跨线箱梁桥切割拆除的数值模拟及施工关键技术研究

汪 远，姜晓勇，梁 瑜，冼家荣，蔡林庭，叶锡钧

（1、中铁上海设计院集团有限公司广州分院 广州 510640；2、广州大学土木工程学院 广州 510006）

0 前言

随着城市人口密度不断增加，为了方便人们的出行，交通网络得到快速发展，然而早期建成的高架桥由于各种原因已经无法适应人们的出行需求，因此高速路上跨线桥的拆除与重建成为了现在的发展方向之一，然而快速路上跨线桥的拆除势必会影响到快速路的运行情况，特别是位于附近建筑比较密集的地域，如何在不造成交通拥堵且不影响附近居民的情况下，安全有效地进行高速路上跨线桥的拆除重建已成为各界关注的焦点。

许多国内外学者就上述问题进行了大量的研究。吕海军等人［1］就高架桥的拆除方法，以工程案例为证做出了多种方法的对比分析；朱世峰等人［2］依托某高架桥拆除工程，研究了一种车载移动式提吊下放移除设备以达到快速拆除的目的；区希等人［3］就某高架桥拆除实例，研究了钢筋混凝土机械切割新技术在工程中的应用；卫君毅［4］将金刚石线锯应用到了某工程桥梁切割拆除中，并对这项技术进行了深入探讨；陈备［5］以某旧桥拆除工程为例，分析了施工难点并探讨了合理施工方案；李亚民［6］就某立交桥拆除实例，通过BIM 技术对拆除过程进行预演，研究了移动式拆除装置在工程中的应用；拓明星等人［7］以某立交桥改造工程为例，研究了切割法在预应力箱梁拆除中的应用；王国俊［8］以某高速路改建工程为例，研究了不同结构类型跨线桥的拆除方案；张志军等人［9］就城市核心区域某高架桥拆除工程为例，结合BIM 技术研究新型绿色静力切割技术在工程中的应用。

本文以某上跨既有运营路线的箱梁桥拆除工程为例，结合有限元软件仿真模拟，计算桥梁在进行分段拆除时各构件的受力特点与各向变形，探讨在保证桥梁交通安全运营的情况下的最优拆除施工方案，供同类工程施工作为参考。

1 工程概况

该跨线桥上部结构为11 孔一联的普通钢筋混凝土连续箱，采用单箱单室截面形式，每跨约20～22 m，底部宽3.5 m，桥面宽9.0 m，梁高1.4 m，混凝土标号为C35。下部结构中桥墩分为两种形式：其中两跨跨越快速路的桥墩采用预应力钢筋混凝土龙门架形式，其余跨为独柱墩，龙门架墩柱直径为1.0 m，独柱墩直径为1.3 m，如图1所示。

图1 跨线箱梁桥与运营线路的关系Fig.1 Relationship between Overpass Box Girder Bridge and Operation Line

2 箱梁桥拆除施工关键技术

2.1 工程难点要点分析

⑴由于所拆桥梁为上跨线桥，拆除时需保障下方原有快速路的车辆通行，减少对快速路交通安全的影响。

⑵桥梁拆除方法［10］主要有控制爆破、静态破碎、机械破碎以及静力切割技术等，拆除时需要考虑控制的施工器具的作业范围，以及施工时对快速路存在的安全隐患。

⑶拆除时应自上而下，先次后主，对称均衡，主体结构未破损前恒载最小，桥梁拆除过程中强调结构稳定性。

⑷梁桥主体结构、临时支撑和吊装系统必须进行可控的强度和稳定计算。

2.2 拆除方案比选及制定

由于本项目拟拆除的桥梁跨越快速路，桥梁的拆除不能采用爆破方式，故制定切割拆除方案，选择机械无震荡分块切割的方式［11］进行分块切割，汽车吊吊装外运，场外破除。切割方案和施工顺序需根据桥梁的结构及施工交通组织来合理确定，拆除时需保障原有快速路的车辆通行，减少对快速路交通安全的影响，跨快速路的四跨桥梁的交通组织安全实行全封闭施工，其余各跨做好围蔽防护。

2.3 施工流程及关键技术

桥梁拆除施工遵循从上至下、逐层、分段实施的原则进行。箱梁拆除较为复杂，总体上从两边向中间进行，先拆除翼板和人行道，再拆除顶板，最后拆除腹板和底板，箱梁拆除的详细流程如下：

⑴ 拆除方向：全桥切割顺序如图2 所示，其中A1～A12 为桥墩位置。首先拆除A7-A8 跨（解联），随后对称拆除A6-A7 跨和A8-A9 跨，按此原则在两侧分别逐跨拆除至A2-A1跨和A11-A12跨。

