有限元分析法在某立交橋拆除仿真中的應用

陳芙蓉

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來，橋梁拆除工程日漸增多，部分現有橋梁因不能滿足交通量的需求以及經過長期運營存在較為嚴重的病害，需要進行拆除。橋梁拆除過程中的不確定因素多、風險大，缺乏完善的、系統化的規范指導[1-2]。將有限元仿真計算和現代施工工法相結合，掌握拆除施工階段結構受力狀況，可以為橋梁拆除安全提供保障[3-4]。

本文以一座立交橋的拆除為背景，建立了可以較真實反映實際工程的有限元模型，實現各個拆除過程的仿真模擬，在此基礎上對拆除各施工階段結構受力變形情況進行了計算分析，為拆除施工的質量控制提供指導，為以后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

原立交橋為三路交叉，互通形式為半定向Y形，現要將其改為四路交叉，所以要將原立交橋拆除。該次研究僅以該立交橋中的一聯為對象，此聯跨一條高速公路，為減小拆除對原有交通的影響，降低施工難度，擬采用小塊切割法對上部結構進行拆除。即通過鋼管樁和貝雷梁搭設支架、金剛石線鋸切割機分段切割、大噸位吊機吊裝的方式拆除。

該聯橋的結構型式為跨徑（17+32+17）m的預應力混凝土變截面連續箱梁，曲率半徑為148.25m。主要截面屬性為跨中梁高1.3m，墩頂梁高2.25m，橋面寬9.0m，底板寬4.5m。拆除支架布置如圖1所示。

2 有限元模型的建立

為了了解在拆除過程中結構比較真實的應力位移分布情況，采用MIDAS/Civil建立包含主梁、橋墩和支架的整體模型，如圖2所示，對結構在拆除過程中受力進行有限元仿真分析。

（1）為了盡可能地符合實際橋梁結構，采用空間梁單元建立彎橋模型，考慮曲率對結構受力的影響，但是不計橋面縱坡和橫坡影響。綜合考慮下部支撐間距和切割線所在位置進行單元劃分，橋墩支座方向與該點處彎橋的切線方向一致。

（2）支架各個部件貝雷梁、貝雷梁橫向聯系、分配梁均采用梁單元進行模擬，貝雷梁上弦桿和下弦桿分別與相應的分配梁進行鉸接。

（3）上部結構和支架之間的相互作用通過引入虛擬梁來實現，虛擬梁的容重為0，只作為傳力的中介，與上方梁體相應的節點剛接，與下方相應的分配梁節點進行鉸接。

3 施工過程及仿真模擬

3.1 施工方案

圖1 支架立面和平面布置圖（單位：cm）

圖2 有限元模型示意圖

上部主梁拆除時，在支架搭設完成并做好防護措施后，為了減輕切割段梁體重量，先拆除整個橋面系和翼緣板，剩余的主梁結構在跨中位置切斷后用金剛石線鋸切割法分段先中跨后邊跨逐個拆除[5-7]，具體節段劃分情況如圖3所示。待上部箱梁拆除完畢后，再進行蓋梁、墩柱的拆除，最后清理現場完成拆除作業，施工工藝流程如圖4所示。

圖3 節段標號示意圖（單位：cm）

3.2 施工階段模擬

跨中切斷的模擬：在跨中位置建立10cm厚薄層梁單元，通過將該單元鈍化來模擬從跨中位置切斷，實現上部結構體系轉換過程。

梁段切除的模擬：通過鈍化相應的梁單元，實現施工時每一個梁塊被金剛石線鋸切割機從主梁上切除的過程。

梁段下放至支架的模擬：將被切割段梁體重量換算為均布荷載，激活并施加在下方對應分配梁上，進而傳遞到支架系統，實現被切割梁段下落至支架的過程。

圖4 拆除施工流程

梁段從支架移除的模擬：將上述均布荷載鈍化來模擬梁塊切下后移除至地面的過程，然后重復上述步驟進入下一梁塊的切除。

預應力筋的處理：在進行施工階段分析時，如果預應力鋼束分配的某一單元被鈍化，該預應力鋼束將失效，因此需要在每個拆除階段重新布置預應力鋼束，此時的張拉控制力應為截面上經過預應力損失后殘余的有效預應力。

