拆除下穿既有铁路框架桥施工有限元分析研究

摘要 以上海局萧甬铁路73号桥改扩建工程为例，采用逆向顶推技术拆除既有框架桥。为了研究拆除既有下穿式框架桥顶出过程中框架桥自身及土体应力-应变的变化规律，文章采用ABAQUS有限元软件建立了依托工程框架桥与土体的三维模型，并进行了数值分析研究，根据实际顶推拆除施工中框架桥两侧路基挖土厚度的变化情况，模拟了挖土厚度分别为0 m、1 m、2 m的三种框架桥顶出工况。研究结果表明，三种工况的顶推力-位移曲线均可以分成两个阶段，在第一阶段末静摩擦力转为滑动摩擦力时，顶推力到达最大值；顶出过程中框架桥底部的应力分布近似于正态分布，应力随路基挖土厚度的增大而减小；路基挖土厚度的增大可以降低框架桥侧面的土压力，有效减小路基在顶推过程中的变形；在整个顶推过程中，框架桥体的最大应力、应变小于结构体的混凝土的极限应力、应变。相比传统的人工拆除、机械拆除和绳锯法，这种顶出拆除的方法具有经济、安全和社会效益高的优势，值得借鉴和推广使用。

关键词 既有框架桥；顶出施工；挖土厚度；顶推力；应力；应变

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0135-03

0 引言

随着我国经济社会的快速发展，部分交通基础设施建设年代久远，很多老旧桥涵已不能满足日益增长的交通需求，对既有桥梁进行加固或改扩建较为常见，因此如何安全、可靠、经济地进行桥梁拆除成为需要解决的重点问题[1]。以往桥梁拆除较多为机械爆破拆除，即采取机械破碎、绳锯等方式将桥梁结构拆解后吊装，运至存放地[2]。机械破碎和爆破拆除方法危险性大，对环境污染、居民生活等影响较大，在安全、环保要求较高的地区往往不适用。绳锯法可以避免以上问题，但往往会因为机器无法放平、钢丝绳生锈、接头型号不匹配等问题引起短绳、噪声，存在安全隐患等现象，施工安全难以得到保证[3]。依据新建框架桥的顶进施工方法[4]，提出了一种适用于老框架桥的拆除方法——顶出拆除施工方法。为了保证在顶出过程中保障拆除方案的可行性和安全性，在顶推接触点的框架桥混凝土和计算应力最大点混凝土框架桥处布置应力-应变测试点，以监测应力-应变在顶推过程中混凝土应力-应变的变化规律，以此为依据确定最佳施力点、千斤顶的个数，以及顶推力的加载速度等方案[5]。顶出过程相当于顶进的逆过程，为确保安全，其顶推的方案、方向和高程控制等应采用不低于顶进施工的标准[6]。考虑框架桥混凝土的老化、承受着与新框架桥完全不同的荷载、地质、水文等工程现场情况，利用有限元法对顶出施工过程进行数值分析，可以更方便地进行参数优化及方案比选。另外，随着顶推时间的延长，框架桥结构本身可能会产生不均匀下沉、开裂等一系列问题。因此，在框架桥结构顶出施工过程中，对框架桥结构进行有限元的分析、控制和监测十分必要。

1 工程概况

以绍兴市越城区正平村萧甬铁路既有73号桥拆除工程为研究背景，结合数值分析方法开展不同工况下的旧框架桥在顶出过程中，其本身与周围土体受力及变形的研究。73号桥既有框架桥为单箱单室框架桥，箱体由南北两个长度分别为5 m和5.5 m框架桥组成，框架桥宽度为9.2 m，高度为6.2 m，箱身侧板厚度为60 cm，顶板厚度为55 cm，底板厚度为65 cm，顶底板主筋为φ25的HRB335级钢筋，框架桥主体采用C30混凝土。经工程地质初步勘察得知，既有框架桥边侧路基土体为粉质黏土，底部土体为黏土。为了保障上部既有铁路的减速运行，需在顶出旧框架桥的同时架设施工便梁。由于既有框架桥在顶出时会使周围土体产生应力和变形，从而间接改变便梁的支撑位置，在上部列车荷载的作用下将对便梁产生较大的变形，从而导致工程事故的发生，所以有必要对既有框架桥顶出过程中的土体进行分析，其试验及工艺流程如下：线路防护—框架桥清淤、后背梁施工—附属结构拆除—框架桥卸荷—粘贴应变片—既有框架桥顶出施工—读取应变仪的读数—既有框架桥拆除—应力、应变分析研究—有限元分析研究—结论。

