基于挂篮悬挂方式的旧T构桥拆除安全性分析

姚丝思, 邬晓光

(长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室, 陕西 西安 710064)



基于挂篮悬挂方式的旧T构桥拆除安全性分析

姚丝思, 邬晓光

(长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室, 陕西 西安 710064)

为深入了解旧T构桥拆除的安全性,采用挂篮悬挂方式,基于有限元模型求解旧T构桥拆除过程中挂篮的弯曲应力、剪应力、挠度以及配套构件受力等重要指标,验证了基于挂篮悬挂方式的旧T构桥拆除的安全性.研究结果表明,拆除过程中挂篮的弯曲应力、剪应力均小于材料的容许应力;挠度和线形满足设计要求;配套构件钢丝绳和卷扬机满足施工安全性要求;桥梁拆除采用挂篮悬挂的方式,按建桥施工的逆作业顺序进行是可行的.

挂篮悬挂; 旧桥拆除; 安全性; 验算

随着桥梁使用年限的增加,部分老旧桥梁出现了外观的损伤以及结构的缺陷.更重要的是,在交通土木的飞速发展下,对道路和桥梁的要求越来越高,很多修建于20世纪六七十年代的桥梁已经不能满足现阶段的交通需求而被拆除[1-8],但是桥梁的拆除存在着巨大的安全隐患.因此,国内外多位学者对旧桥拆除进行了研究,文献[9]讨论了旧桥拆除的四大常用方法及相应的优缺点,并提出旧桥拆除需要一座桥一个方案,不可生搬硬套;文献[10]对高速公路改扩建中的旧桥拆除技术进行了分析,并提出了对旧桥进行加固再利用的理念;文献[11]基于国外的一座立交桥拆除实例提出了液压系统平移法,对旧桥的结构强度、临时支架稳定性和锚碇设计进行了分析,并进行了相关的模型试验.综上所述,旧桥的拆除是一个不可避免而又存在安全隐患的工程,而使用挂篮悬挂的拆除方案非常常见,以挂篮的弯曲应力、剪应力、挠度为主要控制指标,对旧桥拆除的安全性进行分析非常的必要.本文以某T型刚构桥为例,求解旧桥拆除过程中挂篮的弯曲应力、剪应力、挠度指标,了解其安全储备,并为其他T构桥的拆除提供参考.

1 工程概况

某T构桥桥跨布置为(37+54+37)m,主孔跨中和边跨设吊梁,吊梁长度为20 m,通航孔净宽50 m,净高7 m,T构箱梁2、3主墩在河道水中,T构由0 ～5号共11个块段组成.箱梁横截面为双箱单室,两个单室顶板中间部位设50 cm铰缝连接,桥面顶板宽17 m,厚度20 cm,腹板厚度30 cm,牛腿处厚度38 cm,箱梁底宽为524 cm,厚度13～17 cm.桥梁立面如图1所示.

图1 某旧桥拆除总体立面图(单位: cm)

2 挂篮悬挂拆除方案

根据老桥结构和现状,桥梁拆除采用建桥施工的逆作业顺序拆除,即凿除桥面铺装和护栏,采用链锯将中跨吊梁铰缝处切开,吊车分块起吊运出场外,用相同的办法将两个边跨吊梁拆除运出场外;T构上安设挂篮,用卷扬机将从5～1号块对称下放到船上运出指定地点破解.最后将0号块、桥墩用绳锯分块解体,浮吊起吊运出下游码头指定地点破解.旧桥现状如图2、图3所示.

图2 某旧桥拆除侧面图

图3 某旧桥拆除底面图

3 挂篮主要控制指标

挂篮根据拆除构件最大自重42.56 t进行控制设计,单只挂篮设置两路主桁,每路主桁由4排贝雷拼装而成,长度36 m,按照T构通长(34 m)分布,头部顶层架设十字交叉贝雷片,两端各6片,长6 m,贝雷片头部顶上横1根大梁,大梁下挂一对滑轮组,定滑轮5片,动滑轮4片,2根后锚杆与4根前吊杆均采用Φ32精轧螺纹粗钢筋,螺杆底端均采用双螺母锚固.起重卷扬机钢丝绳拉力5 t,整体起重能力达到45 t,两个悬臂吊梁起重能力达90 t,而该桥最重切割下来箱梁块件最大将近43 t,可见悬臂吊梁起重能力远大于切割下来的T构箱梁块件重量.挂篮构造详见图4、图5.

图4 挂篮拆除施工总体布置示意图

图5 挂篮拆除施工断面示意图

本文采用Midas/civil建立有限元模型,其中贝雷梁采用梁单元.模型中约束条件为:贝雷梁与梁体之间约束采用刚性连接(只受压)模拟,梁体用一排固定节点模拟,后锚点下端固结;模型中的载荷为:考虑贝雷梁挂篮的自重作用,并将梁体截段自重等效成节点集中载荷作用在挂篮结构上.

