陈舟 邓德员 林鸿鑫 易高星 颜全胜 卢汉文佛山科学技术学院交通与土木建筑学院 中建钢构工程有限公司 广州机建工程有限公司 华南理工大学土木与交通学院
摘 要：为探究斜拉桥拆除工程不同施工阶段中主梁力学性能的变化，为斜拉桥安全顺利拆除提供指导，以80.8 m+132 m+80.8 m三跨预应力混凝土双塔单索面部分斜拉桥为工程背景，采用Midas/Civil有限元分析软件进行建模，模拟斜拉桥拆除的施工过程，分析拆除过程中主梁的静力力学特性和稳定性。结果表明，结构自身的改变影响桥梁结构静力力学特性，边界条件的改变影响桥梁的稳定性，斜拉索的放张对桥梁安全拆除至关重要；在施工过程中要充分考虑体系转换对桥梁力学特性的影响，保证拆除工程安全有序。
关键词：斜拉桥;桥梁拆除;有限元分析;力学特性;稳定性研究;
基金：国家自然科学基金项目，项目编号51908146、52008109;佛山市科技计划项目，项目编号1920001001539;2020年佛山科学技术学院实验室开放创新基金项目，项目编号FKY20200306;
1 研究背景
随着社会经济快速发展，越来越多的旧桥已经不能适应当前运营的需求，比如，日趋严重的病害无法满足交通量的迅速增长，桥下通航净空不满足现状等级要求，从而需要拆除重建[1]。而桥梁拆除工程是一项极具危险性的工程，拆除过程中面临桥梁自身结构开裂、下挠、预应力损失等问题，可能会导致桥梁突然断裂、破坏、坍塌[2];或由于临时支撑结构失稳而导致桥梁倾覆。目前，关于桥梁拆除特别是大跨度斜拉桥拆桥的研究和工程案例较少，其施工工艺和力学行为有待进一步探索。因此，有必要对拆除过程中各个施工阶段桥梁结构的静力力学特性以及稳定性进行计算分析，来确保斜拉桥拆除的安全性。
斜拉桥相比于连续梁桥，存在施加在梁段上的预拉力。斜拉桥拆除过程中体系转换次数多，在拆除过程中，斜拉索的放张势必会引起梁的迅速下挠，拆除过程中梁两端的位移进一步会成为控制指标，而梁截面突变的应力也会成为拆除过程中比较关键的因变量[3]。除此之外，由于张拉力的释放和梁段的拆除，桥梁结构的稳定性也成为影响施工安全性的重要因素。因此，有必要对具有风险性和复杂性的斜拉桥拆除工程在施工过程中的静力力学特性和稳定性进行研究。众多学者对斜拉桥拆除做了相关的研究和工程实践，王攀等[4]、何震等[5]通过对斜拉桥拆除施工阶段的理论计算并结合实测数据，得出索力、应力、变形等参数在其拆除过程中的变化规律；肖冲等[6]采用非对称分段分块机械拆除方案以及桥塔梁墩固结点的柔化处理等措施，保证了施工的安全性；孙振堂等[7]采用定型化索塔辅助支撑与受力体系转换等技术，实现了索塔的一次性安全拆除；朱慈祥等[8]通过研究通航条件下非对称组合结构斜拉桥切割拆除设计施工与安全控制技术，提出了通航条件下非对称组合结构斜拉桥拆除的吊装、支撑、分解、移运、放张的施工方法；周祥磊等[9]采用桥面原地坍塌爆破技术与主塔定向控制爆破技术相结合的手段成功爆破拆除金婺大桥，并取得良好爆破结果；王凯等[10]通过有限元软件模拟一座跨航道连续梁桥顶推拆除施工，并对拆除过程中受力及变形进行分析，同时对主桥进行监测，结果显示此桥在拆除过程中的变形及应力均在可控安全范围内。
本研究以某斜拉桥为工程背景，基于逐步对称放张斜拉索，对角切割切除箱梁截面的拆除方案，使用Midas/Civil建立有限元模型计算分析方法，研究主梁的顶底面在各个拆除施工阶段的静力力学特性(应力，位移),同时利用第一类稳定问题的理论分析整体结构在关键施工阶段的稳定性变化趋势，对拆除过程中的力学行为变化进行研究。本研究对于斜拉桥拆除具有重要的理论指导和工程实践意义。
2 工程背景
