连续刚构天桥拆除全过程应力分析与研究

葛 芸

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030012)

1 概述

目前我国公路建设已进入平缓过渡期，随着经济的发展和车流量的日益增多，部分公路已无法满足社会发展的需求，但受当时技术条件和建设条件的制约，部分桥梁的严重老化且病害较多。近些年桥梁拆除工程也逐渐增多，受技术条件、施工防护措施以及人们的重视程度等因素的影响，事故也随之增多。

结合连续刚构桥梁的受力特点，选用较为合理的拆除方案，利用MIDAS Civil软件对(15+30+15)m连续刚构天桥拆除过程中应力分析及研究，可为今后该类桥梁的拆除提供参考。

2 工程概况

2.1 技术标准

被拆除天桥上跨二广高速得大段，原桥为一次搭支架整体现浇预应力钢筋混凝土连续刚构跨线桥，上部结构采用(15+30+15)m连续刚构，下部采用薄壁墩、肋板台，钻孔灌注桩基础，桥宽6m，桥下净空为5m。桥墩断面尺寸800mm×4400mm，原桥于2003年设计完成，桥梁设计荷载：汽车-20级，挂车-100，人群荷载：3kN/m2。

2.2 主梁断面

(15+30+15)m连续刚构天桥为预应力混凝土结构，主梁宽6m，梁高70～150cm，顶板厚20cm，由三道宽40cmT型纵肋组成。

图1 桥梁立面图(单位：cm)

图2 支点断面(单位：cm)

图3 跨中断面(单位：cm)

2.3 拆除方案的选取

桥梁结构的常规拆除方法主要包括人工拆除法、机械拆除法、爆破法。人工拆除法技术投入少，但速度慢，施工时间长，人工现场操作，容易对人身造成伤害且施工费用较高。机械拆除法如气动破碎、大型机械破碎法，施工周期较人工拆除法有所减缓，但施工过程中环境污染大，现场形象差。爆破法施工工期最短且拆除费用较少，但需与周边建筑保持一定的安全距离，社会影响大、爆破后现场形象差，爆破施工需对施工现场进行严格的安全及交通管制。

为降低噪音、污染、减少振动，同时为减小社会影响，本次拆除推荐采用静力拆除法，即钢筋混凝土切割拆除法。与传统的桥梁拆除技术相比，钢筋混凝土切割技术对工期要求紧迫、环保要求高，以及一些大型混凝土结构拆除、切割的工程，具有非常显著的优点。

3 计算模型建立

3.1 桥梁计算模型

在主梁拆除过程中，根据实际施工顺序对主梁的受力状态进行模拟，根据结构计算模型、几何特性、边界条件等必须与实际结构相一致，结构计算模型必须能反映结构分阶段形成的特点，正确反映各重要工况下的结构特性及荷载状况的原则，利用MIDAS Civil软件建立主梁拆除有限元模型，将全桥划分为180个单元。结构有限元计算模型如图4所示。

图4 结构空间计算模型

3.2 施工阶段划分

根据桥梁结构受力特点，将施工分为以下4个阶段。本桥拆除时在第二阶段形成悬臂结构，也是最不利阶段，极易发生倾覆安全事故，应着重计算分析该阶段：

(1)全封闭交通，中跨搭设满堂支架。

(2)中跨混凝土及中跨主梁吊装。

采用金刚石绳锯按照10m间距进行切割分段，中跨共拆分成6段，单侧3段，每段重量为8.1t，采用150t吊车进行节段吊装，吊车与吊点最远距离约为10m，T梁单件最重为39t。

(3)墩柱拆除，拆除中跨临时支撑恢复交通。

桥墩在全封闭时拆除，桥墩高度以5m考虑。单个桥墩共分4块，单块重11t。

(4)边跨切割、吊装。

防撞墙采用金刚石绳锯按照5m间距进行切割分段，边跨共拆分成12段，每段重量为4.1t。

4 结构计算及分析

计算运用Midas软件进行拆除过程的受力计算。主要是对构件在自重荷载的作用下进行强度验算(破坏、倾覆验算)，桥梁拆除工程应对施工时的各工况，考虑永久作用、施工荷载、风荷载、温度荷载等各种可能存在的作用，取其最不利组合，进行承载能力极限状态验算，作用组合应符合《公路桥涵设计通用规范》的规定，结果需满足上海市政工程建设规范《桥梁拆除工程技术规程》的各项规定。

