陳舟 鄧德員 林鴻鑫 易高星 顏全勝 盧漢文佛山科學技術(shù)學院交通與土木建筑學院 中建鋼構(gòu)工程有限公司 廣州機建工程有限公司 華南理工大學土木與交通學院
摘 要：為探究斜拉橋拆除工程不同施工階段中主梁力學性能的變化，為斜拉橋安全順利拆除提供指導(dǎo)，以80.8 m+132 m+80.8 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔單索面部分斜拉橋為工程背景，采用Midas/Civil有限元分析軟件進行建模，模擬斜拉橋拆除的施工過程，分析拆除過程中主梁的靜力力學特性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)自身的改變影響橋梁結(jié)構(gòu)靜力力學特性，邊界條件的改變影響橋梁的穩(wěn)定性，斜拉索的放張對橋梁安全拆除至關(guān)重要；在施工過程中要充分考慮體系轉(zhuǎn)換對橋梁力學特性的影響，保證拆除工程安全有序。
關(guān)鍵詞：斜拉橋;橋梁拆除;有限元分析;力學特性;穩(wěn)定性研究;
基金：國家自然科學基金項目，項目編號51908146、52008109;佛山市科技計劃項目，項目編號1920001001539;2020年佛山科學技術(shù)學院實驗室開放創(chuàng)新基金項目，項目編號FKY20200306;
1 研究背景
隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，越來越多的舊橋已經(jīng)不能適應(yīng)當前運營的需求，比如，日趨嚴重的病害無法滿足交通量的迅速增長，橋下通航凈空不滿足現(xiàn)狀等級要求，從而需要拆除重建[1]。而橋梁拆除工程是一項極具危險性的工程，拆除過程中面臨橋梁自身結(jié)構(gòu)開裂、下?lián)稀㈩A(yù)應(yīng)力損失等問題，可能會導(dǎo)致橋梁突然斷裂、破壞、坍塌[2];或由于臨時支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致橋梁傾覆。目前，關(guān)于橋梁拆除特別是大跨度斜拉橋拆橋的研究和工程案例較少，其施工工藝和力學行為有待進一步探索。因此，有必要對拆除過程中各個施工階段橋梁結(jié)構(gòu)的靜力力學特性以及穩(wěn)定性進行計算分析，來確保斜拉橋拆除的安全性。
斜拉橋相比于連續(xù)梁橋，存在施加在梁段上的預(yù)拉力。斜拉橋拆除過程中體系轉(zhuǎn)換次數(shù)多，在拆除過程中，斜拉索的放張勢必會引起梁的迅速下?lián)?，拆除過程中梁兩端的位移進一步會成為控制指標，而梁截面突變的應(yīng)力也會成為拆除過程中比較關(guān)鍵的因變量[3]。除此之外，由于張拉力的釋放和梁段的拆除，橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也成為影響施工安全性的重要因素。因此，有必要對具有風險性和復(fù)雜性的斜拉橋拆除工程在施工過程中的靜力力學特性和穩(wěn)定性進行研究。眾多學者對斜拉橋拆除做了相關(guān)的研究和工程實踐，王攀等[4]、何震等[5]通過對斜拉橋拆除施工階段的理論計算并結(jié)合實測數(shù)據(jù)，得出索力、應(yīng)力、變形等參數(shù)在其拆除過程中的變化規(guī)律；肖沖等[6]采用非對稱分段分塊機械拆除方案以及橋塔梁墩固結(jié)點的柔化處理等措施，保證了施工的安全性；孫振堂等[7]采用定型化索塔輔助支撐與受力體系轉(zhuǎn)換等技術(shù)，實現(xiàn)了索塔的一次性安全拆除；朱慈祥等[8]通過研究通航條件下非對稱組合結(jié)構(gòu)斜拉橋切割拆除設(shè)計施工與安全控制技術(shù)，提出了通航條件下非對稱組合結(jié)構(gòu)斜拉橋拆除的吊裝、支撐、分解、移運、放張的施工方法；周祥磊等[9]采用橋面原地坍塌爆破技術(shù)與主塔定向控制爆破技術(shù)相結(jié)合的手段成功爆破拆除金婺大橋，并取得良好爆破結(jié)果；王凱等[10]通過有限元軟件模擬一座跨航道連續(xù)梁橋頂推拆除施工，并對拆除過程中受力及變形進行分析，同時對主橋進行監(jiān)測，結(jié)果顯示此橋在拆除過程中的變形及應(yīng)力均在可控安全范圍內(nèi)。
