沖擊鉆孔施工對臨近框架橋拆除影響的數(shù)值模擬分析

謝春明，李明國，黃華江，任 艷

(1.公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，廣州 510420；廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420；3.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，廣州 510800)

0 引言

隨著國內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，部分橋梁經(jīng)過幾十年的運(yùn)營，大量超載車輛的通行，對橋梁造成了嚴(yán)重破壞，造成了嚴(yán)重的安全隱患，需要拆除后在原址上建設(shè)新橋。鉆孔灌注樁基施工一般采用沖擊鉆成孔工藝，因新橋樁基距離舊橋較近，沖擊鉆振動擾動較大[1-2]，而新橋樁基施工過程中需同步進(jìn)行舊橋拆除，因此須分析沖擊鉆孔施工對舊橋拆除的結(jié)構(gòu)安全影響。

不少學(xué)者開展了樁基施工振動對周邊建(構(gòu))筑物影響的測試、分析和研究工作[3-7]，但對框架橋影響的研究還較少。為了解沖擊鉆孔施工對框架橋拆除的安全影響，本文采用有限元軟件建立部分框架橋模型，對沖擊鉆孔施工影響下臨近框架橋的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。

1 工程概況

某高速公路互通立交主線橋跨徑組合為(15.02m+15m+30m+2×15m+9.67m+42×15m+15.02m)，橋位區(qū)未見斷裂構(gòu)造形跡，覆蓋層主要為素填土、全新統(tǒng)粉質(zhì)粘土，基底由花崗巖及風(fēng)化層組成。第15～44跨為30×15m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架橋，分左、右幅設(shè)置，單幅長450 m，寬度為15.75 m，高12.5 m。結(jié)構(gòu)形式包括空心板、墩柱、橫梁、剪力墻、層板、擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，其中框架柱截面尺寸為1.5 m×1.5 m，橫梁截面尺寸為1.50 m×0.95 m?？蚣苤鹘钪睆溅?5 mm，間距12 mm；箍筋直徑φ10 mm，間距100 mm。框架梁主筋直徑φ22 mm，間距6 mm；箍筋直徑φ8 mm，間距100 mm。剪力墻主筋直徑φ20 mm?？蚣軜蚪Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 框架橋結(jié)構(gòu) (單位：mm)

框架橋經(jīng)幾次加固后仍存在多處破損、露筋和開裂等病害狀況(圖2)，被定為險橋，需對其進(jìn)行拆除并同步在兩側(cè)修建新橋。新橋位置與舊橋平面位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 框架橋現(xiàn)狀

圖3 新橋位置與舊橋平面位置關(guān)系

由于工期緊張，新橋樁基施工方案擬采用沖擊鉆孔施工工藝(沖擊鉆采用的沖錘重量為5 t，沖擊時間為5 ms)。新橋樁基距離舊橋較近，最近凈距約1.4 m，位于框架橋左側(cè)。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

為了能準(zhǔn)確地反映橋梁樁基工程施工加載對舊橋結(jié)構(gòu)的影響[8-10]，綜合樁基與舊橋結(jié)構(gòu)的距離、地層巖土體強(qiáng)度參數(shù)以及影響范圍等因素，采用ANSYS軟件建立有限元模型，運(yùn)用大型顯示動力分析軟件LS-DYNA進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，取左幅橋距離沖擊鉆孔施工最近的2跨，采用分離式共節(jié)點(diǎn)模型建立部分框架橋模型[11](共節(jié)點(diǎn)分離式模型可以分別考慮鋼筋與混凝土的不同受力狀態(tài)，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)提供更精確的分析)，再施加對稱約束進(jìn)行計(jì)算。為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型的尺寸需要在土體范圍上作一定的延伸[12-13]。根據(jù)有限元分析原理和一般處理經(jīng)驗(yàn)，樁基影響范圍一般為10倍樁徑范圍內(nèi)，樁徑為1.5 m，因此，水平方向取為樁基外約25 m范圍，豎向取為舊橋底部約30 m范圍。模型大小與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全相同，X軸方向?yàn)樗椒较?，走向?yàn)闃蛄翰贾梅较颍籝軸方向豎直方向，向上為正；Z軸方向?yàn)闃蛄簷M向?？蚣軜蛉S數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 框架橋三維數(shù)值模型

