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號橋改擴建工程為例，采用逆向頂推技術拆除既有框架橋。為了研究拆除既有下穿式框架橋頂出過程中框架橋自身及土體應力-應變的變化規律，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，并進行了數值分析研究，根據實際頂推拆除施工中框架橋兩側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。研究結果表明，三種工況的頂推力-位移曲線均可以分成兩個階段，在第一階段末靜摩擦力轉為滑動摩擦力時，頂推力到達最大值；頂出過程中框架橋底部的應力分布近似于正態分布，應力隨路基挖土厚度的增大而減小；路基挖土厚度的增大可以降低框架橋側面的土壓力，有效減小路基在頂推過程中的變形；在整個頂推過程中，框架橋體的最大應力、應變小于結構體的混凝土的極限應力、應變。相比傳統的人工拆除、機械拆除和繩鋸法，這種頂出拆除的方法具有經濟、安全和社會效益高的優勢，值得借鑒和推廣使用。

關鍵詞 既有框架橋；頂出施工；挖土厚度；頂推力；應力；應變

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0135-03

0 引言

隨著我國經濟社會的快速發展，部分交通基礎設施建設年代久遠，很多老舊橋涵已不能滿足日益增長的交通需求，對既有橋梁進行加固或改擴建較為常見，因此如何安全、可靠、經濟地進行橋梁拆除成為需要解決的重點問題[1]。以往橋梁拆除較多為機械爆破拆除，即采取機械破碎、繩鋸等方式將橋梁結構拆解后吊裝，運至存放地[2]。機械破碎和爆破拆除方法危險性大，對環境污染、居民生活等影響較大，在安全、環保要求較高的地區往往不適用。繩鋸法可以避免以上問題，但往往會因為機器無法放平、鋼絲繩生銹、接頭型號不匹配等問題引起短繩、噪聲，存在安全隱患等現象，施工安全難以得到保證[3]。依據新建框架橋的頂進施工方法[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。為了保證在頂出過程中保障拆除方案的可行性和安全性，在頂推接觸點的框架橋混凝土和計算應力最大點混凝土框架橋處布置應力-應變測試點，以監測應力-應變在頂推過程中混凝土應力-應變的變化規律，以此為依據確定最佳施力點、千斤頂的個數，以及頂推力的加載速度等方案[5]。頂出過程相當于頂進的逆過程，為確保安全，其頂推的方案、方向和高程控制等應采用不低于頂進施工的標準[6]。考慮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、水文等工程現場情況，利用有限元法對頂出施工過程進行數值分析，可以更方便地進行參數優化及方案比選。另外，隨著頂推時間的延長，框架橋結構本身可能會產生不均勻下沉、開裂等一系列問題。因此，在框架橋結構頂出施工過程中，對框架橋結構進行有限元的分析、控制和監測十分必要。

1 工程概況

以紹興市越城區正平村蕭甬鐵路既有73號橋拆除工程為研究背景，結合數值分析方法開展不同工況下的舊框架橋在頂出過程中，其本身與周圍土體受力及變形的研究。73號橋既有框架橋為單箱單室框架橋，箱體由南北兩個長度分別為5 m和5.5 m框架橋組成，框架橋寬度為9.2 m，高度為6.2 m，箱身側板厚度為60 cm，頂板厚度為55 cm，底板厚度為65 cm，頂底板主筋為φ25的HRB335級鋼筋，框架橋主體采用C30混凝土。經工程地質初步勘察得知，既有框架橋邊側路基土體為粉質黏土，底部土體為黏土。為了保障上部既有鐵路的減速運行，需在頂出舊框架橋的同時架設施工便梁。由于既有框架橋在頂出時會使周圍土體產生應力和變形，從而間接改變便梁的支撐位置，在上部列車荷載的作用下將對便梁產生較大的變形，從而導致工程事故的發生，所以有必要對既有框架橋頂出過程中的土體進行分析，其試驗及工藝流程如下：線路防護—框架橋清淤、后背梁施工—附屬結構拆除—框架橋卸荷—粘貼應變片—既有框架橋頂出施工—讀取應變儀的讀數—既有框架橋拆除—應力、應變分析研究—有限元分析研究—結論。

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，兩者主要通過接觸對傳遞切向和法向應力，因而兩者之間的接觸采用通用接觸；采用法函數計算切向，摩擦系數根據現場勘測報告提供的數據，框架橋底部與土體的摩擦系數取0.36，框架橋側面與土體的摩擦系數取0.24；為了確保框架橋與土體之間產生穿透行為，法向采用硬接觸。

混凝土本構模型采用ABAQUS有限元軟件中提供的混凝土塑性損傷模型（Concrete damage plasticity）進行模擬，通過單軸拉伸和壓縮的應力-應變曲線及損傷參數定義，混凝土強度則采用實際鉆心取樣試件的抗壓試驗結果。

