有限元分析法在某立交桥拆除仿真中的应用

陈芙蓉

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

近年来，桥梁拆除工程日渐增多，部分现有桥梁因不能满足交通量的需求以及经过长期运营存在较为严重的病害，需要进行拆除。桥梁拆除过程中的不确定因素多、风险大，缺乏完善的、系统化的规范指导[1-2]。将有限元仿真计算和现代施工工法相结合，掌握拆除施工阶段结构受力状况，可以为桥梁拆除安全提供保障[3-4]。

本文以一座立交桥的拆除为背景，建立了可以较真实反映实际工程的有限元模型，实现各个拆除过程的仿真模拟，在此基础上对拆除各施工阶段结构受力变形情况进行了计算分析，为拆除施工的质量控制提供指导，为以后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

原立交桥为三路交叉，互通形式为半定向Y形，现要将其改为四路交叉，所以要将原立交桥拆除。该次研究仅以该立交桥中的一联为对象，此联跨一条高速公路，为减小拆除对原有交通的影响，降低施工难度，拟采用小块切割法对上部结构进行拆除。即通过钢管桩和贝雷梁搭设支架、金刚石线锯切割机分段切割、大吨位吊机吊装的方式拆除。

该联桥的结构型式为跨径（17+32+17）m的预应力混凝土变截面连续箱梁，曲率半径为148.25m。主要截面属性为跨中梁高1.3m，墩顶梁高2.25m，桥面宽9.0m，底板宽4.5m。拆除支架布置如图1所示。

2 有限元模型的建立

为了了解在拆除过程中结构比较真实的应力位移分布情况，采用MIDAS/Civil建立包含主梁、桥墩和支架的整体模型，如图2所示，对结构在拆除过程中受力进行有限元仿真分析。

（1）为了尽可能地符合实际桥梁结构，采用空间梁单元建立弯桥模型，考虑曲率对结构受力的影响，但是不计桥面纵坡和横坡影响。综合考虑下部支撑间距和切割线所在位置进行单元划分，桥墩支座方向与该点处弯桥的切线方向一致。

（2）支架各个部件贝雷梁、贝雷梁横向联系、分配梁均采用梁单元进行模拟，贝雷梁上弦杆和下弦杆分别与相应的分配梁进行铰接。

（3）上部结构和支架之间的相互作用通过引入虚拟梁来实现，虚拟梁的容重为0，只作为传力的中介，与上方梁体相应的节点刚接，与下方相应的分配梁节点进行铰接。

3 施工过程及仿真模拟

3.1 施工方案

图1 支架立面和平面布置图（单位：cm）

图2 有限元模型示意图

上部主梁拆除时，在支架搭设完成并做好防护措施后，为了减轻切割段梁体重量，先拆除整个桥面系和翼缘板，剩余的主梁结构在跨中位置切断后用金刚石线锯切割法分段先中跨后边跨逐个拆除[5-7]，具体节段划分情况如图3所示。待上部箱梁拆除完毕后，再进行盖梁、墩柱的拆除，最后清理现场完成拆除作业，施工工艺流程如图4所示。

图3 节段标号示意图（单位：cm）

3.2 施工阶段模拟

跨中切断的模拟：在跨中位置建立10cm厚薄层梁单元，通过将该单元钝化来模拟从跨中位置切断，实现上部结构体系转换过程。

梁段切除的模拟：通过钝化相应的梁单元，实现施工时每一个梁块被金刚石线锯切割机从主梁上切除的过程。

梁段下放至支架的模拟：将被切割段梁体重量换算为均布荷载，激活并施加在下方对应分配梁上，进而传递到支架系统，实现被切割梁段下落至支架的过程。

图4 拆除施工流程

梁段从支架移除的模拟：将上述均布荷载钝化来模拟梁块切下后移除至地面的过程，然后重复上述步骤进入下一梁块的切除。

预应力筋的处理：在进行施工阶段分析时，如果预应力钢束分配的某一单元被钝化，该预应力钢束将失效，因此需要在每个拆除阶段重新布置预应力钢束，此时的张拉控制力应为截面上经过预应力损失后残余的有效预应力。

4 数值仿真分析结果

通过对该联拆除施工过程的空间仿真分析，可以得到拆除过程中上部结构及支架系统的应力位移变化情况。表1给出了主梁各拆除工况最大位移和应力，可以看出在整个拆除过程中，最大压应力为13.25MPa，比C40混凝土的抗压强度26.80MPa小，受压满足要求；最大拉应力1.93MPa，比C40混凝土的抗拉强度2.39MPa小，主梁在拆除过程中是安全的，不会被拉裂。

表1 主梁最大应力位移汇总表

拆除过程中荷载由桥墩和支架系统承受，但绝大部分还是作用于支架系统。各个施工阶段下贝雷梁最大位移以及组合应力结果见表2。根据规范《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》（TB 10110—2011），支架属于受弯构件，其挠度最大值应不大于L/400（L为构件的跨度），对于该结构L/400=42.5mm，16Mn 最大容许应力[σ]=273MPa。从表2中可以看出，最不利施工阶段发生在拆除7#块和9#块。拆除9#块时，贝雷梁最大位移24.87mm，符合规范要求。拆除7#块时，贝雷梁局部构件最大组合应力199.98MPa，符合规范要求。

表2 贝雷梁最大应力位移汇总表

从分析结果中可以看出，拆除方案是安全的。结构受力最不利工况为中跨和边跨切断施工阶段，也正是桥梁结构体系发生变化的时候，因此在这两个施工阶段，需十分注意对主梁的应力进行实时监测，时刻注意检查主梁裂缝的发展情况。

5 结语

通过建立包含主梁、桥墩和支架系统的整体模型，将有限元分析技术成功运用于该立交桥的拆除方案，取得了以下结论：

（1）仿真模拟可以较真实地反映在中跨和边跨梁体切断时，上部结构体系转换产生的内力重分配，直观地展现梁块切割下落至贝雷梁以及从支架系统移除时各个支撑部件之间的空间传力过程。

（2）通过有限元分析法便于研究结构体系的协同工作，以及梁段拆除退化对体系受力性能的影响，进而确定各个施工工况下支架的位置以及标高，防止支架系统受力过于集中，保证支架系统稳定性。

（3）将有限元分析法应用于旧桥拆除中，能够确保拆除方案安全可行，并为施工监控提供可靠的控制指标。需要指出的是，由于结构本身潜在病害无法确定和部分参数的取值偏差，仿真计算模型与实际桥梁结构存在差异，这将导致计算结果与拆除过程结构受力状况存在一定误差。因此在实际拆除施工过程中，需进行实时监测，对比实测数据和计算数据，通过不断调整计算模型来减小误差，从而保证施工过程的安全。

参考文献：

[1]陈芙蓉.整体式建模在青口互通立交桥非爆破拆除中的应用研究[D].成都：西南交通大学,2017.

[2]来猛刚,陈金涛,牛宏,等.论桥梁拆除工程[J].公路,2013(9):80-83.

[3]王步高,王卫锋.基于MIDAS的等效刚度法在拆桥模拟中的应用[J].山西建筑,2010,36(30):315-317.

[4]卫星,李俊,强士中.百年老桥拆梁过程的仿真分析[J].铁道标准设计,2004(4):17-19.

[5]刘成章.预应力混凝土连续箱梁桥拆除方法及其结构分析研究[D].重庆：重庆交通大学,2012.

[6]黄海滨.连续梁桥顶推拆除施工过程仿真分析和施工控制研究[D].西安：长安大学,2013.

[7]闵方权.浅谈切割法在桥梁拆除上的应用[J].华东公路,2009(1):65-67.