基于Midas Civil的下承式拱橋拆除過程施工計算分析

王國平,張 俊,周 全

(江蘇瑞沃建設(shè)集團(tuán)有限公司 揚(yáng)州市 225699)

0 引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得原有交通不能滿足現(xiàn)在的使用要求,不管是城市跨線橋或者是跨水橋,在經(jīng)過長時間的服役之后,不僅出現(xiàn)了許多病害,而且已經(jīng)不能滿足車流量或航運(yùn)的要求,需要進(jìn)行拆除重建[1-2]。國內(nèi)已經(jīng)有許多成功將大橋拆除的案例,在拆除過程中也運(yùn)用了許多不同的方法,同時也采用了許多有限元技術(shù)輔助拆橋的過程分析。姚正斐[3]對使用了爆破、靜態(tài)破碎、機(jī)械破碎以及靜力切割進(jìn)行拆除的鑒湖大橋采用有限元模擬分析,對吊桿拆除過程中拱肋的應(yīng)力以及位移進(jìn)行分析,得到了最有效的拆除方法,使得該橋安全拆除。張曉東[4]采用Midas Civil軟件分析六叱大橋在拆除過程中蓋梁在不同橋梁部件切割后恒載作用下的彎矩圖,得出了在拆過程中蓋梁受力最不利的工況,對這種工況下的大橋進(jìn)行加固處理,最終確保了蓋梁的安全拆除。陳芙蓉[5]采用Midas Civil軟件建立了某立交橋在拆除過程中包含主梁、橋墩以及輔助臨時設(shè)施的整體有限元模型,對梁跨中切斷、梁段切除以及梁段下放至支架這三種工況進(jìn)行模擬,得出在拆橋過程中主梁的最大拉應(yīng)力以及最大壓應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度,輔助了橋梁的拆除。周奎[6]等采用ANSYS LS-DYAN軟件對鋼桁架結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行爆破拆除過程的連續(xù)仿真模擬,為實際爆破拆除提供了參考。黃朝光[7]基于Midas Civil軟件采用梁格法對某預(yù)應(yīng)力混凝土下承式三角形桁架T構(gòu)梁橋按照既定的拆除順序進(jìn)行桁架上弦稈及腹桿的內(nèi)力分析,計算得出所有弦桿的各截面抗彎能力均大于拆除過程中的截面所受彎矩,拆除方案可行。馮劍平等[8]介紹了采用數(shù)值模擬分析國內(nèi)橋梁爆破拆除的實例,著重介紹了采用ANSYS LS-DYAN對鋼筋混凝土橋梁在爆破坍塌失穩(wěn)過程的共節(jié)點(diǎn)分離式模型模擬情況。

文章以位于高郵市的需要航道整治改造的下承式拱橋捍海大橋為例,對于采用倒拆法的整個橋梁拆除方案采用Midas Civil進(jìn)行有限元分析,對原有既定的拆除方案的安全性進(jìn)行了驗證,為實際拆除方案提供了參考。

1 工程背景

1.1 捍海大橋簡介

捍海大橋為航道整治改造橋梁,老橋為系桿拱橋,主跨50m,橋?qū)?7m,通航孔凈寬43.8m,凈高5m,橋跨布置為3×25m+50m+1×25m,橋梁全長156.1m,主橋系桿高1.80m,寬1.25m,拱肋高1.3m,寬1.25m,均為箱型截面,系桿拱矢高10.5m,矢跨比1/4.571,拱肋、系桿、橫梁、風(fēng)撐均采用預(yù)制安裝。兩側(cè)引橋采用25m后張法板預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。此次通揚(yáng)線高郵段航道整治,全線要求達(dá)到Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn),通航凈空需滿足60×7m,老橋通航凈空不能滿足要求,需要拆除重建。

1.2 捍海大橋拆除方案

捍海大橋老橋整體采用倒拆法的思想,即為施工過程的逆順序。主要包括施工準(zhǔn)備、拆除橋面系、浮吊船的布置、節(jié)段切割以及節(jié)段的吊運(yùn)。施工準(zhǔn)備的主要工作是完成防傾覆安全措施,具體包括風(fēng)纜外錨點(diǎn)設(shè)置、浮吊船錨墩設(shè)置、鋼管樁支架臨時支撐;拆除主跨橋面系包括:5cm瀝青鋪裝層,8cm防水混凝土墊層,欄桿,橋面板;浮吊船的選擇主要包括浮吊船的噸位、浮吊船的布置以及梁段鋼絲繩的規(guī)格選擇;節(jié)段切割主要采用金剛繩繩鋸切割拆除,節(jié)段吊運(yùn)主要為拱肋、系桿、橫梁以及風(fēng)撐拆除完成之后的吊運(yùn)。

