王向鋒，李勇海，左小晗，盧方卿，汪亦顯

（1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

經(jīng)過(guò)幾十年的蓬勃發(fā)展，我國(guó)的橋梁建設(shè)水平極大提高，橋梁工程建設(shè)規(guī)模已躋身世界前列[1]。與此同時(shí)，由于我國(guó)早期的橋梁工程發(fā)展不充分，橋梁建設(shè)水平不高，橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)落后，對(duì)于工程質(zhì)量的把控也不到位[2]，隨著時(shí)間的推移，安全性、適用性及耐久性不足開(kāi)始顯現(xiàn)，眾多橋梁不能滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，需要拆除重建[3]。由于各種原因，橋梁拆除坍塌事故不斷發(fā)生，釀成多起重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失事故[4][5]，因此，如何保障橋梁拆除施工中的安全性成為目前亟待解決的問(wèn)題，對(duì)橋梁拆除過(guò)程中的施工技術(shù)開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究也亟待開(kāi)展。賈永勝[6]通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)大型建（構(gòu)）筑物拆除爆破中的結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，模擬了結(jié)構(gòu)從局部破壞到失穩(wěn)直至倒塌的全過(guò)程。金宏忠[7]等人總結(jié)了國(guó)內(nèi)外常用的橋梁拆除方法，對(duì)橋梁拆除工程提出了一些措施和建議。胡艷麗[8]以某大橋拆除工程為例，介紹了橋梁拆除的一些施工技術(shù)控制方法及施工工藝，并闡述了施工過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)及觀測(cè)監(jiān)控措施。

針對(duì)大跨度系桿拱橋，其拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系不斷變化，受力和變形情況相對(duì)復(fù)雜，拆除過(guò)程對(duì)施工的安全性把控要求較高。胡特新[9]分析了某雙曲拱橋的施工方法，驗(yàn)證了該大橋施工方案的實(shí)用性和合理性。李志堅(jiān)[10]以某城市一座雙曲拱橋的拆除施工提出了一種既有雙曲拱橋快速拆除施工技術(shù)。王技[11]通過(guò)數(shù)值分析軟件ANSYS模擬一座等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱型雙肋拱橋的拆除施工過(guò)程，驗(yàn)證了該大橋施工方案的可行性。周建軍等人[12]通過(guò)數(shù)值分析軟件Midas civil從應(yīng)力和變形兩個(gè)方面比較了三種不同拆除方案的優(yōu)劣，選出了最佳施工方案。

本文以位于紹興市柯橋區(qū)的輕紡大橋的拆除為依托，使用數(shù)值分析軟件Mi?das civil對(duì)輕紡大橋的拆除施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)主拱圈拆除各施工階段的結(jié)構(gòu)受力和變形情況進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了該大跨度系桿拱橋的拆除施工方案的可行性。

1 工程概況

本工程在拱肋拆除施工前先搭設(shè)支架：打設(shè)支架鋼管樁，每根拱肋下設(shè)六個(gè)臨時(shí)支撐墩（共16根鋼管）中間兩個(gè)臨時(shí)支墩分別由4根φ400×8mm鋼管組成，其余四個(gè)臨時(shí)支墩分別由2根φ 400×8mm鋼管組成，分布拱肋內(nèi)外側(cè)，樁間采用φ200×6mm鋼管進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)，在縱梁底標(biāo)高和拱肋底標(biāo)高處分別設(shè)置2I40a工字鋼做橫向分配梁。鋼管樁結(jié)構(gòu)采用Q235鋼材，其材料性能如表1。

Q235材料參數(shù) 表1

將拱肋分段，支架示意圖及拱肋分段如圖1所示。拆除施工從拱頂開(kāi)始，先拆除拱頂?shù)腁節(jié)段，釋放拱圈的應(yīng)力，再按照拆除兩側(cè)B節(jié)段→拆除兩側(cè)C節(jié)段→拆除兩側(cè)D節(jié)段的順序依次從兩側(cè)向拱腳對(duì)稱式拆除各節(jié)段。

圖1 支架及拱肋分段示意圖

輕紡大橋位于紹興市柯橋區(qū)，1994年建成通車(chē)，輕紡大橋全長(zhǎng)207m，橋?qū)?8.90m，主橋?yàn)?跨92m下承式鋼管混凝土系桿拱橋，引橋?yàn)楹髲埛A(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。橋梁下部結(jié)構(gòu)主橋采用矩形實(shí)體墩，引橋采用雙柱式橋墩和輕型橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，矢跨比1/4。拱腳水平推力采用12束系拉索平衡，系桿為鋼筋混凝土T形截面；主拱拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，高220cm，寬90cm，線形采用二次拋物線，截面為啞鈴型截面；全橋共有吊桿23對(duì)。

2 主拱圈拆除施工方案

3 有限元模型建立

在Midas civil中建立有限元模型，輸入荷載參數(shù)，進(jìn)行荷載組合，并劃分施工階段。

3.1 結(jié)構(gòu)整體建模

通過(guò)數(shù)值模擬軟件Midas civil進(jìn)行建模，模型如圖2所示。拱橋鋼管、風(fēng)撐、吊桿、縱梁、橫梁、小縱梁等均按實(shí)際桿件截面建模，吊桿采用桁架單元，其余均采用梁?jiǎn)卧?，鋼管?nèi)灌混凝土的鋼混結(jié)合截面等效成鋼管截面計(jì)算，恒載按實(shí)際重量加調(diào)整系數(shù)。

圖2 結(jié)構(gòu)建模示意圖

3.2 荷載參數(shù)