框架橋頂出數值分析分成兩步：（1）框架橋自重對下部土體的擠壓，在模擬中通過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行施加；（2）頂出框架橋，在模擬中通過在框架橋底板施加頂出方向10.5 m的邊界條件進行實現。有限元分析時考慮現場實際路基的挖土情況，分別考慮了三種不同的工況，工況1為框架橋側邊不挖土，工況2為框架橋側邊路基挖土厚度為1 m，工況3為框架橋側路基挖土厚度為2 m。

3 有限元分析結果

三種工況的頂推力-位移曲線的走勢大致相同，整個頂出過程分成兩個階段：第一階段為頂推力開始施加至框架橋即將移動，第二階段為框架橋開始移動到框架橋頂出完畢，見圖1所示。在第一階段初期，隨著頂推力的增大，框架橋并沒有出現明顯的位移，而較小的位移可能是在施加力的過程中，框架橋混凝土產生的彈性變形所致。直到第一階段的末尾，頂推力-位移曲線出現峰值，隨之頂推力又出現急劇下降段，但下降幅度并不是很大，參見圖1所示。這種現象發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，當頂推力克服靜摩擦力后，靜摩擦力轉變成滑動摩擦力，框架橋便突然往前移動，而由于滑動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行對比，發現工況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定，頂推力所需克服的滑動摩擦力包括兩部分，分別為框架橋與底部土體和側邊土體的滑動摩擦力。出現少量下降的原因可能是隨著框架橋的頂出，其側邊與混凝土的接觸面積逐漸減小，因此滑動摩擦力也出現少量的削減，所需的頂推力也隨之降低。

圖1 頂推力-位移關系

考慮三種不同工況在第一階段末尾框架橋的Mises應力圖，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，框架橋頂底板的應力明顯大于側板，但此時框架橋混凝土應力最大值并沒有超過3 MPa，遠小于混凝土的實測強度值，混凝土不會發生破壞。另外，由圖2可知框架橋頂底板的應力均呈現出中間大、兩側小的現象，且由于頂推力施加在底板上，此現象在底板上尤為明顯。為了更加細致地研究框架橋的應力分布情況，提取三種工況下的框架橋底板中部沿寬度方向的應力，參見圖2。由圖2得知三種工況下框架橋底部的應力分布近似于正態分布，且工況2、工況3中框架橋底板的應力都略小于工況1，這表明隨著框架橋兩側路基挖土厚度的增大，在頂推力達到峰值時框架橋底板的應力將有所減小，混凝土更不容易發生開裂現象。圖3為三種工況土體在三個位置處選取的采樣點的應力情況。由圖4可以看出，三種工況中側邊路基土體應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，三個部位同一高度點的應力均有所減小。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面的土壓力，相應地在頂出過程中，框架橋側面與土體的摩擦力也隨之減小。

由計算結果得知，路基土體在框架橋頂出至末尾時出現了最大的變形量，為此分別提取此時土體在端部、中部、尾部的變形量。由三個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生坍塌，應對上部土體進行加固處理。對比三種工況的土體變形情況，可以發現工況1的最大變形達到了119.22 mm，明顯大于其他兩種工況，這說明路基挖土可以大幅度減小路基在頂推過程中的變形量，如圖5所示：

通過對有限元分析得到的頂推力-位移關系曲線、框架橋應力云圖及土體應力云圖等進行分析，可知：

（1）三種頂出工況的頂推力-位移曲線的走勢大致相同，整個頂出過程分成兩個階段，在靜摩擦力轉變成滑動摩擦力時，頂推力出現最大值。

（2）在整個頂出過程中，框架橋底部的應力分布近似于正態分布，隨著框架橋兩側挖土厚度的增大，在頂推力達到峰值時，框架橋底板上的應力將有所減小，混凝土開裂的可能性降低。

（3）三種工況下側邊路基土體應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，三個部位同一高度的應力和變形均有所減小。

（4）在整個頂出過程中，框架橋體的應力-應變均小于結構混凝土的極限值，橋體混凝土不會出現開裂現象。

4 結束語

采用頂出拆除法作為改擴建工程的前期工作，工程進展順利可靠。如需進一步減小頂推力，可以考慮在框架橋兩側注漿以減小摩擦力。另外，滑床板可以根據實際的地質情況，采用不加固、臨時填碎石加固或旋噴樁加固等措施，保障頂推滑行穩定。在頂出過程中，頂推方向和高程方向的控制標準，應采用不低于頂進施工的控制標準。通過不斷地改進和優化，形成企業級工法和省級工法。因此，頂出拆除法可推廣應用至上海鐵路局乃至全國類似的拆除工程中。

參考文獻

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