基于掛籃懸掛方式的舊T構(gòu)橋拆除安全性分析

姚絲思, 鄔曉光

(長(zhǎng)安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

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基于掛籃懸掛方式的舊T構(gòu)橋拆除安全性分析

姚絲思, 鄔曉光

(長(zhǎng)安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

為深入了解舊T構(gòu)橋拆除的安全性,采用掛籃懸掛方式,基于有限元模型求解舊T構(gòu)橋拆除過(guò)程中掛籃的彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、撓度以及配套構(gòu)件受力等重要指標(biāo),驗(yàn)證了基于掛籃懸掛方式的舊T構(gòu)橋拆除的安全性.研究結(jié)果表明,拆除過(guò)程中掛籃的彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力均小于材料的容許應(yīng)力;撓度和線形滿足設(shè)計(jì)要求;配套構(gòu)件鋼絲繩和卷?yè)P(yáng)機(jī)滿足施工安全性要求;橋梁拆除采用掛籃懸掛的方式,按建橋施工的逆作業(yè)順序進(jìn)行是可行的.

掛籃懸掛; 舊橋拆除; 安全性; 驗(yàn)算

隨著橋梁使用年限的增加,部分老舊橋梁出現(xiàn)了外觀的損傷以及結(jié)構(gòu)的缺陷.更重要的是,在交通土木的飛速發(fā)展下,對(duì)道路和橋梁的要求越來(lái)越高,很多修建于20世紀(jì)六七十年代的橋梁已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段的交通需求而被拆除[1-8],但是橋梁的拆除存在著巨大的安全隱患.因此,國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者對(duì)舊橋拆除進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[9]討論了舊橋拆除的四大常用方法及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn),并提出舊橋拆除需要一座橋一個(gè)方案,不可生搬硬套;文獻(xiàn)[10]對(duì)高速公路改擴(kuò)建中的舊橋拆除技術(shù)進(jìn)行了分析,并提出了對(duì)舊橋進(jìn)行加固再利用的理念;文獻(xiàn)[11]基于國(guó)外的一座立交橋拆除實(shí)例提出了液壓系統(tǒng)平移法,對(duì)舊橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、臨時(shí)支架穩(wěn)定性和錨碇設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了相關(guān)的模型試驗(yàn).綜上所述,舊橋的拆除是一個(gè)不可避免而又存在安全隱患的工程,而使用掛籃懸掛的拆除方案非常常見(jiàn),以掛籃的彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、撓度為主要控制指標(biāo),對(duì)舊橋拆除的安全性進(jìn)行分析非常的必要.本文以某T型剛構(gòu)橋?yàn)槔?求解舊橋拆除過(guò)程中掛籃的彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、撓度指標(biāo),了解其安全儲(chǔ)備,并為其他T構(gòu)橋的拆除提供參考.

1 工程概況

某T構(gòu)橋橋跨布置為(37+54+37)m,主孔跨中和邊跨設(shè)吊梁,吊梁長(zhǎng)度為20 m,通航孔凈寬50 m,凈高7 m,T構(gòu)箱梁2、3主墩在河道水中,T構(gòu)由0 ～5號(hào)共11個(gè)塊段組成.箱梁橫截面為雙箱單室,兩個(gè)單室頂板中間部位設(shè)50 cm鉸縫連接,橋面頂板寬17 m,厚度20 cm,腹板厚度30 cm,牛腿處厚度38 cm,箱梁底寬為524 cm,厚度13～17 cm.橋梁立面如圖1所示.

圖1 某舊橋拆除總體立面圖(單位: cm)

2 掛籃懸掛拆除方案

根據(jù)老橋結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀,橋梁拆除采用建橋施工的逆作業(yè)順序拆除,即鑿除橋面鋪裝和護(hù)欄,采用鏈鋸將中跨吊梁鉸縫處切開(kāi),吊車分塊起吊運(yùn)出場(chǎng)外,用相同的辦法將兩個(gè)邊跨吊梁拆除運(yùn)出場(chǎng)外;T構(gòu)上安設(shè)掛籃,用卷?yè)P(yáng)機(jī)將從5～1號(hào)塊對(duì)稱下放到船上運(yùn)出指定地點(diǎn)破解.最后將0號(hào)塊、橋墩用繩鋸分塊解體,浮吊起吊運(yùn)出下游碼頭指定地點(diǎn)破解.舊橋現(xiàn)狀如圖2、圖3所示.