某大桥主桥采用80.8 m+132 m+80.8 m三跨预应力混凝土双塔单索面部分斜拉桥，桥长293.6 m。桥面宽31 m。单箱三室断面，墩塔处梁高3.8 m, 跨中梁高2.4 m。斜拉索为单索面双排索，塔的每侧设10对双排索。主跨桥墩位于峻江岸边，采用梁塔固结体系，上部构造主跨于中墩处与塔固结，桥型图如图1所示。该桥为墩梁铰接，在拆除过程中，施工难度大，需要保证强度和稳定性两方面安全。
图1 某大桥主桥桥型布置 下载原图
单位：cm
3 拆除施工工艺3.1拆除施工流程
具体拆除流程：先对称放张C10斜拉索，拆除跨中箱梁段，再拆除边跨箱梁段，拆除15号梁段、14号梁段的翼板和1/2箱室；对称放张C9斜拉索，拆除14号梁段的1/2箱室；对称放张C8斜拉索……以此类推，直至全部拆除。塔柱用履带吊分成3块(3×7m)进行吊装拆除。最后回填承台周边筑堤，并利用炮机爆破拆除下塔柱及承台桩基础。拆除按跨中往主塔方向进行。主梁分段及总体施工图如图2所示；具体拆除流程如图3所示。
图2 主梁分段示意 下载原图
3.2拆除施工关键技术3.2.1箱梁切割
该桥为双塔单索面斜拉桥，拆除过程风险大，施工技术难度高。为保证结构受力，拟采用逐步释放斜拉索力，逐步拆除主梁的方案，在拆除过程中，先拆除翼缘板，再分割拆除两个箱室，并且全桥按照对称对角拆除。切割时，采用机械及氧气切割主梁，采用链条切割机切割箱室腹板。切割前，需在距离箱梁截面中心60cm以及距离箱室最外侧100cm位置，钻吊装孔(孔径为20cm,孔深穿透翼板)[11],具体位置如图4所示。
3.2.2放张拉索
斜拉索对称拆除。单根斜拉索由37根钢绞线组成。边跨和中跨的最大张拉索力为9 500kN,由两根斜拉索承担，则每根斜拉索最大索力为4 750kN。两端对称张拉至4 800kN,两端逐步按行程对称释放张拉力，每释放100kN为一个行程，直至索力释放为0kN。
图3 拆除流程 下载原图
图4 箱梁分割示意 下载原图
单位：cm
3.2.3支架搭设
拆除前，在边跨合龙段处搭设满堂支架，并在3号、6号、9号块处搭设支架。拆除过程中，在7号及11号吊装130t的反拉配重，以保持结构的平衡，防止失稳倒塌。后续随着所在梁段的拆除而拆除支架，从而形成体系转换。拆除按跨中往主塔方向进行。
4 有限元仿真分析
采用Madis/Civil建立有限元分析模型。其中，主梁与主塔用梁单元模拟，斜拉索用只受拉桁架单元模拟，支架用只受压弹簧模拟。全桥共510个节点，758个单元。考虑的荷载有自重、斜拉索索力、风荷载(考虑100年一遇的风压)、预应力荷载、二期铺装、边跨130t配重。拆除过程中共发生7次体系转换：成桥阶段、搭设支架阶段、拆除中跨合龙段箱室阶段、拆除边跨合龙段箱室阶段、拆除9号块箱室阶段、拆除6号块箱室阶段、拆除3号块箱室阶段。
根据拆除方案，具体建模过程为：成桥阶段→搭设支架阶段→分次释放C10斜拉索→对称拆除中跨合龙段翼板→对称拆除中跨合龙段箱室→对称拆除边跨现浇段翼板→对称拆除边跨现浇段箱室→对称拆除边跨合龙段翼板→对称拆除边跨合龙段箱室→对称拆除15号块翼板→对称拆除15号块箱室→对称拆除14号块翼板→对称拆除14号块1/2箱室→分次释放C9斜拉索→对称拆除14号块1/2箱室……→分次释放C1斜拉索→对称拆除6号块1/2箱室→对称拆除5号块翼板→对称拆除5号块1/2箱室→对称拆除5号块1/2箱室……→对称拆除3号块翼板→对称拆除3号块1/2箱室→对称拆除3号块1/2箱室→拆除主塔→对称拆除2号块翼板→对称拆除2号块1/2箱室→对称拆除2号块1/2箱室→……对称拆除0号块翼板→对称拆除0号块箱室。
4.1静力分析
在不同的施工阶段中，桥梁的应力和位移等静力力学特性也是不同的，并且在拆除过程中箱梁顶底板受力状况也会随着拆除过程逐渐变化。因此，需研究拆除过程中梁段截面顶板和底板的拉压应力以及位移。