2 有限元模型建立

有限元分析中主要考虑的是土体与既有框架桥周边土体的接触分析，两者主要通过接触对传递切向和法向应力，因而两者之间的接触采用通用接触；采用法函数计算切向，摩擦系数根据现场勘测报告提供的数据，框架桥底部与土体的摩擦系数取0.36，框架桥侧面与土体的摩擦系数取0.24；为了确保框架桥与土体之间产生穿透行为，法向采用硬接触。

混凝土本构模型采用ABAQUS有限元软件中提供的混凝土塑性损伤模型（Concrete damage plasticity）进行模拟，通过单轴拉伸和压缩的应力-应变曲线及损伤参数定义，混凝土强度则采用实际钻心取样试件的抗压试验结果。

框架桥顶出数值分析分成两步：（1）框架桥自重对下部土体的挤压，在模拟中通过指定钢筋混凝土的密度、定义静力加载步，并施加重力加速度的方式进行施加；（2）顶出框架桥，在模拟中通过在框架桥底板施加顶出方向10.5 m的边界条件进行实现。有限元分析时考虑现场实际路基的挖土情况，分别考虑了三种不同的工况，工况1为框架桥侧边不挖土，工况2为框架桥侧边路基挖土厚度为1 m，工况3为框架桥侧路基挖土厚度为2 m。

3 有限元分析结果

三种工况的顶推力-位移曲线的走势大致相同，整个顶出过程分成两个阶段：第一阶段为顶推力开始施加至框架桥即将移动，第二阶段为框架桥开始移动到框架桥顶出完毕，见图1所示。在第一阶段初期，随着顶推力的增大，框架桥并没有出现明显的位移，而较小的位移可能是在施加力的过程中，框架桥混凝土产生的弹性变形所致。直到第一阶段的末尾，顶推力-位移曲线出现峰值，随之顶推力又出现急剧下降段，但下降幅度并不是很大，参见图1所示。这种现象发生的原因是在框架桥顶推之初，其表面与混凝土之间只存在静摩擦力，当顶推力克服静摩擦力后，静摩擦力转变成滑动摩擦力，框架桥便突然往前移动，而由于滑动摩擦力比静摩擦力小，顶推力值随之下降，框架桥前移速度也将随之减小。选取三种工况的顶推力峰值进行对比，发现工况1的顶推力值（2 811.81 kN）大于工况2（2 577.51 kN），工况2的顶推力值大于工况3（2 361.03 kN），表明路基挖土厚度越大，所需的顶推力值越小。在第二阶段，顶推力值的变化基本趋于稳定，顶推力所需克服的滑动摩擦力包括两部分，分别为框架桥与底部土体和侧边土体的滑动摩擦力。出现少量下降的原因可能是随着框架桥的顶出，其侧边与混凝土的接触面积逐渐减小，因此滑动摩擦力也出现少量的削减，所需的顶推力也随之降低。

