連續(xù)剛構(gòu)天橋拆除全過(guò)程應(yīng)力分析與研究

葛 蕓

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030012)

1 概述

目前我國(guó)公路建設(shè)已進(jìn)入平緩過(guò)渡期，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和車流量的日益增多，部分公路已無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展的需求，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件和建設(shè)條件的制約，部分橋梁的嚴(yán)重老化且病害較多。近些年橋梁拆除工程也逐漸增多，受技術(shù)條件、施工防護(hù)措施以及人們的重視程度等因素的影響，事故也隨之增多。

結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋梁的受力特點(diǎn)，選用較為合理的拆除方案，利用MIDAS Civil軟件對(duì)(15+30+15)m連續(xù)剛構(gòu)天橋拆除過(guò)程中應(yīng)力分析及研究，可為今后該類橋梁的拆除提供參考。

2 工程概況

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

被拆除天橋上跨二廣高速得大段，原橋?yàn)橐淮未钪Ъ苷w現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)跨線橋，上部結(jié)構(gòu)采用(15+30+15)m連續(xù)剛構(gòu)，下部采用薄壁墩、肋板臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋?qū)?m，橋下凈空為5m。橋墩斷面尺寸800mm×4400mm，原橋于2003年設(shè)計(jì)完成，橋梁設(shè)計(jì)荷載：汽車-20級(jí)，掛車-100，人群荷載：3kN/m2。

2.2 主梁斷面

(15+30+15)m連續(xù)剛構(gòu)天橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁寬6m，梁高70～150cm，頂板厚20cm，由三道寬40cmT型縱肋組成。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

圖2 支點(diǎn)斷面(單位：cm)

圖3 跨中斷面(單位：cm)

2.3 拆除方案的選取

橋梁結(jié)構(gòu)的常規(guī)拆除方法主要包括人工拆除法、機(jī)械拆除法、爆破法。人工拆除法技術(shù)投入少，但速度慢，施工時(shí)間長(zhǎng)，人工現(xiàn)場(chǎng)操作，容易對(duì)人身造成傷害且施工費(fèi)用較高。機(jī)械拆除法如氣動(dòng)破碎、大型機(jī)械破碎法，施工周期較人工拆除法有所減緩，但施工過(guò)程中環(huán)境污染大，現(xiàn)場(chǎng)形象差。爆破法施工工期最短且拆除費(fèi)用較少，但需與周邊建筑保持一定的安全距離，社會(huì)影響大、爆破后現(xiàn)場(chǎng)形象差，爆破施工需對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的安全及交通管制。

為降低噪音、污染、減少振動(dòng)，同時(shí)為減小社會(huì)影響，本次拆除推薦采用靜力拆除法，即鋼筋混凝土切割拆除法。與傳統(tǒng)的橋梁拆除技術(shù)相比，鋼筋混凝土切割技術(shù)對(duì)工期要求緊迫、環(huán)保要求高，以及一些大型混凝土結(jié)構(gòu)拆除、切割的工程，具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。

3 計(jì)算模型建立

3.1 橋梁計(jì)算模型

在主梁拆除過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際施工順序?qū)χ髁旱氖芰顟B(tài)進(jìn)行模擬，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、幾何特性、邊界條件等必須與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型必須能反映結(jié)構(gòu)分階段形成的特點(diǎn)，正確反映各重要工況下的結(jié)構(gòu)特性及荷載狀況的原則，利用MIDAS Civil軟件建立主梁拆除有限元模型，將全橋劃分為180個(gè)單元。結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型

3.2 施工階段劃分

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，將施工分為以下4個(gè)階段。本橋拆除時(shí)在第二階段形成懸臂結(jié)構(gòu)，也是最不利階段，極易發(fā)生傾覆安全事故，應(yīng)著重計(jì)算分析該階段：

(1)全封閉交通，中跨搭設(shè)滿堂支架。

(2)中跨混凝土及中跨主梁吊裝。

采用金剛石繩鋸按照10m間距進(jìn)行切割分段，中跨共拆分成6段，單側(cè)3段，每段重量為8.1t，采用150t吊車進(jìn)行節(jié)段吊裝，吊車與吊點(diǎn)最遠(yuǎn)距離約為10m，T梁?jiǎn)渭钪貫?9t。

(3)墩柱拆除，拆除中跨臨時(shí)支撐恢復(fù)交通。

橋墩在全封閉時(shí)拆除，橋墩高度以5m考慮。單個(gè)橋墩共分4塊，單塊重11t。

(4)邊跨切割、吊裝。

防撞墻采用金剛石繩鋸按照5m間距進(jìn)行切割分段，邊跨共拆分成12段，每段重量為4.1t。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

計(jì)算運(yùn)用Midas軟件進(jìn)行拆除過(guò)程的受力計(jì)算。主要是對(duì)構(gòu)件在自重荷載的作用下進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算(破壞、傾覆驗(yàn)算)，橋梁拆除工程應(yīng)對(duì)施工時(shí)的各工況，考慮永久作用、施工荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等各種可能存在的作用，取其最不利組合，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，作用組合應(yīng)符合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定，結(jié)果需滿足上海市政工程建設(shè)規(guī)范《橋梁拆除工程技術(shù)規(guī)程》的各項(xiàng)規(guī)定。