图2 桥梁布置Fig.2 Layout of the Bridge

⑵切割顺序：箱梁截面如图3 所示，以每跨箱梁为单一拆除单位，按照以下顺序切割：翼板➝箱梁顶板➝箱梁底板➝箱梁腹板。

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

⑶板块切割

a. 翼板切割：翼板以每长4 m 为一拆除单位，沿着跨纵桥向切割跨桥两边翼板，拆除时应考虑跨桥左右平衡卸重。

b. 顶板切割：顶板以箱梁顶板每长3 m 为一个拆除单位，以纵桥向每平行3 m 切割箱梁分体的④号向内斜刀口，拆除时需从中间向两侧平衡拆除。

c. 底板切割：箱梁底板以4.5 m 长度为一个拆除单元，拆除时需从中间向两侧平衡拆除。

d. 腹板切割：横隔板切割后分成两块腹板单元，同时拆除。

3 有限元计算分析

3.1 计算基本假定

⑴在结构分析之初，先要确定结构最初的实际状态，通过详细外观检查，确定结构的检算系数，如：截面折减系数，恶化系数等，目的是准确模拟实际桥梁结构的初始状态。

⑵计入施工阶段收缩徐变以及成桥运营阶段多年的徐变影响。

⑶该桥为曲线梁，但跨度比为0.4，且桥面宽为9 m，可建立单梁模型进行计算，按照实际的桥梁结构状态对桥梁节点进行合理约束。A4～A8处墩梁固结，其余墩、梁为铰接。横隔梁以重力的方式施加。

⑷针对拆除桥梁的主要受力特点，偏安全考虑，计算时不考虑普通钢筋的作用。

⑸由于计算软件的局限性，目前尚无一种计算软件可以准确模拟本拆除方案的实际施工过程，拟采用截面刚度折减法进行仿真计算。

3.2 有限元建模

应用Midas软件建立桥梁的有限元模型如图4所示。

图4 桥梁有限元模型Fig.4 FEM of the Bridge

采用截面刚度折减法进行仿真计算，将图5 所示的截面形式拆分成5 部分，根据Midas 的SPC 截面特性计算器对原截面和各拆分部分的截面特性进行计算。再利用桥梁博士软件计算截面抗弯承载力，对于龙门架部分，按全预应力构件验算。

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

3.3 计算结果及分析

桥梁的拆除过程主要关注各施工阶段下主梁和龙门架的受力和变形状态，其在各关键施工阶段的结果如下，因篇幅关系，本文仅列出几个关键工况的计算结果：

3.3.1 主梁

桥梁的某一跨拆除后，影响最大的是相邻两跨主梁的跨中和墩顶的受力及变形情况，结果如表1 所示，应力和变形均在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362—2018》［12］允许范围内。

表1 主梁受力和变形结果Tab.1 Stress and Deformation Results of Main Beam

3.3.2 龙门架

A4～A8 跨段箱梁架在龙门架上，在拆除A4～A5、A5～A6、A6～A7、A7·A8 跨段箱梁时会对A5 龙门架及A7 龙门架造成影响。A5 龙门架及A7 龙门架的受力及变形情况计算结果如表2 所示，应力和变形均在文献［12］允许范围内。

表2 A5及A7龙门架受力和变形结果Tab.2 Stress and Deformation Results of Gantry Frame A5 and A7

4 结论

通过对本文的跨线桥拆除工程进行数值模拟与施工技术分析，得出以下结论：

⑴选用机械无震荡分块切割的方式进行施工，可创造良好的施工环境，保障营运线路车辆通行，减少对交通安全的影响。

⑵在A7～A8 跨解联后，结构体系发生改变，A6～A7 和A8～A9 跨由原结构的中跨变为新结构的边跨，结构内力仍均小于结构抗力；但因为结构体系发生改变，在突然解除纵桥向约束后，左、右两部分桥梁纵向变形的趋势在增大，A6～A7、A8～A9、A5 和A7 龙门架均出现0～31.2 mm 之间的横、纵桥向变形，变形值较大，且有增大的趋势，为防止发生倾覆，建议施工前须在待拆除跨左、右两侧的梁段底下增加相应的支撑或约束措施，同时对桥梁的三向位移进行实时监测。

⑶结合软件模拟分析，在施工中过程中应及时对桥梁的变形、应力和裂缝发展情况进行实时监测，如发现变形和应力误差偏大，或结构出现明显裂缝发展情况，应暂停施工，查明原因，及时采取处理措施，确保安全。