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        跨線(xiàn)箱梁橋切割拆除的數(shù)值模擬及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

        2022-12-19 08:11:08姜曉勇冼家榮蔡林庭葉錫鈞
        廣東土木與建筑 2022年11期
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁變形

        汪 遠(yuǎn),姜曉勇,梁 瑜,冼家榮,蔡林庭,葉錫鈞

        (1、中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司廣州分院 廣州 510640;2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006)

        0 前言

        隨著城市人口密度不斷增加,為了方便人們的出行,交通網(wǎng)絡(luò)得到快速發(fā)展,然而早期建成的高架橋由于各種原因已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)人們的出行需求,因此高速路上跨線(xiàn)橋的拆除與重建成為了現(xiàn)在的發(fā)展方向之一,然而快速路上跨線(xiàn)橋的拆除勢(shì)必會(huì)影響到快速路的運(yùn)行情況,特別是位于附近建筑比較密集的地域,如何在不造成交通擁堵且不影響附近居民的情況下,安全有效地進(jìn)行高速路上跨線(xiàn)橋的拆除重建已成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)。

        許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者就上述問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。呂海軍等人[1]就高架橋的拆除方法,以工程案例為證做出了多種方法的對(duì)比分析;朱世峰等人[2]依托某高架橋拆除工程,研究了一種車(chē)載移動(dòng)式提吊下放移除設(shè)備以達(dá)到快速拆除的目的;區(qū)希等人[3]就某高架橋拆除實(shí)例,研究了鋼筋混凝土機(jī)械切割新技術(shù)在工程中的應(yīng)用;衛(wèi)君毅[4]將金剛石線(xiàn)鋸應(yīng)用到了某工程橋梁切割拆除中,并對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了深入探討;陳備[5]以某舊橋拆除工程為例,分析了施工難點(diǎn)并探討了合理施工方案;李亞民[6]就某立交橋拆除實(shí)例,通過(guò)BIM 技術(shù)對(duì)拆除過(guò)程進(jìn)行預(yù)演,研究了移動(dòng)式拆除裝置在工程中的應(yīng)用;拓明星等人[7]以某立交橋改造工程為例,研究了切割法在預(yù)應(yīng)力箱梁拆除中的應(yīng)用;王國(guó)?。?]以某高速路改建工程為例,研究了不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型跨線(xiàn)橋的拆除方案;張志軍等人[9]就城市核心區(qū)域某高架橋拆除工程為例,結(jié)合BIM 技術(shù)研究新型綠色靜力切割技術(shù)在工程中的應(yīng)用。

        本文以某上跨既有運(yùn)營(yíng)路線(xiàn)的箱梁橋拆除工程為例,結(jié)合有限元軟件仿真模擬,計(jì)算橋梁在進(jìn)行分段拆除時(shí)各構(gòu)件的受力特點(diǎn)與各向變形,探討在保證橋梁交通安全運(yùn)營(yíng)的情況下的最優(yōu)拆除施工方案,供同類(lèi)工程施工作為參考。

        1 工程概況

        該跨線(xiàn)橋上部結(jié)構(gòu)為11 孔一聯(lián)的普通鋼筋混凝土連續(xù)箱,采用單箱單室截面形式,每跨約20~22 m,底部寬3.5 m,橋面寬9.0 m,梁高1.4 m,混凝土標(biāo)號(hào)為C35。下部結(jié)構(gòu)中橋墩分為兩種形式:其中兩跨跨越快速路的橋墩采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土龍門(mén)架形式,其余跨為獨(dú)柱墩,龍門(mén)架墩柱直徑為1.0 m,獨(dú)柱墩直徑為1.3 m,如圖1所示。

        圖1 跨線(xiàn)箱梁橋與運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的關(guān)系Fig.1 Relationship between Overpass Box Girder Bridge and Operation Line

        2 箱梁橋拆除施工關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 工程難點(diǎn)要點(diǎn)分析

        ⑴由于所拆橋梁為上跨線(xiàn)橋,拆除時(shí)需保障下方原有快速路的車(chē)輛通行,減少對(duì)快速路交通安全的影響。

        ⑵橋梁拆除方法[10]主要有控制爆破、靜態(tài)破碎、機(jī)械破碎以及靜力切割技術(shù)等,拆除時(shí)需要考慮控制的施工器具的作業(yè)范圍,以及施工時(shí)對(duì)快速路存在的安全隱患。