本研究以某斜拉橋為工程背景，基于逐步對稱放張斜拉索，對角切割切除箱梁截面的拆除方案，使用Midas/Civil建立有限元模型計算分析方法，研究主梁的頂?shù)酌嬖诟鱾€拆除施工階段的靜力力學特性(應(yīng)力，位移),同時利用第一類穩(wěn)定問題的理論分析整體結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵施工階段的穩(wěn)定性變化趨勢，對拆除過程中的力學行為變化進行研究。本研究對于斜拉橋拆除具有重要的理論指導(dǎo)和工程實踐意義。
2 工程背景
某大橋主橋采用80.8 m+132 m+80.8 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔單索面部分斜拉橋，橋長293.6 m。橋面寬31 m。單箱三室斷面，墩塔處梁高3.8 m, 跨中梁高2.4 m。斜拉索為單索面雙排索，塔的每側(cè)設(shè)10對雙排索。主跨橋墩位于峻江岸邊，采用梁塔固結(jié)體系，上部構(gòu)造主跨于中墩處與塔固結(jié)，橋型圖如圖1所示。該橋為墩梁鉸接，在拆除過程中，施工難度大，需要保證強度和穩(wěn)定性兩方面安全。
圖1 某大橋主橋橋型布置 下載原圖
單位：cm
3 拆除施工工藝3.1拆除施工流程
具體拆除流程：先對稱放張C10斜拉索，拆除跨中箱梁段，再拆除邊跨箱梁段，拆除15號梁段、14號梁段的翼板和1/2箱室；對稱放張C9斜拉索，拆除14號梁段的1/2箱室；對稱放張C8斜拉索……以此類推，直至全部拆除。塔柱用履帶吊分成3塊(3×7m)進行吊裝拆除。最后回填承臺周邊筑堤，并利用炮機爆破拆除下塔柱及承臺樁基礎(chǔ)。拆除按跨中往主塔方向進行。主梁分段及總體施工圖如圖2所示；具體拆除流程如圖3所示。
圖2 主梁分段示意 下載原圖
3.2拆除施工關(guān)鍵技術(shù)3.2.1箱梁切割
該橋為雙塔單索面斜拉橋，拆除過程風險大，施工技術(shù)難度高。為保證結(jié)構(gòu)受力，擬采用逐步釋放斜拉索力，逐步拆除主梁的方案，在拆除過程中，先拆除翼緣板，再分割拆除兩個箱室，并且全橋按照對稱對角拆除。切割時，采用機械及氧氣切割主梁，采用鏈條切割機切割箱室腹板。切割前，需在距離箱梁截面中心60cm以及距離箱室最外側(cè)100cm位置，鉆吊裝孔(孔徑為20cm,孔深穿透翼板)[11],具體位置如圖4所示。
3.2.2放張拉索
斜拉索對稱拆除。單根斜拉索由37根鋼絞線組成。邊跨和中跨的最大張拉索力為9 500kN,由兩根斜拉索承擔，則每根斜拉索最大索力為4 750kN。兩端對稱張拉至4 800kN,兩端逐步按行程對稱釋放張拉力，每釋放100kN為一個行程，直至索力釋放為0kN。
圖3 拆除流程 下載原圖
圖4 箱梁分割示意 下載原圖
單位：cm
3.2.3支架搭設(shè)
拆除前，在邊跨合龍段處搭設(shè)滿堂支架，并在3號、6號、9號塊處搭設(shè)支架。拆除過程中，在7號及11號吊裝130t的反拉配重，以保持結(jié)構(gòu)的平衡，防止失穩(wěn)倒塌。后續(xù)隨著所在梁段的拆除而拆除支架，從而形成體系轉(zhuǎn)換。拆除按跨中往主塔方向進行。
4 有限元仿真分析
采用Madis/Civil建立有限元分析模型。其中，主梁與主塔用梁單元模擬，斜拉索用只受拉桁架單元模擬，支架用只受壓彈簧模擬。全橋共510個節(jié)點，758個單元?？紤]的荷載有自重、斜拉索索力、風荷載(考慮100年一遇的風壓)、預(yù)應(yīng)力荷載、二期鋪裝、邊跨130t配重。拆除過程中共發(fā)生7次體系轉(zhuǎn)換：成橋階段、搭設(shè)支架階段、拆除中跨合龍段箱室階段、拆除邊跨合龍段箱室階段、拆除9號塊箱室階段、拆除6號塊箱室階段、拆除3號塊箱室階段。
根據(jù)拆除方案，具體建模過程為：成橋階段→搭設(shè)支架階段→分次釋放C10斜拉索→對稱拆除中跨合龍段翼板→對稱拆除中跨合龍段箱室→對稱拆除邊跨現(xiàn)澆段翼板→對稱拆除邊跨現(xiàn)澆段箱室→對稱拆除邊跨合龍段翼板→對稱拆除邊跨合龍段箱室→對稱拆除15號塊翼板→對稱拆除15號塊箱室→對稱拆除14號塊翼板→對稱拆除14號塊1/2箱室→分次釋放C9斜拉索→對稱拆除14號塊1/2箱室……→分次釋放C1斜拉索→對稱拆除6號塊1/2箱室→對稱拆除5號塊翼板→對稱拆除5號塊1/2箱室→對稱拆除5號塊1/2箱室……→對稱拆除3號塊翼板→對稱拆除3號塊1/2箱室→對稱拆除3號塊1/2箱室→拆除主塔→對稱拆除2號塊翼板→對稱拆除2號塊1/2箱室→對稱拆除2號塊1/2箱室→……對稱拆除0號塊翼板→對稱拆除0號塊箱室。
