跨線箱梁橋切割拆除的數(shù)值模擬及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

汪 遠(yuǎn)，姜曉勇，梁 瑜，冼家榮，蔡林庭，葉錫鈞

（1、中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司廣州分院 廣州 510640；2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 前言

隨著城市人口密度不斷增加，為了方便人們的出行，交通網(wǎng)絡(luò)得到快速發(fā)展，然而早期建成的高架橋由于各種原因已經(jīng)無法適應(yīng)人們的出行需求，因此高速路上跨線橋的拆除與重建成為了現(xiàn)在的發(fā)展方向之一，然而快速路上跨線橋的拆除勢必會影響到快速路的運行情況，特別是位于附近建筑比較密集的地域，如何在不造成交通擁堵且不影響附近居民的情況下，安全有效地進(jìn)行高速路上跨線橋的拆除重建已成為各界關(guān)注的焦點。

許多國內(nèi)外學(xué)者就上述問題進(jìn)行了大量的研究。呂海軍等人［1］就高架橋的拆除方法，以工程案例為證做出了多種方法的對比分析；朱世峰等人［2］依托某高架橋拆除工程，研究了一種車載移動式提吊下放移除設(shè)備以達(dá)到快速拆除的目的；區(qū)希等人［3］就某高架橋拆除實例，研究了鋼筋混凝土機(jī)械切割新技術(shù)在工程中的應(yīng)用；衛(wèi)君毅［4］將金剛石線鋸應(yīng)用到了某工程橋梁切割拆除中，并對這項技術(shù)進(jìn)行了深入探討；陳備［5］以某舊橋拆除工程為例，分析了施工難點并探討了合理施工方案；李亞民［6］就某立交橋拆除實例，通過BIM 技術(shù)對拆除過程進(jìn)行預(yù)演，研究了移動式拆除裝置在工程中的應(yīng)用；拓明星等人［7］以某立交橋改造工程為例，研究了切割法在預(yù)應(yīng)力箱梁拆除中的應(yīng)用；王國?。?］以某高速路改建工程為例，研究了不同結(jié)構(gòu)類型跨線橋的拆除方案；張志軍等人［9］就城市核心區(qū)域某高架橋拆除工程為例，結(jié)合BIM 技術(shù)研究新型綠色靜力切割技術(shù)在工程中的應(yīng)用。

本文以某上跨既有運營路線的箱梁橋拆除工程為例，結(jié)合有限元軟件仿真模擬，計算橋梁在進(jìn)行分段拆除時各構(gòu)件的受力特點與各向變形，探討在保證橋梁交通安全運營的情況下的最優(yōu)拆除施工方案，供同類工程施工作為參考。

1 工程概況

該跨線橋上部結(jié)構(gòu)為11 孔一聯(lián)的普通鋼筋混凝土連續(xù)箱，采用單箱單室截面形式，每跨約20～22 m，底部寬3.5 m，橋面寬9.0 m，梁高1.4 m，混凝土標(biāo)號為C35。下部結(jié)構(gòu)中橋墩分為兩種形式：其中兩跨跨越快速路的橋墩采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土龍門架形式，其余跨為獨柱墩，龍門架墩柱直徑為1.0 m，獨柱墩直徑為1.3 m，如圖1所示。

圖1 跨線箱梁橋與運營線路的關(guān)系Fig.1 Relationship between Overpass Box Girder Bridge and Operation Line

2 箱梁橋拆除施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工程難點要點分析

⑴由于所拆橋梁為上跨線橋，拆除時需保障下方原有快速路的車輛通行，減少對快速路交通安全的影響。

⑵橋梁拆除方法［10］主要有控制爆破、靜態(tài)破碎、機(jī)械破碎以及靜力切割技術(shù)等，拆除時需要考慮控制的施工器具的作業(yè)范圍，以及施工時對快速路存在的安全隱患。

⑶拆除時應(yīng)自上而下，先次后主，對稱均衡，主體結(jié)構(gòu)未破損前恒載最小，橋梁拆除過程中強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

⑷梁橋主體結(jié)構(gòu)、臨時支撐和吊裝系統(tǒng)必須進(jìn)行可控的強(qiáng)度和穩(wěn)定計算。

2.2 拆除方案比選及制定

由于本項目擬拆除的橋梁跨越快速路，橋梁的拆除不能采用爆破方式，故制定切割拆除方案，選擇機(jī)械無震蕩分塊切割的方式［11］進(jìn)行分塊切割，汽車吊吊裝外運，場外破除。切割方案和施工順序需根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)及施工交通組織來合理確定，拆除時需保障原有快速路的車輛通行，減少對快速路交通安全的影響，跨快速路的四跨橋梁的交通組織安全實行全封閉施工，其余各跨做好圍蔽防護(hù)。

2.3 施工流程及關(guān)鍵技術(shù)

橋梁拆除施工遵循從上至下、逐層、分段實施的原則進(jìn)行。箱梁拆除較為復(fù)雜，總體上從兩邊向中間進(jìn)行，先拆除翼板和人行道，再拆除頂板，最后拆除腹板和底板，箱梁拆除的詳細(xì)流程如下：

⑴ 拆除方向：全橋切割順序如圖2 所示，其中A1～A12 為橋墩位置。首先拆除A7-A8 跨（解聯(lián)），隨后對稱拆除A6-A7 跨和A8-A9 跨，按此原則在兩側(cè)分別逐跨拆除至A2-A1跨和A11-A12跨。