3.2.1 恒載

恒載考慮結(jié)構(gòu)自重W，拱橋結(jié)構(gòu)和支架結(jié)構(gòu)均以實(shí)際重量計(jì)算，Midas civ?il中材料特性值混凝土容重為25kN/m3，混凝土實(shí)際容重為26kN/m3，則自重計(jì)算系數(shù)取1.04。

3.2.2 活載

施工階段道路封鎖，橋梁不受車(chē)輛荷載及人群荷載，因此活荷載主要考慮風(fēng)荷載。

風(fēng)荷載按下式計(jì)算：

式中，Wd為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓(kN/m2)，按Wd=K22K42W0計(jì)算，算得其值為0.52；W0為基本風(fēng)壓（kN/m2），取0.25；K0為設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，取0.75；K1為風(fēng)陣體型系數(shù)，取1.00；K2為風(fēng)速高度變化系數(shù)，取1.04；K3為地形地理?xiàng)l件系數(shù)，取1.00；K4為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，取1.38。

橫橋向風(fēng)荷載作用點(diǎn)在各部分迎風(fēng)面積的形心上。

3.2.3 荷載組合

荷載組合時(shí)考慮恒載和活載，恒載僅為結(jié)構(gòu)自重，活載為風(fēng)荷載。

強(qiáng)度計(jì)算組合：1.2×恒載+1.4×活載

變形計(jì)算組合：1.0×恒載

3.3 施工階段劃分

根據(jù)實(shí)際的拆除施工階段，數(shù)值分析計(jì)算按照以下8個(gè)施工階段進(jìn)行分析：

施工階段一：初始狀態(tài)（拱橋原始狀態(tài)）

施工階段二：拆除預(yù)制件（拆除橋面鋪裝、預(yù)制小縱梁，接觸拱腳部分預(yù)應(yīng)力）

施工階段三：搭設(shè)支架（支架搭設(shè)完成）

施工階段四：切斷系梁（解除拱腳對(duì)拉剩余預(yù)應(yīng)力）

施工階段五：第1次拆除（拆除橫梁及縱梁）

施工階段六：第2次拆除（拆除A節(jié)段）

施工階段七：第3次拆除（拆除B節(jié)段）

施工階段八：第4次拆除（拆除C節(jié)段）

施工階段九：第5次拆除（拆除D節(jié)段）

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 拱肋和風(fēng)撐受力計(jì)算

拱肋和風(fēng)撐計(jì)算，采用強(qiáng)度控制計(jì)算。根據(jù)各施工階段下拱肋和風(fēng)撐組合應(yīng)力云圖，各階段中，初始狀態(tài)受力最大，其他各拆除階段受力均小于此狀態(tài)，初始階段拱肋和風(fēng)撐內(nèi)力云圖如圖3所示。從云圖中可以看出，初始狀態(tài)拱肋受力最大為193.32MPa，由于該橋設(shè)計(jì)圖紙中拱肋使用鋼材的型號(hào)未標(biāo)明，按鋼材等級(jí)較低的Q235鋼考慮，拱肋最大受力193.32MPa，小于Q235鋼的承載能力215MPa，滿足施工要求。

圖3 初始階段拱肋應(yīng)力云圖

4.2 支架受力計(jì)算

支架立柱計(jì)算，采用強(qiáng)度控制計(jì)算。根據(jù)支架立柱受力數(shù)值分析結(jié)果，各施工階段下支架立柱均處于受壓狀態(tài)，在第一次拆除階段，立柱的組合應(yīng)力達(dá)到最大，最大組合應(yīng)力值為107MPa，小于設(shè)計(jì)允許應(yīng)力值215MPa，滿足施工要求。第1次拆除施工階段的組合應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 第1次拆除施工階段的組合應(yīng)力

4.3 拱肋位移計(jì)算

本橋梁拱肋拆除工作遵循“同步、對(duì)稱”的原則，拆除順序從跨中向橋墩方向進(jìn)行，將拱肋、中橫梁、吊桿和系梁等構(gòu)件分四段進(jìn)行拆除。為了保證拆除過(guò)程結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性，對(duì)拆除的全過(guò)程實(shí)行跟蹤測(cè)量監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況立即停止拆除。

根據(jù)實(shí)際，考慮橋梁拆除過(guò)程中以下六個(gè)工況下拱肋控制截面的位移變化情況，如表2。

不同處理形式工況表 表2

拱肋位移計(jì)算，采用變形控制計(jì)算，對(duì)拆除過(guò)程中拱肋的跨中、1/4跨和3/4跨進(jìn)行計(jì)算，各工況下拱肋位移如表3所示。

各施工階段控制截面位移值（單位：mm） 表3

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)輕紡大橋拆除施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，得到了以下結(jié)論，并給出建議：

①通過(guò)拱肋和風(fēng)撐受力計(jì)算的結(jié)果可知，各施工階段中，各施工階段拱肋和風(fēng)撐的受力均小于其材料承載能力，滿足施工要求；

②通過(guò)支架立柱受力計(jì)算的結(jié)果可知，各施工階段中，支架立柱中的最大組合應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)允許應(yīng)力值，支架承載力方面滿足施工要求，同時(shí)還應(yīng)把控好支架搭設(shè)的施工質(zhì)量，保證支架穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)失穩(wěn)倒塌等事故；

③為了掌握橋梁拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)是否處于安全受控狀態(tài)，需要在拱肋上布置變形觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)理論計(jì)算分析結(jié)果和實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷各個(gè)工況下橋梁的實(shí)際狀況，保證橋梁拆除施工安全順利進(jìn)行。