模型中，混凝土與鋼筋均采用隨動硬化雙線性彈塑性材料，混凝土采用Solid164單元模擬，鋼筋采用Beam161單元模擬。模擬中混凝土選擇塑性隨動硬化材料，即*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，具體參數(shù)取值見表1。

表1 混凝土材料模型參數(shù)

在計(jì)算模型范圍內(nèi)分布的地層主要有素填土層、粉質(zhì)粘土層，選擇147號各向同性損傷材料*MAT_FHWA_SOIL模擬。模型中土層參數(shù)見表2。

表2 模型中土層參數(shù)

2.2 計(jì)算方案

沖擊鉆孔前無法預(yù)計(jì)成孔所需要的總沖擊次數(shù)，而且很難計(jì)算多次累加沖擊效應(yīng)的影響，因此模擬沖擊鉆首次沖擊，對比分析沖擊鉆孔施工對框架橋整幅拆除和半幅拆除兩種方案的安全影響。

(1)框架橋整幅拆除方案：舊橋兩側(cè)新橋建設(shè)完成，交通流轉(zhuǎn)換后對框架橋進(jìn)行整體拆除。上部結(jié)構(gòu)采用靜力切割并吊拆后炮機(jī)鑿除，下部結(jié)構(gòu)從上至下炮機(jī)鑿除。

(2)框架橋半幅拆除方案：為加快工期，舊橋一側(cè)新橋建設(shè)完成，先進(jìn)行單向交通流轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行框架橋半幅拆除，剩余半幅繼續(xù)車輛通行。

沖擊鉆采用的沖錘重量為5 t，沖擊時間為5 ms，沖錘起升的高度不超過1.5 m，沖程為自由落體1.5 m。經(jīng)計(jì)算得到?jīng)_擊荷載為3.069 MPa。沖擊鉆首次沖擊荷載的施加如圖5所示。

圖5 沖擊鉆首次沖擊荷載施加

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 框架橋土體與墩柱豎向位移

框架橋土體與墩柱分析點(diǎn)位如圖6所示，此處框架橋距離沖擊鉆孔凈距最小。

圖6 框架橋土體與墩柱分析點(diǎn)位

框架橋整幅拆除和半幅拆除兩種方案土體豎向位移時程曲線如圖7(a)所示。由圖7(a)可知：由于沖擊加載在地面，受沖擊效應(yīng)的影響，會引起周圍土體的沉降。整幅拆除方案下，土體瞬時最大位移為8.15 mm，趨勢穩(wěn)定后為2.1 mm。半幅拆除方案下，土體瞬時最大位移為8.2 mm，趨勢穩(wěn)定后為2.2 mm。由圖7(a)可見，兩種方案下土體瞬時位移保持一致，整體位移也趨于一致。

框架橋整幅拆除和半幅拆除兩種方案墩柱豎向位移時程曲線如圖7(b)所示。由7(b)可知：沖擊振動傳遞到舊橋墩柱，得到整幅拆除方案墩柱最大豎向位移為1.25 mm左右，半幅拆除方案墩柱最大位移1.75mm左右。

圖7 框架橋兩拆除方案土體和墩柱豎向位移時程曲線

3.2 框架橋墩柱混凝土與鋼筋單元應(yīng)力

在年度橋梁定期檢查報(bào)告中，舊橋下部結(jié)構(gòu)存在裂縫和表面缺陷等現(xiàn)象，因此需分析框架橋墩柱受力狀況，選取框架橋距離沖擊鉆孔凈距最小的墩柱一層根部作為分析部位。

框架橋整幅拆除和半幅拆除兩種方案墩柱一層根部混凝土應(yīng)力時程曲線如圖8(a)所示。由圖8(a)可知：整幅拆除方案時，沖擊振動傳遞導(dǎo)致的墩柱一層根部混凝土最大受拉值為0.71 MPa，此時未達(dá)到屈服極限。此后混凝土受力呈拉壓反復(fù)變化狀態(tài)，并隨著沖擊振動傳遞的衰減，混凝土受力逐漸減小。半幅拆除方案時，墩柱一層根部混凝土受力與整幅拆除方案基本保持一致。