圖2 某舊橋拆除側(cè)面圖

圖3 某舊橋拆除底面圖

3 掛籃主要控制指標(biāo)

掛籃根據(jù)拆除構(gòu)件最大自重42.56 t進(jìn)行控制設(shè)計(jì),單只掛籃設(shè)置兩路主桁,每路主桁由4排貝雷拼裝而成,長(zhǎng)度36 m,按照T構(gòu)通長(zhǎng)(34 m)分布,頭部頂層架設(shè)十字交叉貝雷片,兩端各6片,長(zhǎng)6 m,貝雷片頭部頂上橫1根大梁,大梁下掛一對(duì)滑輪組,定滑輪5片,動(dòng)滑輪4片,2根后錨桿與4根前吊桿均采用Φ32精軋螺紋粗鋼筋,螺桿底端均采用雙螺母錨固.起重卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩拉力5 t,整體起重能力達(dá)到45 t,兩個(gè)懸臂吊梁起重能力達(dá)90 t,而該橋最重切割下來(lái)箱梁塊件最大將近43 t,可見(jiàn)懸臂吊梁起重能力遠(yuǎn)大于切割下來(lái)的T構(gòu)箱梁塊件重量.掛籃構(gòu)造詳見(jiàn)圖4、圖5.

圖4 掛籃拆除施工總體布置示意圖

圖5 掛籃拆除施工斷面示意圖

本文采用Midas/civil建立有限元模型,其中貝雷梁采用梁?jiǎn)卧?模型中約束條件為:貝雷梁與梁體之間約束采用剛性連接(只受壓)模擬,梁體用一排固定節(jié)點(diǎn)模擬,后錨點(diǎn)下端固結(jié);模型中的載荷為:考慮貝雷梁掛籃的自重作用,并將梁體截段自重等效成節(jié)點(diǎn)集中載荷作用在掛籃結(jié)構(gòu)上.

根據(jù)本T型剛構(gòu)拆除施工流程,在兩個(gè)載荷工況下對(duì)掛籃的應(yīng)力、變形進(jìn)行驗(yàn)算,兩載荷工況如表1所示.

表1 載荷工況

圖6、圖7為掛籃的有限元模型整體示意圖和局部示意圖.

此掛籃屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu),在施工過(guò)程中對(duì)稱施工,所以僅對(duì)一側(cè)掛籃的應(yīng)力、變形進(jìn)行分析驗(yàn)算即可.

貝雷架也稱為“裝配式公路鋼橋”,原名叫“321”公路鋼橋.貝雷片材料的容許應(yīng)力按基本應(yīng)力提高30%,個(gè)別鋼質(zhì)桿件超過(guò)上述規(guī)定時(shí),不得超過(guò)其屈服點(diǎn)的85%,故本文中材料Q345鋼材的剪應(yīng)力及彎應(yīng)力容許值為1.3×210=273 MPa.

圖6 掛籃的有限元模型整體示意圖

圖7 掛籃的有限元模型局部示意圖

3.1 掛籃彎曲應(yīng)力指標(biāo)控制

自重作用下、切割后下放前、梁體下放時(shí)掛籃的主桁、前上橫梁、后錨、前吊桿的彎曲應(yīng)力見(jiàn)表2～表4.由表2～表4可知,自重作用下、切割后下放前掛籃在梁段載荷作用及下放梁段時(shí)掛籃在梁段載荷作用下,掛籃的彎曲應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的容許應(yīng)力.

表2 自重作用下掛籃應(yīng)力計(jì)算表

表3 切割后下放前掛籃應(yīng)力計(jì)算表

表4 下放梁段時(shí)掛籃應(yīng)力計(jì)算表

3.2 掛籃剪應(yīng)力指標(biāo)控制

自重作用下、切割后下放前、梁體下放時(shí)掛籃的主桁、前上橫梁、后錨、前吊桿的剪應(yīng)力見(jiàn)表5～表7.由表5～表7可知,自重作用下、切割后下放前及下放梁段時(shí)掛籃在梁段載荷作用下掛籃的剪應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的容許應(yīng)力.

表5 自重作用下掛籃應(yīng)力計(jì)算表

表6 切割后下放前掛籃應(yīng)力計(jì)算表

表7 下放梁段時(shí)掛籃應(yīng)力計(jì)算表

3.3 掛籃變形指標(biāo)控制

根據(jù)有限元軟件模擬可知,切割后下放前掛籃在梁段載荷作用下最大值發(fā)生的位置在主桁架中間部位,變形最大值為12.4 mm,梁體下放時(shí)掛籃變形最大值發(fā)生的位置在主桁架中間部位,變形最大值為11.9 mm.詳見(jiàn)圖8.