根据本T型刚构拆除施工流程,在两个载荷工况下对挂篮的应力、变形进行验算,两载荷工况如表1所示.

表1 载荷工况

图6、图7为挂篮的有限元模型整体示意图和局部示意图.

此挂篮属于对称结构,在施工过程中对称施工,所以仅对一侧挂篮的应力、变形进行分析验算即可.

贝雷架也称为“装配式公路钢桥”,原名叫“321”公路钢桥.贝雷片材料的容许应力按基本应力提高30%,个别钢质杆件超过上述规定时,不得超过其屈服点的85%,故本文中材料Q345钢材的剪应力及弯应力容许值为1.3×210=273 MPa.

图6 挂篮的有限元模型整体示意图

图7 挂篮的有限元模型局部示意图

3.1 挂篮弯曲应力指标控制

自重作用下、切割后下放前、梁体下放时挂篮的主桁、前上横梁、后锚、前吊杆的弯曲应力见表2～表4.由表2～表4可知,自重作用下、切割后下放前挂篮在梁段载荷作用及下放梁段时挂篮在梁段载荷作用下,挂篮的弯曲应力值远远小于材料的容许应力.

表2 自重作用下挂篮应力计算表

表3 切割后下放前挂篮应力计算表

表4 下放梁段时挂篮应力计算表

3.2 挂篮剪应力指标控制

自重作用下、切割后下放前、梁体下放时挂篮的主桁、前上横梁、后锚、前吊杆的剪应力见表5～表7.由表5～表7可知,自重作用下、切割后下放前及下放梁段时挂篮在梁段载荷作用下挂篮的剪应力值远远小于材料的容许应力.

表5 自重作用下挂篮应力计算表

表6 切割后下放前挂篮应力计算表

表7 下放梁段时挂篮应力计算表

3.3 挂篮变形指标控制

根据有限元软件模拟可知,切割后下放前挂篮在梁段载荷作用下最大值发生的位置在主桁架中间部位,变形最大值为12.4 mm,梁体下放时挂篮变形最大值发生的位置在主桁架中间部位,变形最大值为11.9 mm.详见图8.

图8 挂篮主桁架变形图

根据我国《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)[12]要求,挂篮构件变形值应小于L/400,其中L为主桁架的长度,故变形限值为90 mm,可见计算值明显小于规范限值,满足要求.

3.4 卷扬机、钢丝绳指标控制

挂篮一侧的梁下为两组滑轮组,每组定滑轮5片,动滑轮4片,用9根钢丝绳连接,滑轮组为省力滑轮组,从而使上部卷扬机的受力减小.卷扬机的受力主要来自于钢丝绳的拉力,梁体自重通过钢丝绳的传递,又经过滑轮组结构,最终传到卷扬机处的力减小了一大部分.

卷扬机钢丝绳能承受的最大拉力为5 t,故整体起重能力达到45 t,可见悬臂吊梁起重能力大于切割下来箱梁块件重量.

钢丝绳的容许应力1 470 MPa,直径为47.5 mm,总长度为200 m,根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)[12]要求,其安全系数不小于6,则此处取安全系数为7.

根据箱梁块件最大重量可得一组滑轮组承受的最大拉力为21.28 t,又每组滑轮组有9根钢丝绳,易得每根钢丝绳承受的最大拉力为2.865 t,小于卷扬机钢丝绳能承受的最大拉力,满足要求.由钢丝绳的直径可得其面积为17.72 cm2,进而求得每根钢丝绳的最大拉应力为13.34 MPa.根据钢丝绳的容许应力值及安全系数,可知其容许应力为210 MPa,故钢丝绳最大拉应力远小于其容许应力,满足要求.

4 结 论

为深入了解采用挂篮悬挂方式拆除旧T构桥的安全性,基于有限元模型软件Midas求解了旧T构桥拆除过程中挂篮的应力、挠度以及其他配套构件的重要控制指标,得出的主要结论有:

(1) 拆除过程中挂篮的弯曲应力、剪应力指标小于材料的容许应力,挠度也满足设计要求;挂篮结构稳定,安全可靠.

(2) 拆除过程中钢丝绳应力小于材料容许应力,卷扬机受力小于其最大承载力,故配套构件的受力满足安全性的要求.

(3) 在施工中,中部贝雷梁上应放置适量重物,以减少贝雷梁上拱变形值.

(4) 桥梁拆除采用挂篮悬挂的方式按建桥施工的逆作业顺序进行是可行的,挂篮结构稳定,安全可靠,满足施工安全性要求.