框架橋整幅拆除和半幅拆除兩種方案墩柱一層根部與混凝土單元連接的鋼筋單元軸向應(yīng)力時程曲線如圖8(b)所示。由圖8(b)可知：整幅拆除方案時，鋼筋單元最大受拉值為16.8 MPa，此后鋼筋單元軸向受力呈拉壓反復(fù)變化狀態(tài)，并隨著沖擊振動傳遞的衰減，受力逐漸減小。半幅拆除方案時，鋼筋單元受力與整幅拆除方案基本保持一致。

圖8 框架橋兩拆除方案混凝土和鋼筋單元應(yīng)力時程曲線

3.3 框架橋橫向水平位移

對既有結(jié)構(gòu)來說，水平位移是引起結(jié)構(gòu)開裂的重要原因，因此需要考慮沖擊鉆施工影響下框架橋結(jié)構(gòu)的水平位移。模擬中取橋面外側(cè)點(diǎn)(圖9)進(jìn)行分析?？蚣軜蛘鸪桶敕鸪齼煞N方案橋面外側(cè)橫向水平位移時程曲線如圖10所示。由圖10可知：受沖擊振動傳遞和墩柱沉降的影響，整幅拆除方案時，水平位移值最大為外側(cè)方向0.74 mm左右。半幅拆除方案時，水平位移值外側(cè)方向最大為1.1 mm、內(nèi)側(cè)方向最大為3.2 mm左右。

圖9 橋面外側(cè)分析點(diǎn)位

4 兩種拆除方案的對比分析

根據(jù)以上數(shù)值模擬分析結(jié)果可知：臨近框架橋凈距1.4 m處沖擊鉆孔施工，框架橋整幅拆除方案墩柱最大豎向位移為1.75 mm左右，半幅拆除方案墩柱最大豎向位移為1.25 mm左右；整幅拆除方案框架橋一層墩柱根部混凝土瞬時最大拉應(yīng)力為0.71 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為16.8 MPa，半幅拆除方案下混凝土和鋼筋最大拉應(yīng)力與整幅拆除方案基本保持一致。整幅拆除方案下橋面外側(cè)橫向水平位移分別為0.74 mm，半幅拆除方案下為3.2 mm。考慮到?jīng)_擊鉆孔過程中需要多次沖擊，兩種方案下框架橋墩柱豎向位移和半幅拆除方案下橋面外側(cè)橫向水平位移較大。

經(jīng)模擬計(jì)算，沖擊鉆成孔工藝會對框架橋結(jié)構(gòu)造成較大的安全影響?？紤]到回旋鉆孔施工具有振動小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，建議改用回旋鉆成孔工藝施工。新橋?qū)嶋H施工中已改用回旋鉆作業(yè)，同時監(jiān)測得框架橋沉降位移值小于3 mm，不影響舊橋結(jié)構(gòu)安全。考慮到拆橋過程中的風(fēng)險可控，拆除方案采用框架橋整幅拆除方案。

5 結(jié)論

為了解沖擊鉆孔施工對既有框架橋結(jié)構(gòu)拆除的影響，分析其適用性，本文采用有限元軟件建立典型的公路框架橋共節(jié)點(diǎn)分離式鋼筋混凝土模型，對比分析整幅拆除和半幅拆除兩種方案對臨近框架橋的結(jié)構(gòu)安全影響，得出如下主要結(jié)論：

(1)針對凈距1.4m處沖擊鉆孔施工對臨近框架舊橋拆除的影響，整幅拆除方案相對于半幅拆除方案，舊橋土體沉降值趨于一致，墩柱沉降值相差0.5mm，墩柱一層根部混凝土和鋼筋受力相同。分析可知，由于左右幅結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，半幅拆除不會對另半幅橋結(jié)構(gòu)造成太大影響。

(2)沖擊鉆孔施工時，整幅拆除方案、半幅拆除方案下橋面外側(cè)橫向水平位移分別為0.74 mm、3.20 mm。

新橋沖擊鉆施工距離舊橋過近，考慮到?jīng)_擊鉆孔過程中需要多次沖擊，會引起框架橋沉降值以及橋面橫向水平位移較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受較大的安全風(fēng)險。實(shí)際施工過程中已改用回旋鉆成孔工藝，同時監(jiān)測得舊橋沉降位移值小于3 mm，滿足舊橋結(jié)構(gòu)安全要求。拆除方案采用框架橋整幅拆除方案，相對于半幅拆除方案風(fēng)險更可控。