上、下層網(wǎng)架對應(yīng)節(jié)點距離為3 m，拱腳水平距離為4.994 m，關(guān)鍵節(jié)點球間偏轉(zhuǎn)角度為3.5°，上層網(wǎng)架頂部有框架梁和檁條，并覆蓋單層彩鋼瓦，覆蓋面積約2600 m2，網(wǎng)架總重約343 t。 收費棚下設(shè)收費車道5 進12出，利用主線收費站實現(xiàn)其收費功能。 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚平面圖、立面圖如圖1、2 所示。

2 方案比選

沈海高速公路閩粵站大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚平面面積超過2400 m2，總重量達到343 t，拱腳處距地面高度為5 m， 網(wǎng)架頂點距地面近25 m，收費棚下設(shè)收費車道5 進12 出， 每天進出的車流量超過1 萬車次，節(jié)假日高峰可達2.5 萬車次，鑒于交通壓力及收費管理的相關(guān)要求，限時封閉24 h 內(nèi)進行拆除并清理出主干線4 車道供社會車輛通行。 常規(guī)的搭設(shè)臨時施工平臺和支撐胎架高度較高，作業(yè)面大，現(xiàn)場施工條件及作業(yè)時間均不滿足[11]。

圖1 閩粵站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架平面圖

圖2 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚結(jié)構(gòu)立面圖（單位：mm）

綜合考慮大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除的安全性、經(jīng)濟性、便捷性，決定采用加長臂液壓剪（拆樓機）分步破壞性拆除方法。 該拆除方法與傳統(tǒng)破壞性拆除的原理不同，選擇2 臺長臂液壓剪分別架立于網(wǎng)架橫向兩側(cè)面，保證拆除機械安全作業(yè)距離的同時對稱拆除網(wǎng)架弦桿作業(yè)，另在兩側(cè)布設(shè)纜風繩，確保拆除破壞過程為可預(yù)見的穩(wěn)步向下坍塌而不會發(fā)生側(cè)向的傾覆，保證了施工人員、機械設(shè)備的安全且不破壞高速公路路面及護欄等設(shè)施，可實現(xiàn)拆除清理后快速開放交通。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除

3.1 拆除基本原則

大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除的重難點在于如何保證拆除的安全性，防止網(wǎng)架不可預(yù)見的整體坍塌或側(cè)向傾覆， 破壞地下人工通道和電纜管道等設(shè)施，為此制定拆除基本原則如下：

（1）為防止拆除過程中鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體瞬間不可預(yù)見性的坍塌或傾覆，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架遵循“先拆除次要構(gòu)件、后主要構(gòu)件”的原則。

（2）選擇2 臺31 m 長臂液壓剪（拆樓機）分立于兩側(cè)由上向下進行拆除，防止在液壓剪割斷弦桿瞬間產(chǎn)生拉力把液壓剪卡死而帶倒機械。

（3）在網(wǎng)架兩側(cè)分別布設(shè)兩道纜風繩，確保拆除過程中不會發(fā)生側(cè)向的傾覆。

（4）拆除過程中實時進行網(wǎng)架主要構(gòu)件節(jié)點的位移監(jiān)測，為網(wǎng)架的坍塌提供預(yù)警。

3.2 有限元模型

采用專業(yè)軟件MIDAS/Civil 進行分析計算，空間計算模型見圖3。 沈海閩粵站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體模型共740 個節(jié)點、2736 個單元。 根據(jù)竣工圖紙模擬了閩粵站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架各桿件截面尺寸、形狀以及連接形式，如上弦桿、腹桿、下弦桿等。 邊界條件模擬時，支座采用一般支承模擬底部固結(jié)的受力狀態(tài)。

圖3 有限元計算模型

3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架編號

（1）整體坐標方位編號

鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體從左到右為農(nóng)田村莊側(cè)至收費管理側(cè)方向， 從外向里為福建側(cè)至廣東側(cè)方向，整體坐標方位如圖4 所示。

圖4 拆除整體坐標方位圖

（2）上弦桿編號

上弦桿編號規(guī)則為SN-M， 其中N 表示由農(nóng)田村莊側(cè)向收費管理側(cè)依次編號為1～45，M 表示為由福建側(cè)向廣東側(cè)依次編號為1～8， 以第3、4排上弦桿編號為例， 分別編號為S3-1～S3-8 和S4-1～S4-8。