圖2 橋梁布置Fig.2 Layout of the Bridge

⑵切割順序：箱梁截面如圖3 所示，以每跨箱梁為單一拆除單位，按照以下順序切割：翼板?箱梁頂板?箱梁底板?箱梁腹板。

圖3 箱梁切割分塊Fig.3 Cutting Block of the Box Girder （mm）

⑶板塊切割

a. 翼板切割：翼板以每長4 m 為一拆除單位，沿著跨縱橋向切割跨橋兩邊翼板，拆除時應(yīng)考慮跨橋左右平衡卸重。

b. 頂板切割：頂板以箱梁頂板每長3 m 為一個拆除單位，以縱橋向每平行3 m 切割箱梁分體的④號向內(nèi)斜刀口，拆除時需從中間向兩側(cè)平衡拆除。

c. 底板切割：箱梁底板以4.5 m 長度為一個拆除單元，拆除時需從中間向兩側(cè)平衡拆除。

d. 腹板切割：橫隔板切割后分成兩塊腹板單元，同時拆除。

3 有限元計算分析

3.1 計算基本假定

⑴在結(jié)構(gòu)分析之初，先要確定結(jié)構(gòu)最初的實際狀態(tài)，通過詳細(xì)外觀檢查，確定結(jié)構(gòu)的檢算系數(shù)，如：截面折減系數(shù)，惡化系數(shù)等，目的是準(zhǔn)確模擬實際橋梁結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)。

⑵計入施工階段收縮徐變以及成橋運營階段多年的徐變影響。

⑶該橋為曲線梁，但跨度比為0.4，且橋面寬為9 m，可建立單梁模型進(jìn)行計算，按照實際的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)對橋梁節(jié)點進(jìn)行合理約束。A4～A8處墩梁固結(jié)，其余墩、梁為鉸接。橫隔梁以重力的方式施加。

⑷針對拆除橋梁的主要受力特點，偏安全考慮，計算時不考慮普通鋼筋的作用。

⑸由于計算軟件的局限性，目前尚無一種計算軟件可以準(zhǔn)確模擬本拆除方案的實際施工過程，擬采用截面剛度折減法進(jìn)行仿真計算。

3.2 有限元建模

應(yīng)用Midas軟件建立橋梁的有限元模型如圖4所示。

圖4 橋梁有限元模型Fig.4 FEM of the Bridge

采用截面剛度折減法進(jìn)行仿真計算，將圖5 所示的截面形式拆分成5 部分，根據(jù)Midas 的SPC 截面特性計算器對原截面和各拆分部分的截面特性進(jìn)行計算。再利用橋梁博士軟件計算截面抗彎承載力，對于龍門架部分，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗算。

圖5 截面拆分形式Fig.5 Split Scheme of the Cross Section

3.3 計算結(jié)果及分析

橋梁的拆除過程主要關(guān)注各施工階段下主梁和龍門架的受力和變形狀態(tài)，其在各關(guān)鍵施工階段的結(jié)果如下，因篇幅關(guān)系，本文僅列出幾個關(guān)鍵工況的計算結(jié)果：

3.3.1 主梁

橋梁的某一跨拆除后，影響最大的是相鄰兩跨主梁的跨中和墩頂?shù)氖芰白冃吻闆r，結(jié)果如表1 所示，應(yīng)力和變形均在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTG 3362—2018》［12］允許范圍內(nèi)。

表1 主梁受力和變形結(jié)果Tab.1 Stress and Deformation Results of Main Beam

3.3.2 龍門架

A4～A8 跨段箱梁架在龍門架上，在拆除A4～A5、A5～A6、A6～A7、A7·A8 跨段箱梁時會對A5 龍門架及A7 龍門架造成影響。A5 龍門架及A7 龍門架的受力及變形情況計算結(jié)果如表2 所示，應(yīng)力和變形均在文獻(xiàn)［12］允許范圍內(nèi)。

表2 A5及A7龍門架受力和變形結(jié)果Tab.2 Stress and Deformation Results of Gantry Frame A5 and A7

4 結(jié)論

通過對本文的跨線橋拆除工程進(jìn)行數(shù)值模擬與施工技術(shù)分析，得出以下結(jié)論：

⑴選用機(jī)械無震蕩分塊切割的方式進(jìn)行施工，可創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，保障營運線路車輛通行，減少對交通安全的影響。

⑵在A7～A8 跨解聯(lián)后，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生改變，A6～A7 和A8～A9 跨由原結(jié)構(gòu)的中跨變?yōu)樾陆Y(jié)構(gòu)的邊跨，結(jié)構(gòu)內(nèi)力仍均小于結(jié)構(gòu)抗力；但因為結(jié)構(gòu)體系發(fā)生改變，在突然解除縱橋向約束后，左、右兩部分橋梁縱向變形的趨勢在增大，A6～A7、A8～A9、A5 和A7 龍門架均出現(xiàn)0～31.2 mm 之間的橫、縱橋向變形，變形值較大，且有增大的趨勢，為防止發(fā)生傾覆，建議施工前須在待拆除跨左、右兩側(cè)的梁段底下增加相應(yīng)的支撐或約束措施，同時對橋梁的三向位移進(jìn)行實時監(jiān)測。

⑶結(jié)合軟件模擬分析，在施工中過程中應(yīng)及時對橋梁的變形、應(yīng)力和裂縫發(fā)展情況進(jìn)行實時監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)變形和應(yīng)力誤差偏大，或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯裂縫發(fā)展情況，應(yīng)暫停施工，查明原因，及時采取處理措施，確保安全。