[ 1 ] 胡开建. 预应力混凝土旧桥承载能力评定方法研究[D]. 杭州:浙江大学, 2012. (HU K J. Carrying capacity evaluation methods of old prestressed concrete bridge[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.)

[ 2 ] 王旺劝,向睿,周喜龙. 反浇筑顺序的节段切割法在旧桥拆除中的应用研究[J]. 交通科技, 2007(4):34-36. (WANG W Q, XIANG R, ZHOU X L. The application of the segmental cutting method in the removal of the old bridge in the process of the old bridge removal[J]. Transportation Science and Technology, 2007(4):34-36.)

[ 3 ] 张治成,胡开建,李强,等. 旧桥拆除中的预应力筋放张效果探讨[J]. 华东公路, 2012(3):68-71. (ZHANG Z C, HU K J, LI Q, et al . Discussion on the effect of prestressing tendons in the demolition of old bridge[J]. East China highway, 2012(3):68-71.)

[ 4 ] 孔繁龙. 施桥运河大桥旧桥拆除施工技术[J]. 华东公路, 2013(1):16-19. (KONG F L. The old bridge demolition construction technology of Shiqiao Canal Bridge[J]. East China highway, 2013(1):16-19.)

[ 5 ] 漆智. 浅谈旧桥上部结构拆除施工方案与控制[J]. 福建建材, 2015(5):64-66. (QI Z. Discussion on the demolition scheme and control of the old bridge’s superstructure[J]. Fujian Building Materials, 2015(5):64-66.)

[ 6 ] 王标才,秦峰,卢文才. 青口互通旧桥拆除方法论述[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2015(8):143-144. (WANG B C,QIN F,LU W C. Discussion on demolition method of Qingkou Hutong old bridge[J]. Highway Traffic Science and Technology(Technology Edition), 2015(8):143-144.)

[ 7 ] 刁晓晨,辛凯丰,李琳. 复康路立交桥工程大面积旧桥拆除施工技术[J]. 天津建设科技, 2010,20(6):51-53. (DIAO X C, XIN K F, LI L. Removal of Large Areas of Old Bridge Construction[J]. Tianjin Construction Science and Technology, 2010, 20(6):51-53.)

[ 8 ] 于群,王景,叶文超. 废旧橡胶混凝土抗碳化性能的试验研究[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2015,27(1):60-63. (YU Q,WANG J,YE W C. Experimental study on carbonation resistance of waste rubber concrete[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2015,27(1):60-63.)

[ 9 ] 杨梓,徐文平. 旧桥拆除方法要览和案例简介[J]. 特种结构, 2010(6):88-90. (YANG Z, XU W P. Introduction of old bridge demolition method and case[J]. Special Structures, 2010(6):88-90.)

[10] 王聪. 浅谈高速公路改扩建旧桥拆除及加固技术[J]. 北方交通, 2015(8):59-61. (WANG C. Brief analysis on highway reconstruction and expansion old bridge removal and reinforcement technology[J]. Northern Communications, 2015(8):59-61.

[11] 刘显晖,谭柳芳,杨帆,等. 一种旧桥拆除的创新方法[J]. 施工技术, 2005,34(9):4-6. (LIU X.H, TAN L F, Yang F, et al. A new construction method to remove old bridges[J]. Construction Technology, 2005,34(9):4-6.)

[12] 中华人民共和国交通部. 公路桥涵施工技术规范:JTG/T F50—2011[S]. 北京:人民交通出版社, 2011. (Ministry of Transportation of the Peoples Republic of China. Technical specification for construction of highway bridge and culvert: JTG/T F50—2011[S]. Beijing: China Communications Press, 2011.)

【责任编辑: 赵 炬】

Analysis on Safety Checking of Old T Structure Bridge Demolition Based on Hanging Basket Cantilever Method

YaoSisi,WuXiaoguang

(Key Laboratory for Bridge and Tunnel of Shaanxi Province, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to gain an insight into the safety of the demolition by hanging basket of the old T bridge, the bending stress, shear stress, deflection of the hanging basket and force of the matching component in the demolition of the old T bridge are solved based on finite element model. The safety of the old T bridge demolition is verified by hanging basket. The results show that: during the removal process, the bending stress and shear stress of the hanging basket should be less than the allowable stress of the material, deflection and alignment meet the design requirements; the supporting component of wire rope and hoist construction meet the safety requirements; the method for removing bridge by hanging basket and inverted sequence of the sequence of bridge construction is safe and feasible.

hanging basket cantilever; old bridge demolition; security; checking calculation

2016-10-17

陕西省交通运输厅科技资助项目(13-25k); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(201493212002).

姚丝思(1991-),女,山西晋城人,长安大学硕士研究生; 邬晓光(1961-),男,湖北英山人,长安大学教授,博士生导师.

2095-5456(2017)02-0153-05

U 441.3

A