2 捍海大橋老橋拆除計算分析

2.1 計算方案

系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)拆除采用施工過程的逆順序進(jìn)行,整體結(jié)構(gòu)的安全性符合施工要求,計算對象為臨時支撐結(jié)構(gòu)的安全性。臨時支撐與拆除橋面系之后的捍海大橋采用Midas Civil建模的計算模型如圖1所示。其中,用梁單元模擬混凝土系桿、混凝土中橫梁、混凝土風(fēng)撐,用桁架單元模擬吊桿以及臨時支撐。

圖1 捍海大橋老橋有限元計算模型圖

2.2 計算工況

大拆除完橋面系之后,鋼管支撐開始受力,直到系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)拆除完成,計算下部鋼管支撐最大支反力。計算主要包括7個工況下的剩余橋梁構(gòu)件的受力情況:(1)拆除橋面板;(2)加上臨時支撐后;(3)拆除風(fēng)撐;(4)拆除拱肋中段;(5)拆除拱肋次中段;(6)拆除中橫梁;(7)拆除系桿中段。

2.3 拆除過程橋梁剩余構(gòu)件安全性分析

由于通航凈空要求,橋下臨時鋼管支撐之間凈距離需要保證不小于30m,跨徑較大,在拆除過程中橋梁剩余構(gòu)件的安全性存在一定隱患,需要進(jìn)行每一構(gòu)件拆除后的安全性分析。

2.3.1拆除橋面系及行車道板后結(jié)構(gòu)計算

拆除總體思路是建造過程的逆順序,先銑刨瀝青,再拆除橋面欄桿,接下來拆除170塊預(yù)制橋面板,此時系桿整體向上變形,由于橋面二期恒載的卸載,系桿整體向上變形,跨中最大變形為19.2mm,小于橋梁跨徑的1/500,是滿足要求的。此時拱圈系桿僅受壓應(yīng)力,拱圈最大壓應(yīng)力為8.1MPa,系桿最大壓應(yīng)力為17.9MPa,均小于C50混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值32.4MPa。

2.3.2拆除拱肋中段后結(jié)構(gòu)計算

拆除拱肋中段后,結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)變,由原來的系桿拱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橄露帱c(diǎn)支撐連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。由于橋面臨時鋼管支撐的存在,拱肋中段拆除后,剩余拱肋受力很小,最大彎矩出現(xiàn)在橋下鋼管支撐截面位置,此時系桿最大的組合應(yīng)力為24.7MPa,小于C50混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值32.4MPa,系桿仍然處于安全受力范圍。拱肋中段拆除后,系桿最大豎向位移為6.398mm,拱肋端頭最大為10.672mm,均很小,結(jié)構(gòu)整體剛度富余度較大,結(jié)構(gòu)較安全。結(jié)構(gòu)整體抗彎能力仍然能夠滿足施工安全性需要,能夠保證剩余構(gòu)件的安全性。

2.4 拆除過程最大支反力

對拆除橋面板、拆除風(fēng)撐、拆除拱肋中段、拆除拱肋次中段、拆除中橫梁以及拆除系桿中段這6個施工工況計算的支座反力最大值分別為2958.5kN、2835.8kN、54.6kN、249.8kN、506.7kN以及507.5kN。其中,下部鋼管支撐最大的支反力是在拱肋中段拆除后,為916.1kN。支座反力以及臨時支撐反力均小于支座以及鋼管的承載力。拆除方案保證了支撐體系在整個拆橋過程中支撐體系的安全性。

2.5 鋼管支撐安全性分析

根據(jù)上文中的計算結(jié)果可知,拆除拱肋中段后鋼管底部反力為最大,故將這一工況進(jìn)行詳細(xì)分析。將上述結(jié)果反作用到一組臨時鋼管支撐上,加上鋼管自重,重新單獨(dú)計算鋼管支撐受力安全性。計算得到其最大反力值為910.5kN。單獨(dú)加載后,鋼管支撐反力與上述最大反力基本一致,并且在最不利受力工況下,最大變形為6.22mm,變形很小,能夠滿足施工安全性要求。根據(jù)Midas的計算結(jié)果,在最不利受力工況下,最大應(yīng)力為鋼管上面的分配梁,最大達(dá)到199.53MPa,小于鋼管的設(shè)計強(qiáng)度215MPa。計算結(jié)果得出在最不利受力工況下,支撐穩(wěn)定系數(shù)為43,在施工過程中滿足穩(wěn)定性要求。

2.6 拆除各工況穩(wěn)定性分析

本項目對拆除風(fēng)撐、拆除拱肋中段、拆除拱肋次中段、拆除中橫梁以及拆除系桿中段這五個計算穩(wěn)定性工況進(jìn)行詳細(xì)分析。計算中先假定不設(shè)置風(fēng)纜進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析。

2.6.1拆除風(fēng)撐后穩(wěn)定性分析計算

(1)不加風(fēng)荷載時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

本階段拆除三道風(fēng)撐。從圖2的計算結(jié)果可以看出,拆除風(fēng)撐后,結(jié)構(gòu)一階振型是拱肋沿橋橫向左右擺動,這符合本工程特點(diǎn),臨界荷載系數(shù)為26.96,滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