（3）腹桿編號

腹桿編號規(guī)則為FN-M，其中N 表示由農(nóng)田村莊側(cè)向收費管理側(cè)依次編號為1～76，M 表示為由福建側(cè)向廣東側(cè)依次編號為1～14，以第四排腹桿編號為例，編號為F4-1～F4-14。

（4）下弦桿編號

下弦桿編號規(guī)則為XN-M，其中N 表示由農(nóng)田村莊側(cè)向收費管理側(cè)依次編號為1～41，M 表示為由福建側(cè)向廣東側(cè)依次編號為1～9， 以第四排下弦桿編號為例，編號為X4-1～X4-9。

3.2.2 受力性能分析

在沈海高速公路閩粵站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體模型中，針對網(wǎng)架節(jié)點處螺栓球存在焊接和螺栓連接的2 種方式， 分別以桁架單元和梁單元的方式模擬各網(wǎng)架桿件；有限元模擬逐步拆除過程時，以2 種不同的單元（桁架單元和梁單元）模擬得到的最大位移或最大應(yīng)力的變化作為結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體坍塌破壞的判定依據(jù)。 模擬拆除桿件部分變形圖和應(yīng)力圖見圖5。 經(jīng)模擬受力分析，結(jié)果如下：

（1）完成步驟1（拆除上弦桿S4-1～S4-8）、步驟2（拆除下弦桿X4-5）、步驟3（拆除下弦桿X4-4、X4-6）、步驟4（拆除下弦桿X4-3、X4-7），鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 拆除桿件部分變形圖和應(yīng)力圖

（2）完成步驟5（拆除下弦桿X4-2、X4-8）時，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架上弦桿節(jié)點最大變形為-29.1 mm， 與上一步驟相比最大變形變化值為-9.8 mm； 下弦桿節(jié)點最大變形為-29.1 mm，與上一步驟相比最大變形變化值為-26.00 mm。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架上弦桿最大應(yīng)力-70.2 MPa，與上一步驟相比最大應(yīng)力變化值為51.1 MPa；腹桿最大應(yīng)力80.1 MPa， 與上一步驟相比最大應(yīng)力變化值為48.3 MPa；下弦桿最大應(yīng)力-193.0 MPa，與上一步驟相比最大應(yīng)力變化值為-151.2 MPa。

因此，實施步驟5 后的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體處于臨界破壞狀態(tài)。

通過BIM模型中，進行安裝模擬：首先安裝YZL17；然后安裝YZL8，同時全灌漿套筒全部安裝在YZL8的甩出鋼筋上，移動到梁端一側(cè)，布置YZL8一側(cè)箍筋；最后，在YZL9就位前，將YZL9側(cè)箍筋先穿在梁甩出鋼筋上，安裝就位，移動全灌漿套筒，在移動箍筋間距控制在200mm。

（3）完成步驟6（拆除下弦桿X4-1、X4-9），鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體坍塌。

3.3 拆除位置選定與纜風繩布設(shè)

沈海高速公路閩粵站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架左側(cè)為農(nóng)田，右側(cè)為征費管理所，其下跨從左向右依次為新鋪筑的四車道瀝青混凝土路面、安檢區(qū)、雙向收費進出12 車道，如圖6 所示。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚結(jié)構(gòu)照片及下跨區(qū)域示意圖

3.3.1 加長臂液壓剪拆除位置選定

鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架為不同規(guī)格長度的上、下弦桿及腹桿通過螺栓球栓接或焊接而成，采用加長臂液壓剪快速剪切施工過程中會存在構(gòu)件內(nèi)力重分配，部分桿件受力瞬時增大， 可能存在桿件連接失效后出現(xiàn)飛濺的不安全隱患， 因而選擇靠近農(nóng)田側(cè)進行拆除。

靠近農(nóng)田側(cè)為新鋪筑四車道瀝青混凝土路面，中間為中央分隔帶（鋼筋混凝土護欄），在滿足加長臂液壓剪安全作業(yè)高度及半徑的前提下，最大程度地保護主干道設(shè)施，以便于快速恢復(fù)交通，從而選擇拆除主干道靠近安檢區(qū)域的波形防護欄，在主干第3、4 車道處進行拆除作業(yè)，距離農(nóng)田側(cè)網(wǎng)架拱腳水平距離約10～18 m， 對應(yīng)網(wǎng)架距地面高度為12～18 m，31 m 長臂液壓剪由上向下拆除作業(yè)長度為28 m， 可得長臂液壓剪作業(yè)最大半徑約為21.5～25.5 m，網(wǎng)架橫向?qū)挾葹?1 m，2 臺31 m 長臂液壓剪拆除作業(yè)時其安全距離均超過10 m，滿足安全作業(yè)要求，因此選定此處為加長臂液壓剪拆除位置。