圖8 掛籃主桁架變形圖

根據(jù)我國(guó)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)[12]要求,掛籃構(gòu)件變形值應(yīng)小于L/400,其中L為主桁架的長(zhǎng)度,故變形限值為90 mm,可見(jiàn)計(jì)算值明顯小于規(guī)范限值,滿足要求.

3.4 卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩指標(biāo)控制

掛籃一側(cè)的梁下為兩組滑輪組,每組定滑輪5片,動(dòng)滑輪4片,用9根鋼絲繩連接,滑輪組為省力滑輪組,從而使上部卷?yè)P(yáng)機(jī)的受力減小.卷?yè)P(yáng)機(jī)的受力主要來(lái)自于鋼絲繩的拉力,梁體自重通過(guò)鋼絲繩的傳遞,又經(jīng)過(guò)滑輪組結(jié)構(gòu),最終傳到卷?yè)P(yáng)機(jī)處的力減小了一大部分.

卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩能承受的最大拉力為5 t,故整體起重能力達(dá)到45 t,可見(jiàn)懸臂吊梁起重能力大于切割下來(lái)箱梁塊件重量.

鋼絲繩的容許應(yīng)力1 470 MPa,直徑為47.5 mm,總長(zhǎng)度為200 m,根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)[12]要求,其安全系數(shù)不小于6,則此處取安全系數(shù)為7.

根據(jù)箱梁塊件最大重量可得一組滑輪組承受的最大拉力為21.28 t,又每組滑輪組有9根鋼絲繩,易得每根鋼絲繩承受的最大拉力為2.865 t,小于卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩能承受的最大拉力,滿足要求.由鋼絲繩的直徑可得其面積為17.72 cm2,進(jìn)而求得每根鋼絲繩的最大拉應(yīng)力為13.34 MPa.根據(jù)鋼絲繩的容許應(yīng)力值及安全系數(shù),可知其容許應(yīng)力為210 MPa,故鋼絲繩最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于其容許應(yīng)力,滿足要求.

4 結(jié) 論

為深入了解采用掛籃懸掛方式拆除舊T構(gòu)橋的安全性,基于有限元模型軟件Midas求解了舊T構(gòu)橋拆除過(guò)程中掛籃的應(yīng)力、撓度以及其他配套構(gòu)件的重要控制指標(biāo),得出的主要結(jié)論有:

(1) 拆除過(guò)程中掛籃的彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力指標(biāo)小于材料的容許應(yīng)力,撓度也滿足設(shè)計(jì)要求;掛籃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,安全可靠.

(2) 拆除過(guò)程中鋼絲繩應(yīng)力小于材料容許應(yīng)力,卷?yè)P(yáng)機(jī)受力小于其最大承載力,故配套構(gòu)件的受力滿足安全性的要求.

(3) 在施工中,中部貝雷梁上應(yīng)放置適量重物,以減少貝雷梁上拱變形值.

(4) 橋梁拆除采用掛籃懸掛的方式按建橋施工的逆作業(yè)順序進(jìn)行是可行的,掛籃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,安全可靠,滿足施工安全性要求.

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【責(zé)任編輯: 趙 炬】

Analysis on Safety Checking of Old T Structure Bridge Demolition Based on Hanging Basket Cantilever Method

YaoSisi,WuXiaoguang

(Key Laboratory for Bridge and Tunnel of Shaanxi Province, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to gain an insight into the safety of the demolition by hanging basket of the old T bridge, the bending stress, shear stress, deflection of the hanging basket and force of the matching component in the demolition of the old T bridge are solved based on finite element model. The safety of the old T bridge demolition is verified by hanging basket. The results show that: during the removal process, the bending stress and shear stress of the hanging basket should be less than the allowable stress of the material, deflection and alignment meet the design requirements; the supporting component of wire rope and hoist construction meet the safety requirements; the method for removing bridge by hanging basket and inverted sequence of the sequence of bridge construction is safe and feasible.

hanging basket cantilever; old bridge demolition; security; checking calculation

2016-10-17

陜西省交通運(yùn)輸廳科技資助項(xiàng)目(13-25k); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(201493212002).

姚絲思(1991-),女,山西晉城人,長(zhǎng)安大學(xué)碩士研究生; 鄔曉光(1961-),男,湖北英山人,長(zhǎng)安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

2095-5456(2017)02-0153-05

U 441.3

A