4.1靜力分析
在不同的施工階段中，橋梁的應(yīng)力和位移等靜力力學特性也是不同的，并且在拆除過程中箱梁頂?shù)装迨芰顩r也會隨著拆除過程逐漸變化。因此，需研究拆除過程中梁段截面頂板和底板的拉壓應(yīng)力以及位移。
建模過程按拆除施工方案劃分為101個施工階段。由于拆除過程中共發(fā)生7次體系轉(zhuǎn)換，本文僅將施工過程中較為重要階段的計算結(jié)果列出，主要施工階段見表1;按箱梁頂?shù)装宓氖芾?、受壓?yīng)力及最大、最小位移進行匯總?cè)鐖D5～圖10所示。
表1 施工階段 導(dǎo)出到EXCEL
序號
1
2
3
4
5
6
施工
階段
成橋階段
搭設(shè)支架階段
釋放C10斜拉索階段
拆除中跨合龍
段翼板階段
拆除中跨合龍
段箱室階段
拆除邊跨合龍
段翼板階段
序號
7
8
9
10
11
12
施工
階段
拆除邊跨合龍
段箱室階段
釋放C5斜拉索階段
拆除9號塊翼板階段
拆除9號塊箱室階段
釋放C3斜拉索階段
拆除6號塊翼板階段
序號
13
14
15
16
17
18
施工
階段
拆除6號塊箱室階段
拆除3號塊翼板階段
拆除3號塊箱室階段
拆除主塔階段
拆除0號塊翼板階段
拆除0號塊
左箱室階段
圖5 施工階段頂板受壓應(yīng)力變化曲線 下載原圖
圖6 施工階段頂板受拉應(yīng)力變化曲線 下載原圖
圖7 施工階段底板受壓應(yīng)力變化曲線 下載原圖
圖8 施工階段底板受拉應(yīng)力變化曲線 下載原圖
圖9 施工階段最大位移變化曲線 下載原圖
圖10 施工階段最小位移變化曲線 下載原圖
(1)隨著施工階段的進行，應(yīng)力大體呈現(xiàn)下降趨勢，且應(yīng)力數(shù)值均遠小于C50混凝土的抗拉和抗壓強度，表明結(jié)構(gòu)強度滿足要求。
(2)在拆除中跨合龍段箱室階段，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移均有較大的變化，頂板和底板的受壓應(yīng)力有突然增大的趨勢，全橋梁截面頂板最大壓應(yīng)力為-11.51 MPa, 底板最大壓應(yīng)力為-11.48 MPa, 底板的最大拉應(yīng)力從0 MPa突然增大到1.5 MPa, 而全橋最大位移和最小位移也分別從34.4 mm和3.1 mm突然下降至32 mm和2.9 mm。應(yīng)力的突增和位移的突減均表明自身結(jié)構(gòu)的改變造成的體系轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)力學性能有很大的影響。
(3)在釋放C5斜拉索階段結(jié)構(gòu)的力學性能變化較大，頂板和底板的最大壓應(yīng)力分別從-10.07 MPa和-10 MPa下降至-5.01 MPa和-4.95 MPa, 頂板的最大拉應(yīng)力從0.42 MPa上升至0.99 MPa, 底板的最大拉應(yīng)力從1.5 MPa下降至0.6 MPa。此階段應(yīng)力的變化表明拉索的放張對結(jié)構(gòu)力學性能有較大的影響。
(4)拆除搭設(shè)在3號、6號、9號梁段的支架從而形成體系轉(zhuǎn)換時，拆除6號梁段時頂板和底板最大拉應(yīng)力均有突增的趨勢，并且在拆除3號梁段箱室時拉應(yīng)力會分別減小至0.46 MPa和0.2 MPa, 但其余階段的梁截面頂板、底板的應(yīng)力變化和位移變化均沒有拆除中跨合龍段箱室時明顯。
4.2穩(wěn)定性分析
在主橋拆除的過程中，隨著不同施工荷載的組合作用及體系轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)的力學行為變得復(fù)雜，其線彈性穩(wěn)定因此發(fā)生變化。因此，有必要分析不同施工階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的變化，分析施工過程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全問題。本文采用第一類線彈性穩(wěn)定理論計算穩(wěn)定安全系數(shù)K,并分析施工過程拱橋的穩(wěn)定性是否滿足相關(guān)規(guī)范[12]的要求。