3.3.2 纜風繩布設(shè)

為進一步確保加長臂液壓剪快速拆除過程中不發(fā)生側(cè)向傾覆而進行纜風繩的布設(shè)，考慮到單曲拱鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架受力特點，同時不破壞新鋪筑瀝青混凝土路面及下部收費設(shè)施，選擇在網(wǎng)架縱向1/3、2/3處主要受力的下弦桿對稱布設(shè)纜風鋼絲繩，其位置分別處于安檢區(qū)和由收費管理所起第8 車道處，采用護欄打樁機在混凝土路面埋設(shè)深度超過1 m 的鋼樁，選擇直徑為30 mm 的鋼絲繩與地面呈45°布設(shè)，能對結(jié)構(gòu)拆除過程中防止向外傾覆形成較好的輔助作用。

本工程在進行鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架收費棚拆除前，需要提前進行清場及相關(guān)收費管理設(shè)施的移除，為收費棚的破壞性拆除預(yù)留足夠的施工場地。 總體拆除施工流程如下：

收費管理等附屬設(shè)施清除→拆除機械作業(yè)位置及破壞部位下方橡膠輪胎鋪墊→纜風繩布設(shè)→網(wǎng)架關(guān)鍵節(jié)點位移監(jiān)測點布設(shè)→加長臂液壓剪就位→拆除網(wǎng)架上部彩鋼板及上弦桿→拆除部分腹桿→兩側(cè)對稱拆除下弦桿直至坍塌→氣割切除拱座約束→分段切割網(wǎng)架并吊運至堆放場地→主干線4 車道場地清理→恢復(fù)交通。

3.4 拆除施工要點

按照上述拆除方案及施工工藝，嚴格把控各施工步驟要點，最終安全、順利地完成網(wǎng)架拆除。 拆除施工要點總結(jié)如下：

（1）拆除前對所有技術(shù)人員及施工人員進行技術(shù)交底和安全教育，確保按預(yù)先確定網(wǎng)架拆除順序統(tǒng)一指揮進行拆除，不能隨意更改，同時做好各方向100 m 范圍內(nèi)的安全警戒。

（2）拆除前對主干4 車道路面、防護欄、中央分隔帶，以及拆除機械操作位置鋪設(shè)橡膠輪胎進行防護，避免拆除過程中對其造成損壞。

（3）纜風繩上部需固定在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要受力的下弦桿， 下部需固定在具有足夠抗拔力的鋼樁上，且纜風繩初始力不應(yīng)過大。

（4） 拆除過程中先拆除覆蓋于上部的彩鋼板，然后兩側(cè)對稱拆除次要的上弦桿和部分腹桿，為主要受力的下弦桿拆除打開足夠的操作空間。

（5）由上向下，由外向內(nèi)同步對稱拆除下弦桿，每拆除一對下弦桿需進行停頓并監(jiān)測網(wǎng)架主要受力節(jié)點的位移變化，待結(jié)構(gòu)完全穩(wěn)定后方可進行下一步拆除。

（6）拆除下弦桿過程中，網(wǎng)架主要受力節(jié)點位移監(jiān)測出現(xiàn)較大變化應(yīng)立即通知拆除機械手后撤。

（7）網(wǎng)架整體坍塌后合理組織機械設(shè)備人員及現(xiàn)場施工人員進行拆除清運，采用長臂液壓剪進行分段拆除，汽車吊進行吊裝，平板運輸車運送至指定存放點。

4 結(jié)論

（1）本文針對鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架受力特點遵循“先次要構(gòu)件、后主要構(gòu)件”拆除的原則，并結(jié)合交通管制及現(xiàn)場拆除作業(yè)條件提出了采用2 臺加長臂液壓剪分步破壞性快速拆除的方案。

（2）結(jié)合現(xiàn)場施工條件，滿足31 m 長臂液壓剪作業(yè)高度及半徑， 最大程度地保護主干道設(shè)施，選定了安全、合理的拆除作業(yè)位置，同時對稱布設(shè)纜風繩對結(jié)構(gòu)拆除過程中防止向外傾覆形成較好的輔助作用。

（3）遵循拆除基本原則，制定合理的施工工藝流程，嚴格把控各施工步驟要點，在24 h 內(nèi)安全順利地拆除了沈海閩粵站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架并清理出主干4車道，實現(xiàn)了影響最小和交通快速恢復(fù)的目標。