拆除下穿既有鐵路框架橋施工有限元分析研究

摘要 以上海局蕭甬鐵路73號(hào)橋改擴(kuò)建工程為例，采用逆向頂推技術(shù)拆除既有框架橋。為了研究拆除既有下穿式框架橋頂出過(guò)程中框架橋自身及土體應(yīng)力-應(yīng)變的變化規(guī)律，文章采用ABAQUS有限元軟件建立了依托工程框架橋與土體的三維模型，并進(jìn)行了數(shù)值分析研究，根據(jù)實(shí)際頂推拆除施工中框架橋兩側(cè)路基挖土厚度的變化情況，模擬了挖土厚度分別為0 m、1 m、2 m的三種框架橋頂出工況。研究結(jié)果表明，三種工況的頂推力-位移曲線均可以分成兩個(gè)階段，在第一階段末靜摩擦力轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦力時(shí)，頂推力到達(dá)最大值；頂出過(guò)程中框架橋底部的應(yīng)力分布近似于正態(tài)分布，應(yīng)力隨路基挖土厚度的增大而減?。宦坊谕梁穸鹊脑龃罂梢越档涂蚣軜騻?cè)面的土壓力，有效減小路基在頂推過(guò)程中的變形；在整個(gè)頂推過(guò)程中，框架橋體的最大應(yīng)力、應(yīng)變小于結(jié)構(gòu)體的混凝土的極限應(yīng)力、應(yīng)變。相比傳統(tǒng)的人工拆除、機(jī)械拆除和繩鋸法，這種頂出拆除的方法具有經(jīng)濟(jì)、安全和社會(huì)效益高的優(yōu)勢(shì)，值得借鑒和推廣使用。

關(guān)鍵詞 既有框架橋；頂出施工；挖土厚度；頂推力；應(yīng)力；應(yīng)變

中圖分類(lèi)號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0135-03

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，部分交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)年代久遠(yuǎn)，很多老舊橋涵已不能滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，對(duì)既有橋梁進(jìn)行加固或改擴(kuò)建較為常見(jiàn)，因此如何安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行橋梁拆除成為需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題[1]。以往橋梁拆除較多為機(jī)械爆破拆除，即采取機(jī)械破碎、繩鋸等方式將橋梁結(jié)構(gòu)拆解后吊裝，運(yùn)至存放地[2]。機(jī)械破碎和爆破拆除方法危險(xiǎn)性大，對(duì)環(huán)境污染、居民生活等影響較大，在安全、環(huán)保要求較高的地區(qū)往往不適用。繩鋸法可以避免以上問(wèn)題，但往往會(huì)因?yàn)闄C(jī)器無(wú)法放平、鋼絲繩生銹、接頭型號(hào)不匹配等問(wèn)題引起短繩、噪聲，存在安全隱患等現(xiàn)象，施工安全難以得到保證[3]。依據(jù)新建框架橋的頂進(jìn)施工方法[4]，提出了一種適用于老框架橋的拆除方法——頂出拆除施工方法。為了保證在頂出過(guò)程中保障拆除方案的可行性和安全性，在頂推接觸點(diǎn)的框架橋混凝土和計(jì)算應(yīng)力最大點(diǎn)混凝土框架橋處布置應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變?cè)陧斖七^(guò)程中混凝土應(yīng)力-應(yīng)變的變化規(guī)律，以此為依據(jù)確定最佳施力點(diǎn)、千斤頂?shù)膫€(gè)數(shù)，以及頂推力的加載速度等方案[5]。頂出過(guò)程相當(dāng)于頂進(jìn)的逆過(guò)程，為確保安全，其頂推的方案、方向和高程控制等應(yīng)采用不低于頂進(jìn)施工的標(biāo)準(zhǔn)[6]?？紤]框架橋混凝土的老化、承受著與新框架橋完全不同的荷載、地質(zhì)、水文等工程現(xiàn)場(chǎng)情況，利用有限元法對(duì)頂出施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，可以更方便地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化及方案比選。另外，隨著頂推時(shí)間的延長(zhǎng)，框架橋結(jié)構(gòu)本身可能會(huì)產(chǎn)生不均勻下沉、開(kāi)裂等一系列問(wèn)題。因此，在框架橋結(jié)構(gòu)頂出施工過(guò)程中，對(duì)框架橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元的分析、控制和監(jiān)測(cè)十分必要。