4.1 混凝土强度取值

根据《桥梁拆除工程技术规程》(DG/TJ 08-2227-2017)规定，结构计算时，结构材料的设计强度需钻芯取样并实测取值，对于混凝土经时变化的设计强度，如实测有困难，可按本规程附录A计算取值。一般情况下，混凝土经时变化的设计强度可按下列公式计算：

计算得出混凝土强度抗拉设计值1.72 MPa，混凝土轴心抗压强度设计值20.57MPa。

4.2 施工阶段主梁及切割节段主梁应力

受桥下交通封闭时间的制约，中跨混凝土及中跨主梁吊装施工阶段优先进行，本阶段形成悬臂结构，也是最不利阶段，极易发生倾覆安全事故，应着重计算分析该阶段。

图5 每拆除10m节段主梁应力分布图

拆除长度 最大拉应力MPa 最大压应力10m6号单元0.7MPa2号单元-0.8MPa20m6号单元0.7MPa2号单元-0.8MPa30m6号单元0.7MPa2号单元-0.8MPa

验算结果：由计算结果可得，随着每10m节段的拆除，混凝土最大拉应力和压应力变化较小，主要在靠近梁端位置。在自重荷载作用下，主梁最大拉应力为-0.7MPa，桥墩最大拉应力-0.4MPa，小于混凝土强度抗拉设计值1.72MPa；主梁最大压应力为0.8MPa，小于待拆桥梁混凝土轴心抗压强度设计值20.57MPa，其受力满足设计要求。

4.3 临时支墩结构验算

临时支墩是桥梁拆除工程的重要组成部分，其设置可大大提高拆除工程的容错率，降低施工风险。支墩的强度是否满足要求对拆除工程至关重要，因此临时支墩的验算必不可少。

本项目临时钢支墩采用H400×400型钢为门式立柱， 32#工字钢制作安装平台，槽钢20#作为支撑和系杆，相互立撑。与基础相连处采用M24的底脚螺栓与钢立柱连接，每个钢柱为四个底脚螺栓，每个支墩为4根钢立柱，在相互支撑和拉结作用下保证施工安全的整体稳定。

采用midas/civil对支架系统进行计算，全部结构共划分58个单元，48个节点。其中支架各构件全部采用三维梁单元模拟，截面特性按照实际选取。

边界条件：支架底部按固结处理，支架顶部与分配梁之间刚性连接。

荷载：主要考虑混凝土梁传递过来的重量，以及支架系统的自重。

图6 支架有限元模型和横梁应力

由计算结果可得，自重作用下，柱顶横梁最大正应力为142.8 MPa，立柱最大正应力为22.9 MPa，满足受力要求。

5 结论

(1)根据不同的结构形式和周边环境，选择较为合理的拆除方案，能最大限度地降低社会影响，快速安全地实施桥梁拆除。

(2)桥梁拆除工程中的应力计算必不可少，结构重力可根据拆除构件的实际尺寸与材料的重度计算而得，对于悬臂拆除的桥梁应考虑不对称加载工况，各种作用的取值应符合现行《公路桥梁设计通用规范》JTG D60的规定。

(3)对于结构严重老化的桥梁，结构材料的设计强度应按实测取值(一般采用钻芯取样)，以确保拆除安全。

(4)桥梁拆除工程应对施工时的各工况进行受力验算，需考虑施工荷载、风荷载、温度荷载等各种可能存在的作用，取其最不利组合，进行承载能力极限状态验算。

(5)临时支墩一般采用槽钢、工字钢、角钢等型钢搭接而成，具有施工快且可回收利用的优点，是桥梁拆除工程中的重要组成部分，验算过程一般取较高的安全系数，可大大提高拆除工程的容错率，降低施工风险。