圖2 拆除風(fēng)撐后穩(wěn)定性分析結(jié)果圖

(2)加風(fēng)荷載時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

此工況增加考慮風(fēng)荷載,取揚(yáng)州地區(qū)基本風(fēng)壓W0=0.25kPa;計算高度取水面以上20m,地面粗糙度選C級,計算得風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.0kPa,此種工況風(fēng)荷載為主要可變荷載,故風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.4kPa;考慮到拱肋高度為1.3m,施加拱肋單元水平荷載為1.4×1.3=1.82kN/m,如圖4所示。

圖3及圖4分別為拆除風(fēng)撐后穩(wěn)定性分析風(fēng)荷載布置圖以及拆除風(fēng)撐后穩(wěn)定分析圖。從圖5中可以看出,由于所加風(fēng)荷載為1.82kN/m,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響很小,僅水平變形略有增加,由0.2645mm增大至0.2652mm,臨界荷載系數(shù)計算結(jié)果仍為26.96,若再加上設(shè)置風(fēng)纜,施工過程穩(wěn)定性更為安全。

圖3 拆除風(fēng)撐后穩(wěn)定性分析風(fēng)荷載布置圖

圖4 拆除風(fēng)撐后穩(wěn)定性分析(加風(fēng)荷載)

圖5 風(fēng)纜布置示意圖

2.6.2拆除拱肋中段后穩(wěn)定性分析計算

本階段拆除拱肋中段,拆除所有吊桿,拆除拱肋中段、所有吊桿后,結(jié)構(gòu)一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結(jié)構(gòu)剩余穩(wěn)定性高于橋下支撐穩(wěn)定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數(shù)為47.8,滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2.6.3拆除拱肋次中段后穩(wěn)定性分析計算

本階段拆除拱肋次中段,拆除橋面臨時鋼管支撐。拆除拱肋次中段、橋面臨時鋼管支撐,結(jié)構(gòu)一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結(jié)構(gòu)剩余穩(wěn)定性高于橋下支撐穩(wěn)定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數(shù)為62.0,滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2.6.4拆除中橫梁后穩(wěn)定性分析計算

本階段拆除所有中橫梁,中系桿兩側(cè)各保留一根中橫梁。拆除所有中橫梁后(中系桿兩側(cè)各保留一根中橫梁),結(jié)構(gòu)一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結(jié)構(gòu)剩余穩(wěn)定性高于橋下支撐穩(wěn)定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數(shù)為104.9,此結(jié)果符合預(yù)期,因為支撐所受荷載降低了,穩(wěn)定性系數(shù)提高,滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2.6.5拆除系桿中段后穩(wěn)定性分析計算

本階段拆除系桿中段。拆除系桿中段后,結(jié)構(gòu)一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結(jié)構(gòu)剩余穩(wěn)定性高于橋下支撐穩(wěn)定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數(shù)為95.98,此結(jié)果符合預(yù)期,因為支撐所受荷載降低了,穩(wěn)定性系數(shù)提高,滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2.6.6穩(wěn)定性分析計算總結(jié)

如上所述,計算上假定沒有設(shè)置風(fēng)纜,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足拆除施工安全性要求,但在實際施工中還是需要設(shè)置風(fēng)纜,風(fēng)纜設(shè)置共計8根,設(shè)置如圖5所示。纜風(fēng)繩的初拉力指結(jié)構(gòu)在沒有工作時纜風(fēng)繩預(yù)先拉緊的力。初拉力取工作拉力的15%～20%,或按操作慣例取某一數(shù)值,通常為3～5t。風(fēng)纜在拆除風(fēng)撐前布設(shè)到位,拆除拱肋次中段時,先掛好吊裝用鋼絲繩,浮吊船吊鉤加力后拆除相應(yīng)拱肋次中段上的風(fēng)纜,然后進(jìn)行切割拆除,如此循環(huán)拆除所有拱肋次中段。

3 結(jié)論

為了保障捍海大橋老橋拆除施工過程中的安全性,采用了有限元軟件Midas Civil對拆除進(jìn)行了全過程計算分析,包括確定計算工況、拆除橋面系及行車道板后結(jié)構(gòu)計算、拆除拱肋中段后結(jié)構(gòu)計算、拆除過程中支座以及鋼管支撐的最大反力以及鋼管支撐的安全性分析,最后分別對拆除風(fēng)撐、拆除拱肋中段、拆除拱肋次中段、拆除中橫梁以及拆除系桿中段后的穩(wěn)定性進(jìn)行計算。計算結(jié)果表明,在施工過程中的穩(wěn)定性均能滿足安全性要求。最終,按照此拆橋方案成功了進(jìn)行捍海大橋下承式拱橋的拆除,并以期以后對類似橋梁的拆除提供指導(dǎo)。