图1 顶推力-位移关系

考虑三种不同工况在第一阶段末尾框架桥的Mises应力图，如图2所示。从图2中可以看出，在考虑重力和顶推力共同作用的情况下，框架桥顶底板的应力明显大于侧板，但此时框架桥混凝土应力最大值并没有超过3 MPa，远小于混凝土的实测强度值，混凝土不会发生破坏。另外，由图2可知框架桥顶底板的应力均呈现出中间大、两侧小的现象，且由于顶推力施加在底板上，此现象在底板上尤为明显。为了更加细致地研究框架桥的应力分布情况，提取三种工况下的框架桥底板中部沿宽度方向的应力，参见图2。由图2得知三种工况下框架桥底部的应力分布近似于正态分布，且工况2、工况3中框架桥底板的应力都略小于工况1，这表明随着框架桥两侧路基挖土厚度的增大，在顶推力达到峰值时框架桥底板的应力将有所减小，混凝土更不容易发生开裂现象。图3为三种工况土体在三个位置处选取的采样点的应力情况。由图4可以看出，三种工况中侧边路基土体应力均随着高度的增大而逐渐减小，且随着路基挖土厚度的增大，三个部位同一高度点的应力均有所减小。由此可以得知，路基挖土厚度的增大可以有效减小框架桥侧面的土压力，相应地在顶出过程中，框架桥侧面与土体的摩擦力也随之减小。

由计算结果得知，路基土体在框架桥顶出至末尾时出现了最大的变形量，为此分别提取此时土体在端部、中部、尾部的变形量。由三个部位的变形图可看出，上部土体的变形大于下部土体，土体可能在上部先发生坍塌，应对上部土体进行加固处理。对比三种工况的土体变形情况，可以发现工况1的最大变形达到了119.22 mm，明显大于其他两种工况，这说明路基挖土可以大幅度减小路基在顶推过程中的变形量，如图5所示：

通过对有限元分析得到的顶推力-位移关系曲线、框架桥应力云图及土体应力云图等进行分析，可知：

（1）三种顶出工况的顶推力-位移曲线的走势大致相同，整个顶出过程分成两个阶段，在静摩擦力转变成滑动摩擦力时，顶推力出现最大值。

（2）在整个顶出过程中，框架桥底部的应力分布近似于正态分布，随着框架桥两侧挖土厚度的增大，在顶推力达到峰值时，框架桥底板上的应力将有所减小，混凝土开裂的可能性降低。

（3）三种工况下侧边路基土体应力均随着高度的增大而逐渐减小，且随着路基挖土厚度的增大，三个部位同一高度的应力和变形均有所减小。

（4）在整个顶出过程中，框架桥体的应力-应变均小于结构混凝土的极限值，桥体混凝土不会出现开裂现象。

4 结束语

采用顶出拆除法作为改扩建工程的前期工作，工程进展顺利可靠。如需进一步减小顶推力，可以考虑在框架桥两侧注浆以减小摩擦力。另外，滑床板可以根据实际的地质情况，采用不加固、临时填碎石加固或旋喷桩加固等措施，保障顶推滑行稳定。在顶出过程中，顶推方向和高程方向的控制标准，应采用不低于顶进施工的控制标准。通过不断地改进和优化，形成企业级工法和省级工法。因此，顶出拆除法可推广应用至上海铁路局乃至全国类似的拆除工程中。

参考文献

[1]王广群，丁小虎，谢宝.繁忙干线下既有连续箱涵保护性拆除技术——以临沭路下穿铁路立交工程为例[J].工程技术研究，2022（6）：76-80.

[2]谢国华，陈伟仁.旧桥桩基础水下切割技术[J].公路，2020（8）：180-184.

[3]刘治军，雷斌，叶坤.绳锯法模块式拆除大型钢筋混凝土墙体[J].施工技术，2018（4）：1145-1149.

[4]谢石龙，马占飞.大跨度连续梁桥临时固结体系施工与绳锯拆除技术[J].公路工程，2018（3）：131-135.

[5]马新文.下穿陇海铁路大断面斜交箱桥顶进施工测量技术[J].铁道建筑技术，2022（4）：118-122.

[6]尚培培.双孔框构桥下穿重载铁路顶进施工条件下线路加固技术研究[J].铁道建筑，2021（4）：39-43.