建模过程按拆除施工方案划分为101个施工阶段。由于拆除过程中共发生7次体系转换，本文仅将施工过程中较为重要阶段的计算结果列出，主要施工阶段见表1;按箱梁顶底板的受拉、受压应力及最大、最小位移进行汇总如图5～图10所示。
表1 施工阶段 导出到EXCEL
序号
1
2
3
4
5
6
施工
阶段
成桥阶段
搭设支架阶段
释放C10斜拉索阶段
拆除中跨合龙
段翼板阶段
拆除中跨合龙
段箱室阶段
拆除边跨合龙
段翼板阶段
序号
7
8
9
10
11
12
施工
阶段
拆除边跨合龙
段箱室阶段
释放C5斜拉索阶段
拆除9号块翼板阶段
拆除9号块箱室阶段
释放C3斜拉索阶段
拆除6号块翼板阶段
序号
13
14
15
16
17
18
施工
阶段
拆除6号块箱室阶段
拆除3号块翼板阶段
拆除3号块箱室阶段
拆除主塔阶段
拆除0号块翼板阶段
拆除0号块
左箱室阶段
图5 施工阶段顶板受压应力变化曲线 下载原图
图6 施工阶段顶板受拉应力变化曲线 下载原图
图7 施工阶段底板受压应力变化曲线 下载原图
图8 施工阶段底板受拉应力变化曲线 下载原图
图9 施工阶段最大位移变化曲线 下载原图
图10 施工阶段最小位移变化曲线 下载原图
(1)随着施工阶段的进行，应力大体呈现下降趋势，且应力数值均远小于C50混凝土的抗拉和抗压强度，表明结构强度满足要求。
(2)在拆除中跨合龙段箱室阶段，结构的应力及位移均有较大的变化，顶板和底板的受压应力有突然增大的趋势，全桥梁截面顶板最大压应力为-11.51 MPa, 底板最大压应力为-11.48 MPa, 底板的最大拉应力从0 MPa突然增大到1.5 MPa, 而全桥最大位移和最小位移也分别从34.4 mm和3.1 mm突然下降至32 mm和2.9 mm。应力的突增和位移的突减均表明自身结构的改变造成的体系转换对结构力学性能有很大的影响。
(3)在释放C5斜拉索阶段结构的力学性能变化较大，顶板和底板的最大压应力分别从-10.07 MPa和-10 MPa下降至-5.01 MPa和-4.95 MPa, 顶板的最大拉应力从0.42 MPa上升至0.99 MPa, 底板的最大拉应力从1.5 MPa下降至0.6 MPa。此阶段应力的变化表明拉索的放张对结构力学性能有较大的影响。
(4)拆除搭设在3号、6号、9号梁段的支架从而形成体系转换时，拆除6号梁段时顶板和底板最大拉应力均有突增的趋势，并且在拆除3号梁段箱室时拉应力会分别减小至0.46 MPa和0.2 MPa, 但其余阶段的梁截面顶板、底板的应力变化和位移变化均没有拆除中跨合龙段箱室时明显。
4.2稳定性分析
在主桥拆除的过程中，随着不同施工荷载的组合作用及体系转换，结构的力学行为变得复杂，其线弹性稳定因此发生变化。因此，有必要分析不同施工阶段结构稳定系数的变化，分析施工过程结构的稳定安全问题。本文采用第一类线弹性稳定理论计算稳定安全系数K,并分析施工过程拱桥的稳定性是否满足相关规范[12]的要求。
本文计算成桥阶段、搭设支架阶段、拆除中跨合龙段箱室阶段、拆除边跨合龙段箱室阶段、拆除9号块箱室阶段这5个关键施工阶段的前3阶稳定安全系数K。其荷载组合形式为K×(自重+斜拉索索力+风荷载+预应力荷载+二期铺装+130 t配重),随着施工阶段的进行，部分荷载随之激活钝化。上述5个阶段的失稳模态主要为：索塔同向面外失稳，索塔反向面外失稳，主梁面内失稳，中跨主梁面内失稳，左索塔面外失稳，右索塔面外失稳，左索塔面内失稳，右索塔面内失稳，右侧主梁面内失稳。将上述5个施工阶段的前3阶失稳模态，以及前3阶稳定系数进行汇总，结果见表2;依据表2的数据及规范取值K=4绘制曲线图，如图11所示。
