連續剛構天橋拆除全過程應力分析與研究

葛 蕓

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030012)

1 概述

目前我國公路建設已進入平緩過渡期，隨著經濟的發展和車流量的日益增多，部分公路已無法滿足社會發展的需求，但受當時技術條件和建設條件的制約，部分橋梁的嚴重老化且病害較多。近些年橋梁拆除工程也逐漸增多，受技術條件、施工防護措施以及人們的重視程度等因素的影響，事故也隨之增多。

結合連續剛構橋梁的受力特點，選用較為合理的拆除方案，利用MIDAS Civil軟件對(15+30+15)m連續剛構天橋拆除過程中應力分析及研究，可為今后該類橋梁的拆除提供參考。

2 工程概況

2.1 技術標準

被拆除天橋上跨二廣高速得大段，原橋為一次搭支架整體現澆預應力鋼筋混凝土連續剛構跨線橋，上部結構采用(15+30+15)m連續剛構，下部采用薄壁墩、肋板臺，鉆孔灌注樁基礎，橋寬6m，橋下凈空為5m。橋墩斷面尺寸800mm×4400mm，原橋于2003年設計完成，橋梁設計荷載：汽車-20級，掛車-100，人群荷載：3kN/m2。

2.2 主梁斷面

(15+30+15)m連續剛構天橋為預應力混凝土結構，主梁寬6m，梁高70～150cm，頂板厚20cm，由三道寬40cmT型縱肋組成。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

圖2 支點斷面(單位：cm)

圖3 跨中斷面(單位：cm)

2.3 拆除方案的選取

橋梁結構的常規拆除方法主要包括人工拆除法、機械拆除法、爆破法。人工拆除法技術投入少，但速度慢，施工時間長，人工現場操作，容易對人身造成傷害且施工費用較高。機械拆除法如氣動破碎、大型機械破碎法，施工周期較人工拆除法有所減緩，但施工過程中環境污染大，現場形象差。爆破法施工工期最短且拆除費用較少，但需與周邊建筑保持一定的安全距離，社會影響大、爆破后現場形象差，爆破施工需對施工現場進行嚴格的安全及交通管制。

為降低噪音、污染、減少振動，同時為減小社會影響，本次拆除推薦采用靜力拆除法，即鋼筋混凝土切割拆除法。與傳統的橋梁拆除技術相比，鋼筋混凝土切割技術對工期要求緊迫、環保要求高，以及一些大型混凝土結構拆除、切割的工程，具有非常顯著的優點。

3 計算模型建立

3.1 橋梁計算模型

在主梁拆除過程中，根據實際施工順序對主梁的受力狀態進行模擬，根據結構計算模型、幾何特性、邊界條件等必須與實際結構相一致，結構計算模型必須能反映結構分階段形成的特點，正確反映各重要工況下的結構特性及荷載狀況的原則，利用MIDAS Civil軟件建立主梁拆除有限元模型，將全橋劃分為180個單元。結構有限元計算模型如圖4所示。

圖4 結構空間計算模型

3.2 施工階段劃分

根據橋梁結構受力特點，將施工分為以下4個階段。本橋拆除時在第二階段形成懸臂結構，也是最不利階段，極易發生傾覆安全事故，應著重計算分析該階段：

(1)全封閉交通，中跨搭設滿堂支架。

(2)中跨混凝土及中跨主梁吊裝。

采用金剛石繩鋸按照10m間距進行切割分段，中跨共拆分成6段，單側3段，每段重量為8.1t，采用150t吊車進行節段吊裝，吊車與吊點最遠距離約為10m，T梁單件最重為39t。

(3)墩柱拆除，拆除中跨臨時支撐恢復交通。

橋墩在全封閉時拆除，橋墩高度以5m考慮。單個橋墩共分4塊，單塊重11t。

(4)邊跨切割、吊裝。

防撞墻采用金剛石繩鋸按照5m間距進行切割分段，邊跨共拆分成12段，每段重量為4.1t。

4 結構計算及分析

計算運用Midas軟件進行拆除過程的受力計算。主要是對構件在自重荷載的作用下進行強度驗算(破壞、傾覆驗算)，橋梁拆除工程應對施工時的各工況，考慮永久作用、施工荷載、風荷載、溫度荷載等各種可能存在的作用，取其最不利組合，進行承載能力極限狀態驗算，作用組合應符合《公路橋涵設計通用規范》的規定，結果需滿足上海市政工程建設規范《橋梁拆除工程技術規程》的各項規定。

