有限元分析法在某立交橋拆除仿真中的應(yīng)用

陳芙蓉

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來(lái)，橋梁拆除工程日漸增多，部分現(xiàn)有橋梁因不能滿足交通量的需求以及經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)存在較為嚴(yán)重的病害，需要進(jìn)行拆除。橋梁拆除過(guò)程中的不確定因素多、風(fēng)險(xiǎn)大，缺乏完善的、系統(tǒng)化的規(guī)范指導(dǎo)[1-2]。將有限元仿真計(jì)算和現(xiàn)代施工工法相結(jié)合，掌握拆除施工階段結(jié)構(gòu)受力狀況，可以為橋梁拆除安全提供保障[3-4]。

本文以一座立交橋的拆除為背景，建立了可以較真實(shí)反映實(shí)際工程的有限元模型，實(shí)現(xiàn)各個(gè)拆除過(guò)程的仿真模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)拆除各施工階段結(jié)構(gòu)受力變形情況進(jìn)行了計(jì)算分析，為拆除施工的質(zhì)量控制提供指導(dǎo)，為以后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

原立交橋?yàn)槿方徊?，互通形式為半定向Y形，現(xiàn)要將其改為四路交叉，所以要將原立交橋拆除。該次研究?jī)H以該立交橋中的一聯(lián)為對(duì)象，此聯(lián)跨一條高速公路，為減小拆除對(duì)原有交通的影響，降低施工難度，擬采用小塊切割法對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除。即通過(guò)鋼管樁和貝雷梁搭設(shè)支架、金剛石線鋸切割機(jī)分段切割、大噸位吊機(jī)吊裝的方式拆除。

該聯(lián)橋的結(jié)構(gòu)型式為跨徑（17+32+17）m的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，曲率半徑為148.25m。主要截面屬性為跨中梁高1.3m，墩頂梁高2.25m，橋面寬9.0m，底板寬4.5m。拆除支架布置如圖1所示。

2 有限元模型的建立

為了了解在拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)比較真實(shí)的應(yīng)力位移分布情況，采用MIDAS/Civil建立包含主梁、橋墩和支架的整體模型，如圖2所示，對(duì)結(jié)構(gòu)在拆除過(guò)程中受力進(jìn)行有限元仿真分析。

（1）為了盡可能地符合實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)，采用空間梁?jiǎn)卧潣蚰Ｐ?，考慮曲率對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，但是不計(jì)橋面縱坡和橫坡影響。綜合考慮下部支撐間距和切割線所在位置進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，橋墩支座方向與該點(diǎn)處彎橋的切線方向一致。

（2）支架各個(gè)部件貝雷梁、貝雷梁橫向聯(lián)系、分配梁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，貝雷梁上弦桿和下弦桿分別與相應(yīng)的分配梁進(jìn)行鉸接。

（3）上部結(jié)構(gòu)和支架之間的相互作用通過(guò)引入虛擬梁來(lái)實(shí)現(xiàn)，虛擬梁的容重為0，只作為傳力的中介，與上方梁體相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛接，與下方相應(yīng)的分配梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鉸接。

3 施工過(guò)程及仿真模擬

3.1 施工方案

圖1 支架立面和平面布置圖（單位：cm）

圖2 有限元模型示意圖

上部主梁拆除時(shí)，在支架搭設(shè)完成并做好防護(hù)措施后，為了減輕切割段梁體重量，先拆除整個(gè)橋面系和翼緣板，剩余的主梁結(jié)構(gòu)在跨中位置切斷后用金剛石線鋸切割法分段先中跨后邊跨逐個(gè)拆除[5-7]，具體節(jié)段劃分情況如圖3所示。待上部箱梁拆除完畢后，再進(jìn)行蓋梁、墩柱的拆除，最后清理現(xiàn)場(chǎng)完成拆除作業(yè)，施工工藝流程如圖4所示。

圖3 節(jié)段標(biāo)號(hào)示意圖（單位：cm）

3.2 施工階段模擬

跨中切斷的模擬：在跨中位置建立10cm厚薄層梁?jiǎn)卧?，通過(guò)將該單元鈍化來(lái)模擬從跨中位置切斷，實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程。

梁段切除的模擬：通過(guò)鈍化相應(yīng)的梁?jiǎn)卧?，?shí)現(xiàn)施工時(shí)每一個(gè)梁塊被金剛石線鋸切割機(jī)從主梁上切除的過(guò)程。

