基于MIDAS的等效剛度法在拆橋模擬中的應(yīng)用

王步高 王衛(wèi)鋒

隨著我國交通的快速發(fā)展,原有橋梁的凈空已不能滿足通航的要求,且部分橋梁存在較為嚴(yán)重的病害,因此需要對(duì)這些橋梁進(jìn)行拆除。目前在橋梁拆除方面還沒有專門規(guī)范指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)可借鑒,拆除方法還很不系統(tǒng)、完善,處于起步階段。舊橋經(jīng)過多年的運(yùn)營,其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都有不同程度的下降,結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜;拆除時(shí)不可預(yù)見因素多,確保結(jié)構(gòu)、人員、設(shè)備安全難度大、要求更高。可見,舊橋拆除比新建橋梁具有更多未知因素、更加危險(xiǎn)。在拆除施工過程中,連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過多次體系轉(zhuǎn)換,主梁的內(nèi)力狀態(tài)隨工況進(jìn)行改變。特別是將某一跨完全拆除時(shí)內(nèi)力突然釋放,會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊力,造成彈性振動(dòng)危及結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定。因此,對(duì)橋梁拆除過程進(jìn)行受力分析是很有必要的。本文以一座需要拆除的鋼筋混凝土連續(xù)梁橋作為工程背景,運(yùn)用有限元軟件MIDAS對(duì)其進(jìn)行拆橋過程的模擬;在分析過程中,采用等效剛度法模擬箱梁各部分的拆除。

1 工程概況

該橋是一座21孔的普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋,每孔跨徑20 m,橋面布置為:9 m行車道+2×0.4 m防撞墻+2×1.25 m人行道+2×0.2 m欄桿,全寬12.7 m。

根據(jù)該橋的實(shí)際情況,采用金剛石繩鋸切割的拆除方法。縱橋向拆除順序和箱梁橫向拆除順序如下。

1.1 縱橋向拆除順序

橋梁縱向拆除順序?yàn)?同時(shí)拆除第5跨和第11跨→同時(shí)拆除第6跨和第12跨→拆除第17跨→拆除第18跨。支座處每次預(yù)留長度1 m,以保證結(jié)構(gòu)安全。

1.2 箱梁橫向拆除順序

箱梁橫向拆除順序?yàn)?拆除兩側(cè)翼板→拆除左室和右室→拆除中腹板。拆除箱梁的剖面分塊圖和切割面示意圖見圖1。

2 等效剛度法的應(yīng)用

由于有限元分析軟件MIDAS/CIVIL的局限性,因此在建模分析過程中采用等效剛度法模擬箱梁橫向的拆除。

2.1 等效剛度法的等效原則

箱形截面拆分圖和等效截面示意圖見圖2。

等效原則如下:1)在等效過程中,保證等效截面的總面積與箱形截面的面積一致,均為5.01 m2,則箱梁的質(zhì)量沒有發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)了自重的等效。2)保證等效截面對(duì)其中性軸的慣性矩與箱形截面對(duì)其中性軸的慣性矩一致,均為1.09 m4。3)保證等效截面的中性軸和箱形截面的中性軸在整個(gè)模型中的豎向Z坐標(biāo)值相等。4)等效截面是由五個(gè)單獨(dú)的矩形截面組成,即五個(gè)單元組成,各單獨(dú)單元的節(jié)點(diǎn)間通過剛臂連接起來,則原箱形截面承受的彎矩為這五個(gè)矩形截面承受的彎矩之和。

運(yùn)用等效截面之后,可以很方便地在施工階段中模擬拆掉翼板、箱梁和中腹板的過程。

2.2 等效剛度法在拆橋中的應(yīng)用

為了運(yùn)用MIDAS詳細(xì)模擬各部分的拆除過程,則采用等效剛度法,將一個(gè)箱梁?jiǎn)卧刃槲鍌€(gè)矩形截面單元,在拆除某一部分時(shí),只需將對(duì)應(yīng)的單元鈍化即可,這樣便能實(shí)現(xiàn)拆橋過程的細(xì)部模擬。

建立A,B和C三個(gè)模型,A模型中的所有截面均采用圖2中的箱形截面,B模型第5,6,11,12,17,18跨均采用圖2中的等效截面,C模型采用修改截面特性值(截面面積、慣性矩等)的方法模擬拆橋過程;A,B,C模型的其他參數(shù)則保持一致。

2.2.1 拆橋前A,B模型的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值對(duì)比

經(jīng)過有限元分析,A,B模型在開始拆橋前,在自重、二期鋪裝和收縮徐變荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況如表1所示。

經(jīng)過對(duì)比分析,在開始拆橋前,A,B模型各跨的彎矩最大值較為相近,相差百分比的最大值僅為-1.23%,滿足工程的精度要求。

2.2.2 拆橋完成后A,B模型的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值對(duì)比

A,B模型在第5,6,11,12,17,18跨拆除完成后,在自重、二期鋪裝和收縮徐變荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況如表2所示。

表1 開始拆橋前A,B模型的內(nèi)力情況比較

表2 六孔完全拆除后A,B模型的內(nèi)力情況比較

經(jīng)過對(duì)比分析,在拆橋完成后,A,B模型各跨的彎矩最大值非常相近,相差百分比的最大值僅為-0.1%,完全滿足工程的精度要求。

2.2.3 拆橋過程中B,C模型的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值對(duì)比

選擇一個(gè)拆除步驟進(jìn)行對(duì)比分析,在第5跨和第11跨的翼板拆除后,B,C模型在自重、二期鋪裝和收縮徐變荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況如表3所示。

表3 拆除過程中B,C模型的內(nèi)力情況比較

經(jīng)過對(duì)比分析,在拆橋過程中(只選了拆橋過程中的某一步),A,B模型各跨的彎矩最大值比較接近,相差百分比的最大值僅為-2.13%,滿足工程的精度要求。

3 結(jié)語

為了保證結(jié)構(gòu)在拆橋過程中的安全性,需要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力,則結(jié)構(gòu)在各種工況下的內(nèi)力值是求解的重點(diǎn)。對(duì)于該鋼筋混凝土連續(xù)梁橋,在開始拆橋前、六孔完全拆除后以及拆橋過程中這三種工況,分別采用本文中的等效剛度法進(jìn)行計(jì)算,得出其內(nèi)力結(jié)果均具有比較好的精度,滿足工程的要求。因此,等效剛度法在進(jìn)行拆橋的安全性分析中能起到不錯(cuò)的效果。但應(yīng)用等效剛度法時(shí),要注意遵循剛度等效原則,確保剛度等效的合理性。

[1]胡 永.5跨連拱橋保護(hù)性拆除方案設(shè)計(jì)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(9):39-43.

[2]衛(wèi) 星,李 俊,強(qiáng)士中.百年老橋拆梁過程的仿真分析[J].橋梁,2004(4):17-19.

[3]董 鋼.基于ANSYS的剪力墻等效剛度計(jì)算[J].山西建筑,2008,34(6):116-117.