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

(江蘇瑞沃建設集團有限公司 揚州市 225699)

0 引言

經濟的發展使得原有交通不能滿足現在的使用要求,不管是城市跨線橋或者是跨水橋,在經過長時間的服役之后,不僅出現了許多病害,而且已經不能滿足車流量或航運的要求,需要進行拆除重建[1-2]。國內已經有許多成功將大橋拆除的案例,在拆除過程中也運用了許多不同的方法,同時也采用了許多有限元技術輔助拆橋的過程分析。姚正斐[3]對使用了爆破、靜態破碎、機械破碎以及靜力切割進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力以及位移進行分析,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行模擬,得出在拆橋過程中主梁的最大拉應力以及最大壓應力均小于混凝土的抗拉強度,輔助了橋梁的拆除。周奎[6]等采用ANSYS LS-DYAN軟件對鋼桁架結構橋梁進行爆破拆除過程的連續仿真模擬,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應力混凝土下承式三角形桁架T構梁橋按照既定的拆除順序進行桁架上弦稈及腹桿的內力分析,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]介紹了采用數值模擬分析國內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過程的共節點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進行有限元分析,對原有既定的拆除方案的安全性進行了驗證,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,橋寬17m,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、風撐均采用預制安裝。兩側引橋采用25m后張法板預應力混凝土空心板。鉆孔灌注樁基礎。此次通揚線高郵段航道整治,全線要求達到Ⅲ級航道標準,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。主要包括施工準備、拆除橋面系、浮吊船的布置、節段切割以及節段的吊運。施工準備的主要工作是完成防傾覆安全措施,具體包括風纜外錨點設置、浮吊船錨墩設置、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格選擇;節段切割主要采用金剛繩繩鋸切割拆除,節段吊運主要為拱肋、系桿、橫梁以及風撐拆除完成之后的吊運。

2 捍海大橋老橋拆除計算分析

2.1 計算方案

系桿拱橋上部結構拆除采用施工過程的逆順序進行,整體結構的安全性符合施工要求,計算對象為臨時支撐結構的安全性。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構拆除完成,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件的受力情況:(1)拆除橋面板;(2)加上臨時支撐后;(3)拆除風撐;(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件的安全性存在一定隱患,需要進行每一構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構計算

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力,拱圈最大壓應力為8.1MPa,系桿最大壓應力為17.9MPa,均小于C50混凝土抗壓強度標準值32.4MPa。

2.3.2拆除拱肋中段后結構計算

拆除拱肋中段后,結構體系發生轉變,由原來的系桿拱結構轉變為下多點支撐連續梁結構。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,最大彎矩出現在橋下鋼管支撐截面位置,此時系桿最大的組合應力為24.7MPa,小于C50混凝土抗壓強度標準值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,結構整體剛度富余度較大,結構較安全。結構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

根據上文中的計算結果可知,拆除拱肋中段后鋼管底部反力為最大,故將這一工況進行詳細分析。將上述結果反作用到一組臨時鋼管支撐上,加上鋼管自重,重新單獨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Midas的計算結果,在最不利受力工況下,最大應力為鋼管上面的分配梁,最大達到199.53MPa,小于鋼管的設計強度215MPa。計算結果得出在最不利受力工況下,支撐穩定系數為43,在施工過程中滿足穩定性要求。

2.6 拆除各工況穩定性分析

本項目對拆除風撐、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定性工況進行詳細分析。計算中先假定不設置風纜進行穩定性計算分析。

2.6.1拆除風撐后穩定性分析計算

(1)不加風荷載時結構穩定性

本階段拆除三道風撐。從圖2的計算結果可以看出,拆除風撐后,結構一階振型是拱肋沿橋橫向左右擺動,這符合本工程特點,臨界荷載系數為26.96,滿足結構穩定性要求。

圖2 拆除風撐后穩定性分析結果圖

(2)加風荷載時結構穩定性

此工況增加考慮風荷載,取揚州地區基本風壓W0=0.25kPa;計算高度取水面以上20m,地面粗糙度選C級,計算得風荷載標準值為1.0kPa,此種工況風荷載為主要可變荷載,故風荷載標準值為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分別為拆除風撐后穩定性分析風荷載布置圖以及拆除風撐后穩定分析圖。從圖5中可以看出,由于所加風荷載為1.82kN/m,對結構穩定性影響很小,僅水平變形略有增加,由0.2645mm增大至0.2652mm,臨界荷載系數計算結果仍為26.96,若再加上設置風纜,施工過程穩定性更為安全。

圖3 拆除風撐后穩定性分析風荷載布置圖

圖4 拆除風撐后穩定性分析(加風荷載)

圖5 風纜布置示意圖

2.6.2拆除拱肋中段后穩定性分析計算

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,結構一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結構剩余穩定性高于橋下支撐穩定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數為47.8,滿足結構穩定性要求。

2.6.3拆除拱肋次中段后穩定性分析計算

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,結構一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結構剩余穩定性高于橋下支撐穩定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數為62.0,滿足結構穩定性要求。

2.6.4拆除中橫梁后穩定性分析計算

本階段拆除所有中橫梁,中系桿兩側各保留一根中橫梁。拆除所有中橫梁后(中系桿兩側各保留一根中橫梁),結構一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結構剩余穩定性高于橋下支撐穩定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數為104.9,此結果符合預期,因為支撐所受荷載降低了,穩定性系數提高,滿足結構穩定性要求。

2.6.5拆除系桿中段后穩定性分析計算

本階段拆除系桿中段。拆除系桿中段后,結構一階振型是橋下鋼管支撐沿橋縱向左右擺動,說明拱結構剩余穩定性高于橋下支撐穩定性,橋下臨時鋼管支撐臨界荷載系數為95.98,此結果符合預期,因為支撐所受荷載降低了,穩定性系數提高,滿足結構穩定性要求。

2.6.6穩定性分析計算總結

如上所述,計算上假定沒有設置風纜,結構穩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置風纜,風纜設置共計8根,設置如圖5所示。纜風繩的初拉力指結構在沒有工作時纜風繩預先拉緊的力。初拉力取工作拉力的15%～20%,或按操作慣例取某一數值,通常為3～5t。風纜在拆除風撐前布設到位,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拱肋次中段上的風纜,然后進行切割拆除,如此循環拆除所有拱肋次中段。

3 結論

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構計算、拆除拱肋中段后結構計算、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定性進行計算。計算結果表明,在施工過程中的穩定性均能滿足安全性要求。最終,按照此拆橋方案成功了進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。