梁段下放至支架的模擬：將被切割段梁體重量換算為均布荷載，激活并施加在下方對(duì)應(yīng)分配梁上，進(jìn)而傳遞到支架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)被切割梁段下落至支架的過(guò)程。

圖4 拆除施工流程

梁段從支架移除的模擬：將上述均布荷載鈍化來(lái)模擬梁塊切下后移除至地面的過(guò)程，然后重復(fù)上述步驟進(jìn)入下一梁塊的切除。

預(yù)應(yīng)力筋的處理：在進(jìn)行施工階段分析時(shí)，如果預(yù)應(yīng)力鋼束分配的某一單元被鈍化，該預(yù)應(yīng)力鋼束將失效，因此需要在每個(gè)拆除階段重新布置預(yù)應(yīng)力鋼束，此時(shí)的張拉控制力應(yīng)為截面上經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力損失后殘余的有效預(yù)應(yīng)力。

4 數(shù)值仿真分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)該聯(lián)拆除施工過(guò)程的空間仿真分析，可以得到拆除過(guò)程中上部結(jié)構(gòu)及支架系統(tǒng)的應(yīng)力位移變化情況。表1給出了主梁各拆除工況最大位移和應(yīng)力，可以看出在整個(gè)拆除過(guò)程中，最大壓應(yīng)力為13.25MPa，比C40混凝土的抗壓強(qiáng)度26.80MPa小，受壓滿足要求；最大拉應(yīng)力1.93MPa，比C40混凝土的抗拉強(qiáng)度2.39MPa小，主梁在拆除過(guò)程中是安全的，不會(huì)被拉裂。

表1 主梁最大應(yīng)力位移匯總表

拆除過(guò)程中荷載由橋墩和支架系統(tǒng)承受，但絕大部分還是作用于支架系統(tǒng)。各個(gè)施工階段下貝雷梁最大位移以及組合應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)規(guī)范《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》（TB 10110—2011），支架屬于受彎構(gòu)件，其撓度最大值應(yīng)不大于L/400（L為構(gòu)件的跨度），對(duì)于該結(jié)構(gòu)L/400=42.5mm，16Mn 最大容許應(yīng)力[σ]=273MPa。從表2中可以看出，最不利施工階段發(fā)生在拆除7#塊和9#塊。拆除9#塊時(shí)，貝雷梁最大位移24.87mm，符合規(guī)范要求。拆除7#塊時(shí)，貝雷梁局部構(gòu)件最大組合應(yīng)力199.98MPa，符合規(guī)范要求。

表2 貝雷梁最大應(yīng)力位移匯總表

從分析結(jié)果中可以看出，拆除方案是安全的。結(jié)構(gòu)受力最不利工況為中跨和邊跨切斷施工階段，也正是橋梁結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化的時(shí)候，因此在這兩個(gè)施工階段，需十分注意對(duì)主梁的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，時(shí)刻注意檢查主梁裂縫的發(fā)展情況。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立包含主梁、橋墩和支架系統(tǒng)的整體模型，將有限元分析技術(shù)成功運(yùn)用于該立交橋的拆除方案，取得了以下結(jié)論：

（1）仿真模擬可以較真實(shí)地反映在中跨和邊跨梁體切斷時(shí)，上部結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的內(nèi)力重分配，直觀地展現(xiàn)梁塊切割下落至貝雷梁以及從支架系統(tǒng)移除時(shí)各個(gè)支撐部件之間的空間傳力過(guò)程。

（2）通過(guò)有限元分析法便于研究結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作，以及梁段拆除退化對(duì)體系受力性能的影響，進(jìn)而確定各個(gè)施工工況下支架的位置以及標(biāo)高，防止支架系統(tǒng)受力過(guò)于集中，保證支架系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）將有限元分析法應(yīng)用于舊橋拆除中，能夠確保拆除方案安全可行，并為施工監(jiān)控提供可靠的控制指標(biāo)。需要指出的是，由于結(jié)構(gòu)本身潛在病害無(wú)法確定和部分參數(shù)的取值偏差，仿真計(jì)算模型與實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)存在差異，這將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與拆除過(guò)程結(jié)構(gòu)受力狀況存在一定誤差。因此在實(shí)際拆除施工過(guò)程中，需進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，通過(guò)不斷調(diào)整計(jì)算模型來(lái)減小誤差，從而保證施工過(guò)程的安全。

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