4.1 混凝土強度取值

根據《橋梁拆除工程技術規程》(DG/TJ 08-2227-2017)規定，結構計算時，結構材料的設計強度需鉆芯取樣并實測取值，對于混凝土經時變化的設計強度，如實測有困難，可按本規程附錄A計算取值。一般情況下，混凝土經時變化的設計強度可按下列公式計算：

計算得出混凝土強度抗拉設計值1.72 MPa，混凝土軸心抗壓強度設計值20.57MPa。

4.2 施工階段主梁及切割節段主梁應力

受橋下交通封閉時間的制約，中跨混凝土及中跨主梁吊裝施工階段優先進行，本階段形成懸臂結構，也是最不利階段，極易發生傾覆安全事故，應著重計算分析該階段。

圖5 每拆除10m節段主梁應力分布圖

拆除長度 最大拉應力MPa 最大壓應力10m6號單元0.7MPa2號單元-0.8MPa20m6號單元0.7MPa2號單元-0.8MPa30m6號單元0.7MPa2號單元-0.8MPa

驗算結果：由計算結果可得，隨著每10m節段的拆除，混凝土最大拉應力和壓應力變化較小，主要在靠近梁端位置。在自重荷載作用下，主梁最大拉應力為-0.7MPa，橋墩最大拉應力-0.4MPa，小于混凝土強度抗拉設計值1.72MPa；主梁最大壓應力為0.8MPa，小于待拆橋梁混凝土軸心抗壓強度設計值20.57MPa，其受力滿足設計要求。

4.3 臨時支墩結構驗算

臨時支墩是橋梁拆除工程的重要組成部分，其設置可大大提高拆除工程的容錯率，降低施工風險。支墩的強度是否滿足要求對拆除工程至關重要，因此臨時支墩的驗算必不可少。

本項目臨時鋼支墩采用H400×400型鋼為門式立柱， 32#工字鋼制作安裝平臺，槽鋼20#作為支撐和系桿，相互立撐。與基礎相連處采用M24的底腳螺栓與鋼立柱連接，每個鋼柱為四個底腳螺栓，每個支墩為4根鋼立柱，在相互支撐和拉結作用下保證施工安全的整體穩定。

采用midas/civil對支架系統進行計算，全部結構共劃分58個單元，48個節點。其中支架各構件全部采用三維梁單元模擬，截面特性按照實際選取。

邊界條件：支架底部按固結處理，支架頂部與分配梁之間剛性連接。

荷載：主要考慮混凝土梁傳遞過來的重量，以及支架系統的自重。

圖6 支架有限元模型和橫梁應力

由計算結果可得，自重作用下，柱頂橫梁最大正應力為142.8 MPa，立柱最大正應力為22.9 MPa，滿足受力要求。

5 結論

(1)根據不同的結構形式和周邊環境，選擇較為合理的拆除方案，能最大限度地降低社會影響，快速安全地實施橋梁拆除。

(2)橋梁拆除工程中的應力計算必不可少，結構重力可根據拆除構件的實際尺寸與材料的重度計算而得，對于懸臂拆除的橋梁應考慮不對稱加載工況，各種作用的取值應符合現行《公路橋梁設計通用規范》JTG D60的規定。

(3)對于結構嚴重老化的橋梁，結構材料的設計強度應按實測取值(一般采用鉆芯取樣)，以確保拆除安全。

(4)橋梁拆除工程應對施工時的各工況進行受力驗算，需考慮施工荷載、風荷載、溫度荷載等各種可能存在的作用，取其最不利組合，進行承載能力極限狀態驗算。

(5)臨時支墩一般采用槽鋼、工字鋼、角鋼等型鋼搭接而成，具有施工快且可回收利用的優點，是橋梁拆除工程中的重要組成部分，驗算過程一般取較高的安全系數，可大大提高拆除工程的容錯率，降低施工風險。