王步高 王卫锋

随着我国交通的快速发展,原有桥梁的净空已不能满足通航的要求,且部分桥梁存在较为严重的病害,因此需要对这些桥梁进行拆除。目前在桥梁拆除方面还没有专门规范指导和经验可借鉴,拆除方法还很不系统、完善,处于起步阶段。旧桥经过多年的运营,其强度、刚度、稳定性都有不同程度的下降,结构受力更为复杂;拆除时不可预见因素多,确保结构、人员、设备安全难度大、要求更高。可见,旧桥拆除比新建桥梁具有更多未知因素、更加危险。在拆除施工过程中,连续梁结构体系经过多次体系转换,主梁的内力状态随工况进行改变。特别是将某一跨完全拆除时内力突然释放,会产生一定的冲击力,造成弹性振动危及结构体系的稳定。因此,对桥梁拆除过程进行受力分析是很有必要的。本文以一座需要拆除的钢筋混凝土连续梁桥作为工程背景,运用有限元软件MIDAS对其进行拆桥过程的模拟;在分析过程中,采用等效刚度法模拟箱梁各部分的拆除。

1 工程概况

该桥是一座21孔的普通钢筋混凝土连续箱梁桥,每孔跨径20 m,桥面布置为:9 m行车道+2×0.4 m防撞墙+2×1.25 m人行道+2×0.2 m栏杆,全宽12.7 m。

根据该桥的实际情况,采用金刚石绳锯切割的拆除方法。纵桥向拆除顺序和箱梁横向拆除顺序如下。

1.1 纵桥向拆除顺序

桥梁纵向拆除顺序为:同时拆除第5跨和第11跨→同时拆除第6跨和第12跨→拆除第17跨→拆除第18跨。支座处每次预留长度1 m,以保证结构安全。

1.2 箱梁横向拆除顺序

箱梁横向拆除顺序为:拆除两侧翼板→拆除左室和右室→拆除中腹板。拆除箱梁的剖面分块图和切割面示意图见图1。

2 等效刚度法的应用

由于有限元分析软件MIDAS/CIVIL的局限性,因此在建模分析过程中采用等效刚度法模拟箱梁横向的拆除。

2.1 等效刚度法的等效原则

箱形截面拆分图和等效截面示意图见图2。

等效原则如下:1)在等效过程中,保证等效截面的总面积与箱形截面的面积一致,均为5.01 m2,则箱梁的质量没有发生改变,实现了自重的等效。2)保证等效截面对其中性轴的惯性矩与箱形截面对其中性轴的惯性矩一致,均为1.09 m4。3)保证等效截面的中性轴和箱形截面的中性轴在整个模型中的竖向Z坐标值相等。4)等效截面是由五个单独的矩形截面组成,即五个单元组成,各单独单元的节点间通过刚臂连接起来,则原箱形截面承受的弯矩为这五个矩形截面承受的弯矩之和。

运用等效截面之后,可以很方便地在施工阶段中模拟拆掉翼板、箱梁和中腹板的过程。

2.2 等效刚度法在拆桥中的应用

为了运用MIDAS详细模拟各部分的拆除过程,则采用等效刚度法,将一个箱梁单元等效为五个矩形截面单元,在拆除某一部分时,只需将对应的单元钝化即可,这样便能实现拆桥过程的细部模拟。

建立A,B和C三个模型,A模型中的所有截面均采用图2中的箱形截面,B模型第5,6,11,12,17,18跨均采用图2中的等效截面,C模型采用修改截面特性值(截面面积、惯性矩等)的方法模拟拆桥过程;A,B,C模型的其他参数则保持一致。

2.2.1 拆桥前A,B模型的结构内力值对比

经过有限元分析,A,B模型在开始拆桥前,在自重、二期铺装和收缩徐变荷载作用下结构内力情况如表1所示。

经过对比分析,在开始拆桥前,A,B模型各跨的弯矩最大值较为相近,相差百分比的最大值仅为-1.23%,满足工程的精度要求。

2.2.2 拆桥完成后A,B模型的结构内力值对比

A,B模型在第5,6,11,12,17,18跨拆除完成后,在自重、二期铺装和收缩徐变荷载作用下结构内力情况如表2所示。

表1 开始拆桥前A,B模型的内力情况比较

表2 六孔完全拆除后A,B模型的内力情况比较

经过对比分析,在拆桥完成后,A,B模型各跨的弯矩最大值非常相近,相差百分比的最大值仅为-0.1%,完全满足工程的精度要求。

2.2.3 拆桥过程中B,C模型的结构内力值对比

选择一个拆除步骤进行对比分析,在第5跨和第11跨的翼板拆除后,B,C模型在自重、二期铺装和收缩徐变荷载作用下结构内力情况如表3所示。

表3 拆除过程中B,C模型的内力情况比较

经过对比分析,在拆桥过程中(只选了拆桥过程中的某一步),A,B模型各跨的弯矩最大值比较接近,相差百分比的最大值仅为-2.13%,满足工程的精度要求。

3 结语

为了保证结构在拆桥过程中的安全性,需要验算结构的抗弯承载能力,则结构在各种工况下的内力值是求解的重点。对于该钢筋混凝土连续梁桥,在开始拆桥前、六孔完全拆除后以及拆桥过程中这三种工况,分别采用本文中的等效刚度法进行计算,得出其内力结果均具有比较好的精度,满足工程的要求。因此,等效刚度法在进行拆桥的安全性分析中能起到不错的效果。但应用等效刚度法时,要注意遵循刚度等效原则,确保刚度等效的合理性。

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