1 工程概況

以紹興市越城區(qū)正平村蕭甬鐵路既有73號(hào)橋拆除工程為研究背景，結(jié)合數(shù)值分析方法開(kāi)展不同工況下的舊框架橋在頂出過(guò)程中，其本身與周?chē)馏w受力及變形的研究。73號(hào)橋既有框架橋?yàn)閱蜗鋯问铱蚣軜?，箱體由南北兩個(gè)長(zhǎng)度分別為5 m和5.5 m框架橋組成，框架橋?qū)挾葹?.2 m，高度為6.2 m，箱身側(cè)板厚度為60 cm，頂板厚度為55 cm，底板厚度為65 cm，頂?shù)装逯鹘顬棣?5的HRB335級(jí)鋼筋，框架橋主體采用C30混凝土。經(jīng)工程地質(zhì)初步勘察得知，既有框架橋邊側(cè)路基土體為粉質(zhì)黏土，底部土體為黏土。為了保障上部既有鐵路的減速運(yùn)行，需在頂出舊框架橋的同時(shí)架設(shè)施工便梁。由于既有框架橋在頂出時(shí)會(huì)使周?chē)馏w產(chǎn)生應(yīng)力和變形，從而間接改變便梁的支撐位置，在上部列車(chē)荷載的作用下將對(duì)便梁產(chǎn)生較大的變形，從而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生，所以有必要對(duì)既有框架橋頂出過(guò)程中的土體進(jìn)行分析，其試驗(yàn)及工藝流程如下：線路防護(hù)—框架橋清淤、后背梁施工—附屬結(jié)構(gòu)拆除—框架橋卸荷—粘貼應(yīng)變片—既有框架橋頂出施工—讀取應(yīng)變儀的讀數(shù)—既有框架橋拆除—應(yīng)力、應(yīng)變分析研究—有限元分析研究—結(jié)論。

2 有限元模型建立

有限元分析中主要考慮的是土體與既有框架橋周邊土體的接觸分析，兩者主要通過(guò)接觸對(duì)傳遞切向和法向應(yīng)力，因而兩者之間的接觸采用通用接觸；采用法函數(shù)計(jì)算切向，摩擦系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，框架橋底部與土體的摩擦系數(shù)取0.36，框架橋側(cè)面與土體的摩擦系數(shù)取0.24；為了確保框架橋與土體之間產(chǎn)生穿透行為，法向采用硬接觸。

混凝土本構(gòu)模型采用ABAQUS有限元軟件中提供的混凝土塑性損傷模型（Concrete damage plasticity）進(jìn)行模擬，通過(guò)單軸拉伸和壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及損傷參數(shù)定義，混凝土強(qiáng)度則采用實(shí)際鉆心取樣試件的抗壓試驗(yàn)結(jié)果。

框架橋頂出數(shù)值分析分成兩步：（1）框架橋自重對(duì)下部土體的擠壓，在模擬中通過(guò)指定鋼筋混凝土的密度、定義靜力加載步，并施加重力加速度的方式進(jìn)行施加；（2）頂出框架橋，在模擬中通過(guò)在框架橋底板施加頂出方向10.5 m的邊界條件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。有限元分析時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際路基的挖土情況，分別考慮了三種不同的工況，工況1為框架橋側(cè)邊不挖土，工況2為框架橋側(cè)邊路基挖土厚度為1 m，工況3為框架橋側(cè)路基挖土厚度為2 m。

3 有限元分析結(jié)果

三種工況的頂推力-位移曲線的走勢(shì)大致相同，整個(gè)頂出過(guò)程分成兩個(gè)階段：第一階段為頂推力開(kāi)始施加至框架橋即將移動(dòng)，第二階段為框架橋開(kāi)始移動(dòng)到框架橋頂出完畢，見(jiàn)圖1所示。在第一階段初期，隨著頂推力的增大，框架橋并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的位移，而較小的位移可能是在施加力的過(guò)程中，框架橋混凝土產(chǎn)生的彈性變形所致。直到第一階段的末尾，頂推力-位移曲線出現(xiàn)峰值，隨之頂推力又出現(xiàn)急劇下降段，但下降幅度并不是很大，參見(jiàn)圖1所示。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因是在框架橋頂推之初，其表面與混凝土之間只存在靜摩擦力，當(dāng)頂推力克服靜摩擦力后，靜摩擦力轉(zhuǎn)變成滑動(dòng)摩擦力，框架橋便突然往前移動(dòng)，而由于滑動(dòng)摩擦力比靜摩擦力小，頂推力值隨之下降，框架橋前移速度也將隨之減小。選取三種工況的頂推力峰值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)工況1的頂推力值（2 811.81 kN）大于工況2（2 577.51 kN），工況2的頂推力值大于工況3（2 361.03 kN），表明路基挖土厚度越大，所需的頂推力值越小。在第二階段，頂推力值的變化基本趨于穩(wěn)定，頂推力所需克服的滑動(dòng)摩擦力包括兩部分，分別為框架橋與底部土體和側(cè)邊土體的滑動(dòng)摩擦力。出現(xiàn)少量下降的原因可能是隨著框架橋的頂出，其側(cè)邊與混凝土的接觸面積逐漸減小，因此滑動(dòng)摩擦力也出現(xiàn)少量的削減，所需的頂推力也隨之降低。