表2 5个关键施工阶段的前3阶失稳模态汇总 导出到EXCEL
施工阶段
稳定安全系数
第1阶
第2阶
第3阶
成桥阶段
索塔同向
面外失稳
索塔反向
面外失稳
主梁面内失稳
搭设支架阶段
索塔同向
面外失稳
索塔反向
面外失稳
中跨主梁
面内失稳
拆除中跨合龙
段箱室阶段
左索塔
面外失稳
右索塔
面外失稳
中跨主梁
面内失稳
拆除边跨合龙
段箱室阶段
左索塔
面内失稳
右索塔
面内失稳
右侧主梁
面内失稳
拆除9号块
箱室阶段
左索塔
面内失稳
右索塔
面内失稳
右侧主梁
面内失稳
图11 稳定安全系数变化曲线 下载原图
(1)在成桥阶段、搭设支架阶段、拆除中跨合龙段箱室阶段、拆除边跨合龙段箱室阶段、拆除9号块箱室阶段5个施工阶段，前3阶的稳定系数均大于规范值K=4,稳定性满足要求。
(2)在搭设满堂支架阶段阶段与拆除9号块箱室阶段，第3阶稳定系数有较大变化。计算结果表明，改变边界条件形成的体系转换对结构的稳定性有着较大的影响。因此，施工过程应在保证结构稳定的前提下，按施工顺序有序、缓慢进行。
5 结语
(1)对于大跨度斜拉桥的拆除工程，桥梁的静力力学特性、动力力学特性和稳定性是设计和施工中需要密切关注的问题。某大桥主桥拆除工程在拆除中跨箱室和释放C5斜拉索的施工过程中，桥梁的应力、位移发生了显著的变化；在搭设满堂支架阶段与拆除搭设在9号块的支架阶段，体系的稳定性会发生骤变。因此，在施工过程中，必须充分考虑存在边界条件改变或自身结构改变从而形成的体系转换对结构力学特性的影响，在实现体系转化的过程中要按照相关专项施工方案有序、缓慢地进行操作，等变化稳定后再进行下一步骤，防止因应力、位移和稳定安全系数的骤变影响桥梁结构的安全性和可靠性。
(2)模型计算过程中出现拉应力不对称分布的情况，主要是由于拆除中跨合龙段箱室阶段后体系左右两侧约束条件不对称导致的。因此，应在拆除前在第二个主墩设置x方向的约束，从而使施工得以安全进行。
(3)本研究的施工技术方案和数值分析对同类型斜拉桥安全顺利拆除具有重要的理论和工程指导意义。
参考文献
[1]邱豪侠.大跨度预应力混凝土连续梁桥拆除临时支撑的施工及稳定性浅析[J].城市道桥与防洪，2020,(8):234-237+250+24-25.
[2]易汉斌，俞博.泰和大桥拆除过程中的倒塌分析[J].桥梁建设，2018,(3):67-72.
[3]蒋高鸽.老式斜拉桥钢筋混凝土桥梁拆除施工技术[J].交通世界，2019,(4):110-111.
[4]王攀，居炎飞，明道贵.斜拉桥的非爆破拆除施工优化及监控技术研究[J].中国水运：下半月，2019,19(7):203-205.
[5]何震，李自林，薛江.跨既有铁路线斜拉桥拆除安全控制技术[J].国防交通工程与技术，2013,11(3):34-38+17.
[6]肖冲.铁路斜拉桥双向非对称竖向下落拆除技术[J].国防交通工程与技术，2018,16(6):51-54+21.
[7]孙振堂.上跨运营线独塔斜拉大跨径钢箱梁拆除施工技术[J].四川建筑，2018,38(5):203-204.
[8]朱慈祥，刘昂，易小锋，等.通航条件下非对称组合结构斜拉桥拆除技术[C]//中国公路学会养护与管理分会第八届学术年会，2010.
[9]周祥磊，陈德志，罗鹏，等.独塔单索面预应力斜拉桥爆破拆除[J].爆破，2020,37(4):89-93+137.
[10]王凯，王社.跨航道连续梁桥顶推拆除施工监控技术[J].桥梁建设，2013,43(5):111-116.
[11]贾布裕，余晓琳，颜全胜.流溪河大桥主桥拆除施工技术[J].桥梁建设，2014,44(6):107-111.
[12]GB 50923—2013 钢管混凝土拱桥技术规范[S].