        ⑶拆除時(shí)應(yīng)自上而下,先次后主,對(duì)稱(chēng)均衡,主體結(jié)構(gòu)未破損前恒載最小,橋梁拆除過(guò)程中強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

        ⑷梁橋主體結(jié)構(gòu)、臨時(shí)支撐和吊裝系統(tǒng)必須進(jìn)行可控的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算。

        2.2 拆除方案比選及制定

        由于本項(xiàng)目擬拆除的橋梁跨越快速路,橋梁的拆除不能采用爆破方式,故制定切割拆除方案,選擇機(jī)械無(wú)震蕩分塊切割的方式[11]進(jìn)行分塊切割,汽車(chē)吊吊裝外運(yùn),場(chǎng)外破除。切割方案和施工順序需根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)及施工交通組織來(lái)合理確定,拆除時(shí)需保障原有快速路的車(chē)輛通行,減少對(duì)快速路交通安全的影響,跨快速路的四跨橋梁的交通組織安全實(shí)行全封閉施工,其余各跨做好圍蔽防護(hù)。

        2.3 施工流程及關(guān)鍵技術(shù)

        橋梁拆除施工遵循從上至下、逐層、分段實(shí)施的原則進(jìn)行。箱梁拆除較為復(fù)雜,總體上從兩邊向中間進(jìn)行,先拆除翼板和人行道,再拆除頂板,最后拆除腹板和底板,箱梁拆除的詳細(xì)流程如下:

        ⑴ 拆除方向:全橋切割順序如圖2 所示,其中A1~A12 為橋墩位置。首先拆除A7-A8 跨(解聯(lián)),隨后對(duì)稱(chēng)拆除A6-A7 跨和A8-A9 跨,按此原則在兩側(cè)分別逐跨拆除至A2-A1跨和A11-A12跨。

        圖2 橋梁布置Fig.2 Layout of the Bridge

        ⑵切割順序:箱梁截面如圖3 所示,以每跨箱梁為單一拆除單位,按照以下順序切割:翼板?箱梁頂板?箱梁底板?箱梁腹板。

        圖3 箱梁切割分塊Fig.3 Cutting Block of the Box Girder (mm)

        ⑶板塊切割

        a. 翼板切割:翼板以每長(zhǎng)4 m 為一拆除單位,沿著跨縱橋向切割跨橋兩邊翼板,拆除時(shí)應(yīng)考慮跨橋左右平衡卸重。

        b. 頂板切割:頂板以箱梁頂板每長(zhǎng)3 m 為一個(gè)拆除單位,以縱橋向每平行3 m 切割箱梁分體的④號(hào)向內(nèi)斜刀口,拆除時(shí)需從中間向兩側(cè)平衡拆除。

        c. 底板切割:箱梁底板以4.5 m 長(zhǎng)度為一個(gè)拆除單元,拆除時(shí)需從中間向兩側(cè)平衡拆除。

        d. 腹板切割:橫隔板切割后分成兩塊腹板單元,同時(shí)拆除。

        3 有限元計(jì)算分析

        3.1 計(jì)算基本假定

        ⑴在結(jié)構(gòu)分析之初,先要確定結(jié)構(gòu)最初的實(shí)際狀態(tài),通過(guò)詳細(xì)外觀(guān)檢查,確定結(jié)構(gòu)的檢算系數(shù),如:截面折減系數(shù),惡化系數(shù)等,目的是準(zhǔn)確模擬實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)。

        ⑵計(jì)入施工階段收縮徐變以及成橋運(yùn)營(yíng)階段多年的徐變影響。

        ⑶該橋?yàn)榍€(xiàn)梁,但跨度比為0.4,且橋面寬為9 m,可建立單梁模型進(jìn)行計(jì)算,按照實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)橋梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理約束。A4~A8處墩梁固結(jié),其余墩、梁為鉸接。橫隔梁以重力的方式施加。

