冲击钻孔施工对临近框架桥拆除影响的数值模拟分析

谢春明，李明国，黄华江，任 艳

(1.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心，广州 510420；广东华路交通科技有限公司，广州 510420；3.广东交通职业技术学院 土木工程学院，广州 510800)

0 引言

随着国内交通运输的快速发展，部分桥梁经过几十年的运营，大量超载车辆的通行，对桥梁造成了严重破坏，造成了严重的安全隐患，需要拆除后在原址上建设新桥。钻孔灌注桩基施工一般采用冲击钻成孔工艺，因新桥桩基距离旧桥较近，冲击钻振动扰动较大[1-2]，而新桥桩基施工过程中需同步进行旧桥拆除，因此须分析冲击钻孔施工对旧桥拆除的结构安全影响。

不少学者开展了桩基施工振动对周边建(构)筑物影响的测试、分析和研究工作[3-7]，但对框架桥影响的研究还较少。为了解冲击钻孔施工对框架桥拆除的安全影响，本文采用有限元软件建立部分框架桥模型，对冲击钻孔施工影响下临近框架桥的力学响应进行数值模拟与分析。

1 工程概况

某高速公路互通立交主线桥跨径组合为(15.02m+15m+30m+2×15m+9.67m+42×15m+15.02m)，桥位区未见断裂构造形迹，覆盖层主要为素填土、全新统粉质粘土，基底由花岗岩及风化层组成。第15～44跨为30×15m钢筋混凝土结构框架桥，分左、右幅设置，单幅长450 m，宽度为15.75 m，高12.5 m。结构形式包括空心板、墩柱、横梁、剪力墙、层板、扩大基础和桩基础，其中框架柱截面尺寸为1.5 m×1.5 m，横梁截面尺寸为1.50 m×0.95 m。框架柱主筋直径φ25 mm，间距12 mm；箍筋直径φ10 mm，间距100 mm。框架梁主筋直径φ22 mm，间距6 mm；箍筋直径φ8 mm，间距100 mm。剪力墙主筋直径φ20 mm。框架桥结构如图1所示。

图1 框架桥结构 (单位：mm)

框架桥经几次加固后仍存在多处破损、露筋和开裂等病害状况(图2)，被定为险桥，需对其进行拆除并同步在两侧修建新桥。新桥位置与旧桥平面位置关系如图3所示。

图2 框架桥现状

图3 新桥位置与旧桥平面位置关系

由于工期紧张，新桥桩基施工方案拟采用冲击钻孔施工工艺(冲击钻采用的冲锤重量为5 t，冲击时间为5 ms)。新桥桩基距离旧桥较近，最近净距约1.4 m，位于框架桥左侧。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

为了能准确地反映桥梁桩基工程施工加载对旧桥结构的影响[8-10]，综合桩基与旧桥结构的距离、地层岩土体强度参数以及影响范围等因素，采用ANSYS软件建立有限元模型，运用大型显示动力分析软件LS-DYNA进行力学响应分析。考虑到结构的对称性，取左幅桥距离冲击钻孔施工最近的2跨，采用分离式共节点模型建立部分框架桥模型[11](共节点分离式模型可以分别考虑钢筋与混凝土的不同受力状态，进而对结构提供更精确的分析)，再施加对称约束进行计算。为了减少边界效应的影响，模型的尺寸需要在土体范围上作一定的延伸[12-13]。根据有限元分析原理和一般处理经验，桩基影响范围一般为10倍桩径范围内，桩径为1.5 m，因此，水平方向取为桩基外约25 m范围，竖向取为旧桥底部约30 m范围。模型大小与实际结构完全相同，X轴方向为水平方向，走向为桥梁布置方向；Y轴方向竖直方向，向上为正；Z轴方向为桥梁横向。框架桥三维数值模型如图4所示。

图4 框架桥三维数值模型

模型中，混凝土与钢筋均采用随动硬化双线性弹塑性材料，混凝土采用Solid164单元模拟，钢筋采用Beam161单元模拟。模拟中混凝土选择塑性随动硬化材料，即*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，具体参数取值见表1。

表1 混凝土材料模型参数

在计算模型范围内分布的地层主要有素填土层、粉质粘土层，选择147号各向同性损伤材料*MAT_FHWA_SOIL模拟。模型中土层参数见表2。

表2 模型中土层参数

2.2 计算方案

冲击钻孔前无法预计成孔所需要的总冲击次数，而且很难计算多次累加冲击效应的影响，因此模拟冲击钻首次冲击，对比分析冲击钻孔施工对框架桥整幅拆除和半幅拆除两种方案的安全影响。

(1)框架桥整幅拆除方案：旧桥两侧新桥建设完成，交通流转换后对框架桥进行整体拆除。上部结构采用静力切割并吊拆后炮机凿除，下部结构从上至下炮机凿除。

(2)框架桥半幅拆除方案：为加快工期，旧桥一侧新桥建设完成，先进行单向交通流转换，再进行框架桥半幅拆除，剩余半幅继续车辆通行。

冲击钻采用的冲锤重量为5 t，冲击时间为5 ms，冲锤起升的高度不超过1.5 m，冲程为自由落体1.5 m。经计算得到冲击荷载为3.069 MPa。冲击钻首次冲击荷载的施加如图5所示。