本文計算成橋階段、搭設(shè)支架階段、拆除中跨合龍段箱室階段、拆除邊跨合龍段箱室階段、拆除9號塊箱室階段這5個關(guān)鍵施工階段的前3階穩(wěn)定安全系數(shù)K。其荷載組合形式為K×(自重+斜拉索索力+風荷載+預(yù)應(yīng)力荷載+二期鋪裝+130 t配重),隨著施工階段的進行，部分荷載隨之激活鈍化。上述5個階段的失穩(wěn)模態(tài)主要為：索塔同向面外失穩(wěn)，索塔反向面外失穩(wěn)，主梁面內(nèi)失穩(wěn)，中跨主梁面內(nèi)失穩(wěn)，左索塔面外失穩(wěn)，右索塔面外失穩(wěn)，左索塔面內(nèi)失穩(wěn)，右索塔面內(nèi)失穩(wěn)，右側(cè)主梁面內(nèi)失穩(wěn)。將上述5個施工階段的前3階失穩(wěn)模態(tài)，以及前3階穩(wěn)定系數(shù)進行匯總，結(jié)果見表2;依據(jù)表2的數(shù)據(jù)及規(guī)范取值K=4繪制曲線圖，如圖11所示。
表2 5個關(guān)鍵施工階段的前3階失穩(wěn)模態(tài)匯總 導(dǎo)出到EXCEL
施工階段
穩(wěn)定安全系數(shù)
第1階
第2階
第3階
成橋階段
索塔同向
面外失穩(wěn)
索塔反向
面外失穩(wěn)
主梁面內(nèi)失穩(wěn)
搭設(shè)支架階段
索塔同向
面外失穩(wěn)
索塔反向
面外失穩(wěn)
中跨主梁
面內(nèi)失穩(wěn)
拆除中跨合龍
段箱室階段
左索塔
面外失穩(wěn)
右索塔
面外失穩(wěn)
中跨主梁
面內(nèi)失穩(wěn)
拆除邊跨合龍
段箱室階段
左索塔
面內(nèi)失穩(wěn)
右索塔
面內(nèi)失穩(wěn)
右側(cè)主梁
面內(nèi)失穩(wěn)
拆除9號塊
箱室階段
左索塔
面內(nèi)失穩(wěn)
右索塔
面內(nèi)失穩(wěn)
右側(cè)主梁
面內(nèi)失穩(wěn)
圖11 穩(wěn)定安全系數(shù)變化曲線 下載原圖
(1)在成橋階段、搭設(shè)支架階段、拆除中跨合龍段箱室階段、拆除邊跨合龍段箱室階段、拆除9號塊箱室階段5個施工階段，前3階的穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范值K=4,穩(wěn)定性滿足要求。
(2)在搭設(shè)滿堂支架階段階段與拆除9號塊箱室階段，第3階穩(wěn)定系數(shù)有較大變化。計算結(jié)果表明，改變邊界條件形成的體系轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著較大的影響。因此，施工過程應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，按施工順序有序、緩慢進行。
5 結(jié)語
(1)對于大跨度斜拉橋的拆除工程，橋梁的靜力力學特性、動力力學特性和穩(wěn)定性是設(shè)計和施工中需要密切關(guān)注的問題。某大橋主橋拆除工程在拆除中跨箱室和釋放C5斜拉索的施工過程中，橋梁的應(yīng)力、位移發(fā)生了顯著的變化；在搭設(shè)滿堂支架階段與拆除搭設(shè)在9號塊的支架階段，體系的穩(wěn)定性會發(fā)生驟變。因此，在施工過程中，必須充分考慮存在邊界條件改變或自身結(jié)構(gòu)改變從而形成的體系轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)力學特性的影響，在實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)化的過程中要按照相關(guān)專項施工方案有序、緩慢地進行操作，等變化穩(wěn)定后再進行下一步驟，防止因應(yīng)力、位移和穩(wěn)定安全系數(shù)的驟變影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。
(2)模型計算過程中出現(xiàn)拉應(yīng)力不對稱分布的情況，主要是由于拆除中跨合龍段箱室階段后體系左右兩側(cè)約束條件不對稱導(dǎo)致的。因此，應(yīng)在拆除前在第二個主墩設(shè)置x方向的約束，從而使施工得以安全進行。
(3)本研究的施工技術(shù)方案和數(shù)值分析對同類型斜拉橋安全順利拆除具有重要的理論和工程指導(dǎo)意義。
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