4 數值仿真分析結果

通過對該聯拆除施工過程的空間仿真分析，可以得到拆除過程中上部結構及支架系統的應力位移變化情況。表1給出了主梁各拆除工況最大位移和應力，可以看出在整個拆除過程中，最大壓應力為13.25MPa，比C40混凝土的抗壓強度26.80MPa小，受壓滿足要求；最大拉應力1.93MPa，比C40混凝土的抗拉強度2.39MPa小，主梁在拆除過程中是安全的，不會被拉裂。

表1 主梁最大應力位移匯總表

拆除過程中荷載由橋墩和支架系統承受，但絕大部分還是作用于支架系統。各個施工階段下貝雷梁最大位移以及組合應力結果見表2。根據規范《鐵路混凝土梁支架法現澆施工技術規程》（TB 10110—2011），支架屬于受彎構件，其撓度最大值應不大于L/400（L為構件的跨度），對于該結構L/400=42.5mm，16Mn 最大容許應力[σ]=273MPa。從表2中可以看出，最不利施工階段發生在拆除7#塊和9#塊。拆除9#塊時，貝雷梁最大位移24.87mm，符合規范要求。拆除7#塊時，貝雷梁局部構件最大組合應力199.98MPa，符合規范要求。

表2 貝雷梁最大應力位移匯總表

從分析結果中可以看出，拆除方案是安全的。結構受力最不利工況為中跨和邊跨切斷施工階段，也正是橋梁結構體系發生變化的時候，因此在這兩個施工階段，需十分注意對主梁的應力進行實時監測，時刻注意檢查主梁裂縫的發展情況。

5 結語

通過建立包含主梁、橋墩和支架系統的整體模型，將有限元分析技術成功運用于該立交橋的拆除方案，取得了以下結論：

（1）仿真模擬可以較真實地反映在中跨和邊跨梁體切斷時，上部結構體系轉換產生的內力重分配，直觀地展現梁塊切割下落至貝雷梁以及從支架系統移除時各個支撐部件之間的空間傳力過程。

（2）通過有限元分析法便于研究結構體系的協同工作，以及梁段拆除退化對體系受力性能的影響，進而確定各個施工工況下支架的位置以及標高，防止支架系統受力過于集中，保證支架系統穩定性。

（3）將有限元分析法應用于舊橋拆除中，能夠確保拆除方案安全可行，并為施工監控提供可靠的控制指標。需要指出的是，由于結構本身潛在病害無法確定和部分參數的取值偏差，仿真計算模型與實際橋梁結構存在差異，這將導致計算結果與拆除過程結構受力狀況存在一定誤差。因此在實際拆除施工過程中，需進行實時監測，對比實測數據和計算數據，通過不斷調整計算模型來減小誤差，從而保證施工過程的安全。

參考文獻：

[1]陳芙蓉.整體式建模在青口互通立交橋非爆破拆除中的應用研究[D].成都：西南交通大學,2017.

[2]來猛剛,陳金濤,牛宏,等.論橋梁拆除工程[J].公路,2013(9):80-83.

[3]王步高,王衛鋒.基于MIDAS的等效剛度法在拆橋模擬中的應用[J].山西建筑,2010,36(30):315-317.

[4]衛星,李俊,強士中.百年老橋拆梁過程的仿真分析[J].鐵道標準設計,2004(4):17-19.

[5]劉成章.預應力混凝土連續箱梁橋拆除方法及其結構分析研究[D].重慶：重慶交通大學,2012.

[6]黃海濱.連續梁橋頂推拆除施工過程仿真分析和施工控制研究[D].西安：長安大學,2013.

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