4.1 混凝土強(qiáng)度取值

根據(jù)《橋梁拆除工程技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ 08-2227-2017)規(guī)定，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度需鉆芯取樣并實(shí)測(cè)取值，對(duì)于混凝土經(jīng)時(shí)變化的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，如實(shí)測(cè)有困難，可按本規(guī)程附錄A計(jì)算取值。一般情況下，混凝土經(jīng)時(shí)變化的設(shè)計(jì)強(qiáng)度可按下列公式計(jì)算：

計(jì)算得出混凝土強(qiáng)度抗拉設(shè)計(jì)值1.72 MPa，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值20.57MPa。

4.2 施工階段主梁及切割節(jié)段主梁應(yīng)力

受橋下交通封閉時(shí)間的制約，中跨混凝土及中跨主梁吊裝施工階段優(yōu)先進(jìn)行，本階段形成懸臂結(jié)構(gòu)，也是最不利階段，極易發(fā)生傾覆安全事故，應(yīng)著重計(jì)算分析該階段。

圖5 每拆除10m節(jié)段主梁應(yīng)力分布圖

拆除長(zhǎng)度 最大拉應(yīng)力MPa 最大壓應(yīng)力10m6號(hào)單元0.7MPa2號(hào)單元-0.8MPa20m6號(hào)單元0.7MPa2號(hào)單元-0.8MPa30m6號(hào)單元0.7MPa2號(hào)單元-0.8MPa

驗(yàn)算結(jié)果：由計(jì)算結(jié)果可得，隨著每10m節(jié)段的拆除，混凝土最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力變化較小，主要在靠近梁端位置。在自重荷載作用下，主梁最大拉應(yīng)力為-0.7MPa，橋墩最大拉應(yīng)力-0.4MPa，小于混凝土強(qiáng)度抗拉設(shè)計(jì)值1.72MPa；主梁最大壓應(yīng)力為0.8MPa，小于待拆橋梁混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值20.57MPa，其受力滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

臨時(shí)支墩是橋梁拆除工程的重要組成部分，其設(shè)置可大大提高拆除工程的容錯(cuò)率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。支墩的強(qiáng)度是否滿足要求對(duì)拆除工程至關(guān)重要，因此臨時(shí)支墩的驗(yàn)算必不可少。

本項(xiàng)目臨時(shí)鋼支墩采用H400×400型鋼為門式立柱， 32#工字鋼制作安裝平臺(tái)，槽鋼20#作為支撐和系桿，相互立撐。與基礎(chǔ)相連處采用M24的底腳螺栓與鋼立柱連接，每個(gè)鋼柱為四個(gè)底腳螺栓，每個(gè)支墩為4根鋼立柱，在相互支撐和拉結(jié)作用下保證施工安全的整體穩(wěn)定。

采用midas/civil對(duì)支架系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，全部結(jié)構(gòu)共劃分58個(gè)單元，48個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中支架各構(gòu)件全部采用三維梁?jiǎn)卧M，截面特性按照實(shí)際選取。

邊界條件：支架底部按固結(jié)處理，支架頂部與分配梁之間剛性連接。

荷載：主要考慮混凝土梁傳遞過(guò)來(lái)的重量，以及支架系統(tǒng)的自重。

圖6 支架有限元模型和橫梁應(yīng)力

由計(jì)算結(jié)果可得，自重作用下，柱頂橫梁最大正應(yīng)力為142.8 MPa，立柱最大正應(yīng)力為22.9 MPa，滿足受力要求。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式和周邊環(huán)境，選擇較為合理的拆除方案，能最大限度地降低社會(huì)影響，快速安全地實(shí)施橋梁拆除。

(2)橋梁拆除工程中的應(yīng)力計(jì)算必不可少，結(jié)構(gòu)重力可根據(jù)拆除構(gòu)件的實(shí)際尺寸與材料的重度計(jì)算而得，對(duì)于懸臂拆除的橋梁應(yīng)考慮不對(duì)稱加載工況，各種作用的取值應(yīng)符合現(xiàn)行《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60的規(guī)定。

(3)對(duì)于結(jié)構(gòu)嚴(yán)重老化的橋梁，結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)按實(shí)測(cè)取值(一般采用鉆芯取樣)，以確保拆除安全。

(4)橋梁拆除工程應(yīng)對(duì)施工時(shí)的各工況進(jìn)行受力驗(yàn)算，需考慮施工荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等各種可能存在的作用，取其最不利組合，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。

(5)臨時(shí)支墩一般采用槽鋼、工字鋼、角鋼等型鋼搭接而成，具有施工快且可回收利用的優(yōu)點(diǎn)，是橋梁拆除工程中的重要組成部分，驗(yàn)算過(guò)程一般取較高的安全系數(shù)，可大大提高拆除工程的容錯(cuò)率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。