        ⑷針對(duì)拆除橋梁的主要受力特點(diǎn),偏安全考慮,計(jì)算時(shí)不考慮普通鋼筋的作用。

        ⑸由于計(jì)算軟件的局限性,目前尚無(wú)一種計(jì)算軟件可以準(zhǔn)確模擬本拆除方案的實(shí)際施工過(guò)程,擬采用截面剛度折減法進(jìn)行仿真計(jì)算。

        3.2 有限元建模

        應(yīng)用Midas軟件建立橋梁的有限元模型如圖4所示。

        圖4 橋梁有限元模型Fig.4 FEM of the Bridge

        采用截面剛度折減法進(jìn)行仿真計(jì)算,將圖5 所示的截面形式拆分成5 部分,根據(jù)Midas 的SPC 截面特性計(jì)算器對(duì)原截面和各拆分部分的截面特性進(jìn)行計(jì)算。再利用橋梁博士軟件計(jì)算截面抗彎承載力,對(duì)于龍門(mén)架部分,按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算。

        圖5 截面拆分形式Fig.5 Split Scheme of the Cross Section

        3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        橋梁的拆除過(guò)程主要關(guān)注各施工階段下主梁和龍門(mén)架的受力和變形狀態(tài),其在各關(guān)鍵施工階段的結(jié)果如下,因篇幅關(guān)系,本文僅列出幾個(gè)關(guān)鍵工況的計(jì)算結(jié)果:

        3.3.1 主梁

        橋梁的某一跨拆除后,影響最大的是相鄰兩跨主梁的跨中和墩頂?shù)氖芰白冃吻闆r,結(jié)果如表1 所示,應(yīng)力和變形均在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范:JTG 3362—2018》[12]允許范圍內(nèi)。

        表1 主梁受力和變形結(jié)果Tab.1 Stress and Deformation Results of Main Beam

        3.3.2 龍門(mén)架

        A4~A8 跨段箱梁架在龍門(mén)架上,在拆除A4~A5、A5~A6、A6~A7、A7·A8 跨段箱梁時(shí)會(huì)對(duì)A5 龍門(mén)架及A7 龍門(mén)架造成影響。A5 龍門(mén)架及A7 龍門(mén)架的受力及變形情況計(jì)算結(jié)果如表2 所示,應(yīng)力和變形均在文獻(xiàn)[12]允許范圍內(nèi)。

        表2 A5及A7龍門(mén)架受力和變形結(jié)果Tab.2 Stress and Deformation Results of Gantry Frame A5 and A7

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)本文的跨線(xiàn)橋拆除工程進(jìn)行數(shù)值模擬與施工技術(shù)分析,得出以下結(jié)論:

        ⑴選用機(jī)械無(wú)震蕩分塊切割的方式進(jìn)行施工,可創(chuàng)造良好的施工環(huán)境,保障營(yíng)運(yùn)線(xiàn)路車(chē)輛通行,減少對(duì)交通安全的影響。

        ⑵在A7~A8 跨解聯(lián)后,結(jié)構(gòu)體系發(fā)生改變,A6~A7 和A8~A9 跨由原結(jié)構(gòu)的中跨變?yōu)樾陆Y(jié)構(gòu)的邊跨,結(jié)構(gòu)內(nèi)力仍均小于結(jié)構(gòu)抗力;但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系發(fā)生改變,在突然解除縱橋向約束后,左、右兩部分橋梁縱向變形的趨勢(shì)在增大,A6~A7、A8~A9、A5 和A7 龍門(mén)架均出現(xiàn)0~31.2 mm 之間的橫、縱橋向變形,變形值較大,且有增大的趨勢(shì),為防止發(fā)生傾覆,建議施工前須在待拆除跨左、右兩側(cè)的梁段底下增加相應(yīng)的支撐或約束措施,同時(shí)對(duì)橋梁的三向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

        ⑶結(jié)合軟件模擬分析,在施工中過(guò)程中應(yīng)及時(shí)對(duì)橋梁的變形、應(yīng)力和裂縫發(fā)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),如發(fā)現(xiàn)變形和應(yīng)力誤差偏大,或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯裂縫發(fā)展情況,應(yīng)暫停施工,查明原因,及時(shí)采取處理措施,確保安全。

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