圖1 頂推力-位移關(guān)系

考慮三種不同工況在第一階段末尾框架橋的Mises應(yīng)力圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，在考慮重力和頂推力共同作用的情況下，框架橋頂?shù)装宓膽?yīng)力明顯大于側(cè)板，但此時(shí)框架橋混凝土應(yīng)力最大值并沒(méi)有超過(guò)3 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度值，混凝土不會(huì)發(fā)生破壞。另外，由圖2可知框架橋頂?shù)装宓膽?yīng)力均呈現(xiàn)出中間大、兩側(cè)小的現(xiàn)象，且由于頂推力施加在底板上，此現(xiàn)象在底板上尤為明顯。為了更加細(xì)致地研究框架橋的應(yīng)力分布情況，提取三種工況下的框架橋底板中部沿寬度方向的應(yīng)力，參見(jiàn)圖2。由圖2得知三種工況下框架橋底部的應(yīng)力分布近似于正態(tài)分布，且工況2、工況3中框架橋底板的應(yīng)力都略小于工況1，這表明隨著框架橋兩側(cè)路基挖土厚度的增大，在頂推力達(dá)到峰值時(shí)框架橋底板的應(yīng)力將有所減小，混凝土更不容易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。圖3為三種工況土體在三個(gè)位置處選取的采樣點(diǎn)的應(yīng)力情況。由圖4可以看出，三種工況中側(cè)邊路基土體應(yīng)力均隨著高度的增大而逐漸減小，且隨著路基挖土厚度的增大，三個(gè)部位同一高度點(diǎn)的應(yīng)力均有所減小。由此可以得知，路基挖土厚度的增大可以有效減小框架橋側(cè)面的土壓力，相應(yīng)地在頂出過(guò)程中，框架橋側(cè)面與土體的摩擦力也隨之減小。

由計(jì)算結(jié)果得知，路基土體在框架橋頂出至末尾時(shí)出現(xiàn)了最大的變形量，為此分別提取此時(shí)土體在端部、中部、尾部的變形量。由三個(gè)部位的變形圖可看出，上部土體的變形大于下部土體，土體可能在上部先發(fā)生坍塌，應(yīng)對(duì)上部土體進(jìn)行加固處理。對(duì)比三種工況的土體變形情況，可以發(fā)現(xiàn)工況1的最大變形達(dá)到了119.22 mm，明顯大于其他兩種工況，這說(shuō)明路基挖土可以大幅度減小路基在頂推過(guò)程中的變形量，如圖5所示：

通過(guò)對(duì)有限元分析得到的頂推力-位移關(guān)系曲線、框架橋應(yīng)力云圖及土體應(yīng)力云圖等進(jìn)行分析，可知：

（1）三種頂出工況的頂推力-位移曲線的走勢(shì)大致相同，整個(gè)頂出過(guò)程分成兩個(gè)階段，在靜摩擦力轉(zhuǎn)變成滑動(dòng)摩擦力時(shí)，頂推力出現(xiàn)最大值。

（2）在整個(gè)頂出過(guò)程中，框架橋底部的應(yīng)力分布近似于正態(tài)分布，隨著框架橋兩側(cè)挖土厚度的增大，在頂推力達(dá)到峰值時(shí)，框架橋底板上的應(yīng)力將有所減小，混凝土開(kāi)裂的可能性降低。

（3）三種工況下側(cè)邊路基土體應(yīng)力均隨著高度的增大而逐漸減小，且隨著路基挖土厚度的增大，三個(gè)部位同一高度的應(yīng)力和變形均有所減小。

（4）在整個(gè)頂出過(guò)程中，框架橋體的應(yīng)力-應(yīng)變均小于結(jié)構(gòu)混凝土的極限值，橋體混凝土不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用頂出拆除法作為改擴(kuò)建工程的前期工作，工程進(jìn)展順利可靠。如需進(jìn)一步減小頂推力，可以考慮在框架橋兩側(cè)注漿以減小摩擦力。另外，滑床板可以根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況，采用不加固、臨時(shí)填碎石加固或旋噴樁加固等措施，保障頂推滑行穩(wěn)定。在頂出過(guò)程中，頂推方向和高程方向的控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采用不低于頂進(jìn)施工的控制標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，形成企業(yè)級(jí)工法和省級(jí)工法。因此，頂出拆除法可推廣應(yīng)用至上海鐵路局乃至全國(guó)類(lèi)似的拆除工程中。

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