图5 冲击钻首次冲击荷载施加

3 数值模拟结果分析

3.1 框架桥土体与墩柱竖向位移

框架桥土体与墩柱分析点位如图6所示，此处框架桥距离冲击钻孔净距最小。

图6 框架桥土体与墩柱分析点位

框架桥整幅拆除和半幅拆除两种方案土体竖向位移时程曲线如图7(a)所示。由图7(a)可知：由于冲击加载在地面，受冲击效应的影响，会引起周围土体的沉降。整幅拆除方案下，土体瞬时最大位移为8.15 mm，趋势稳定后为2.1 mm。半幅拆除方案下，土体瞬时最大位移为8.2 mm，趋势稳定后为2.2 mm。由图7(a)可见，两种方案下土体瞬时位移保持一致，整体位移也趋于一致。

框架桥整幅拆除和半幅拆除两种方案墩柱竖向位移时程曲线如图7(b)所示。由7(b)可知：冲击振动传递到旧桥墩柱，得到整幅拆除方案墩柱最大竖向位移为1.25 mm左右，半幅拆除方案墩柱最大位移1.75mm左右。

图7 框架桥两拆除方案土体和墩柱竖向位移时程曲线

3.2 框架桥墩柱混凝土与钢筋单元应力

在年度桥梁定期检查报告中，旧桥下部结构存在裂缝和表面缺陷等现象，因此需分析框架桥墩柱受力状况，选取框架桥距离冲击钻孔净距最小的墩柱一层根部作为分析部位。

框架桥整幅拆除和半幅拆除两种方案墩柱一层根部混凝土应力时程曲线如图8(a)所示。由图8(a)可知：整幅拆除方案时，冲击振动传递导致的墩柱一层根部混凝土最大受拉值为0.71 MPa，此时未达到屈服极限。此后混凝土受力呈拉压反复变化状态，并随着冲击振动传递的衰减，混凝土受力逐渐减小。半幅拆除方案时，墩柱一层根部混凝土受力与整幅拆除方案基本保持一致。

框架桥整幅拆除和半幅拆除两种方案墩柱一层根部与混凝土单元连接的钢筋单元轴向应力时程曲线如图8(b)所示。由图8(b)可知：整幅拆除方案时，钢筋单元最大受拉值为16.8 MPa，此后钢筋单元轴向受力呈拉压反复变化状态，并随着冲击振动传递的衰减，受力逐渐减小。半幅拆除方案时，钢筋单元受力与整幅拆除方案基本保持一致。

图8 框架桥两拆除方案混凝土和钢筋单元应力时程曲线

3.3 框架桥横向水平位移

对既有结构来说，水平位移是引起结构开裂的重要原因，因此需要考虑冲击钻施工影响下框架桥结构的水平位移。模拟中取桥面外侧点(图9)进行分析。框架桥整幅拆除和半幅拆除两种方案桥面外侧横向水平位移时程曲线如图10所示。由图10可知：受冲击振动传递和墩柱沉降的影响，整幅拆除方案时，水平位移值最大为外侧方向0.74 mm左右。半幅拆除方案时，水平位移值外侧方向最大为1.1 mm、内侧方向最大为3.2 mm左右。

图9 桥面外侧分析点位

4 两种拆除方案的对比分析

根据以上数值模拟分析结果可知：临近框架桥净距1.4 m处冲击钻孔施工，框架桥整幅拆除方案墩柱最大竖向位移为1.75 mm左右，半幅拆除方案墩柱最大竖向位移为1.25 mm左右；整幅拆除方案框架桥一层墩柱根部混凝土瞬时最大拉应力为0.71 MPa，钢筋最大拉应力为16.8 MPa，半幅拆除方案下混凝土和钢筋最大拉应力与整幅拆除方案基本保持一致。整幅拆除方案下桥面外侧横向水平位移分别为0.74 mm，半幅拆除方案下为3.2 mm。考虑到冲击钻孔过程中需要多次冲击，两种方案下框架桥墩柱竖向位移和半幅拆除方案下桥面外侧横向水平位移较大。

经模拟计算，冲击钻成孔工艺会对框架桥结构造成较大的安全影响。考虑到回旋钻孔施工具有振动小、噪音低等优点，建议改用回旋钻成孔工艺施工。新桥实际施工中已改用回旋钻作业，同时监测得框架桥沉降位移值小于3 mm，不影响旧桥结构安全。考虑到拆桥过程中的风险可控，拆除方案采用框架桥整幅拆除方案。

5 结论

为了解冲击钻孔施工对既有框架桥结构拆除的影响，分析其适用性，本文采用有限元软件建立典型的公路框架桥共节点分离式钢筋混凝土模型，对比分析整幅拆除和半幅拆除两种方案对临近框架桥的结构安全影响，得出如下主要结论：

(1)针对净距1.4m处冲击钻孔施工对临近框架旧桥拆除的影响，整幅拆除方案相对于半幅拆除方案，旧桥土体沉降值趋于一致，墩柱沉降值相差0.5mm，墩柱一层根部混凝土和钢筋受力相同。分析可知，由于左右幅结构相对独立，半幅拆除不会对另半幅桥结构造成太大影响。

(2)冲击钻孔施工时，整幅拆除方案、半幅拆除方案下桥面外侧横向水平位移分别为0.74 mm、3.20 mm。

新桥冲击钻施工距离旧桥过近，考虑到冲击钻孔过程中需要多次冲击，会引起框架桥沉降值以及桥面横向水平位移较大，导致结构承受较大的安全风险。实际施工过程中已改用回旋钻成孔工艺，同时监测得旧桥沉降位移值小于3 mm，满足旧桥结构安全要求。拆除方案采用框架桥整幅拆除方案，相对于半幅拆除方案风险更可控。