新建連續(xù)剛構(gòu)橋梁對既有橋梁的安全影響評估

吳雄磊，陳 寒

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430048；2.中交第二航務(wù)局有限公司第六工程分公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著中國鐵路交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵路高架橋在鐵路路網(wǎng)建設(shè)中已成為一個重要的環(huán)節(jié)，但由于鐵路建設(shè)的特殊性，部分新建鐵路沿線與已經(jīng)運(yùn)營的鐵路橋梁相交，新建鐵路橋梁的基礎(chǔ)開挖、主體施工等都將對既有鐵路橋梁基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的擾動［1－3］。為了保證新建鐵路橋梁建設(shè)的可行性與既有鐵路橋梁的安全性，新建鐵路橋?qū)扔需F路橋梁的安全影響評估具有重要意義。

本文以河南省某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)為背景，基于數(shù)值模擬分析，提出一種以有限元模擬結(jié)果為允許值的參數(shù)判別法，并應(yīng)用于橋梁安全影響評估中，為施工監(jiān)測、控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 新建橋梁

新建橋梁為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨徑布置為（72.95＋72.95）m，全長147.4m。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，下部為圓形實體墩和矩形空心墩配樁基礎(chǔ)。主墩編號為60＃，邊墩編號為59＃、61＃。橋型布置如圖1所示。下部結(jié)構(gòu)中，59＃和61＃墩均采用圓端形實體墩身，60＃墩采用矩形空心墩身。59?！?1＃墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

圖1 新建橋梁橋型布置

1.2 既有橋梁

既有橋梁為京廣高鐵跨機(jī)場高速公路特大橋，大橋上部結(jié)構(gòu)為32m簡支箱梁，下部結(jié)構(gòu)為雙線圓端形橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。橋型布置如圖2所示。

圖2 既有京廣高鐵連續(xù)梁橋橋型布置

1.3 新建橋梁與既有橋梁的相對關(guān)系

新建鐵路橋梁與京廣高鐵斜交，夾角為50°。60＃主墩位于京廣高鐵跨機(jī)場高速特大橋下行側(cè)，承臺邊緣距離營業(yè)線橋下柵欄19.3m，T構(gòu)橋梁于60＃與61＃墩間跨越既有京廣高鐵。60＃主墩承臺距離京廣高鐵梁邊19.5m，61＃邊墩承臺距離京廣高鐵梁邊2.9m，跨越處京廣高鐵橋面至地面高差為17.13m，如圖3所示。

圖3 新建鐵路與既有鐵路的位置關(guān)系

2 結(jié)構(gòu)安全評估方法

2.1 安全評估方法制定要求

由既有案例可知，施工過程中在地基上進(jìn)行開挖、填埋或鉆孔施工，會引起相鄰建筑物產(chǎn)生較大的附加沉降及不均勻沉降、土體水平位移、樁側(cè)負(fù)摩阻力等一系列問題［4］。當(dāng)在既有橋樁側(cè)填（挖）土以及施做建構(gòu)筑物時，會因土體變形而使鄰近樁基及橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，這些位移會在既有橋樁基及結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生一定的剪力和彎矩，使得樁的豎向承載力受到改變而影響到結(jié)構(gòu)整體的受力狀況［5－7］。鑒于此，以安全性為主要評判原則，遵循絕對客觀的思路，提出采用有限元分析的安全影響評估方法。

2.2 有限元分析的結(jié)構(gòu)安全評估方法

令結(jié)構(gòu)安全表征函數(shù)為T。首先確定與T相關(guān)的評價指標(biāo)因子，設(shè)為A1，A2，…，An，它們應(yīng)具有相對客觀性條件，即其數(shù)值應(yīng)該是通過有限元軟件運(yùn)算所得，無需人工估計［8－12］。

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)內(nèi)部準(zhǔn)則，形成評價指標(biāo)因子A1，A2，…，An的上限允許絕對值S1，S2，…，Sn。設(shè)評價指標(biāo)因子An與上限允許絕對值Sn之間的關(guān)系為

對n個評價指標(biāo)，要求每個評價指標(biāo)均滿足式（1），若有任何一個不滿足要求，均認(rèn)定結(jié)構(gòu)安全表征函數(shù)T不滿足要求。

在式（1）中，只要評價指標(biāo)因子 A1，A2，…，An設(shè)定全面正確，就能夠保證評價目標(biāo)的準(zhǔn)確性，從而確保在建橋梁結(jié)構(gòu)對既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全。一旦有相關(guān)評價指標(biāo)因子不滿足要求，則需要修改施工方案、改變步驟或采取加固措施，以使不滿足要求的公式經(jīng)重新計算后滿足要求。

2.3 施工過程的安全預(yù)警闕值

為了保證工程項目在建設(shè)過程中的安全，在本評價方法基礎(chǔ)上提出安全的評價因子施工預(yù)警闕值αi，評價因子Ai的實測值為Bi，則

當(dāng)滿足式（2）時，則施工正常；不滿足式（2）而滿足式（3）時，則提出警示，需要加強(qiáng)監(jiān)測控制；當(dāng)趨近式（3）極限時，應(yīng)停止施工，加強(qiáng)支護(hù)，尋找問題。

2.4 安全影響評價指標(biāo)因子的確定

由于新建橋梁施工會引起既有樁基周圍土體的松動變形，造成樁基沉降和撓曲變形，對樁基及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，若變形過大就會影響橋梁的正常使用。根據(jù)相關(guān)實際工程案例，對結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生影響的主要是受力與位移狀態(tài)。

對于安全性的評價，本文選取4項評價指標(biāo)因子作為安全影響評估內(nèi)容，即墩臺及上部結(jié)構(gòu)沉降量A1、墩臺及上部結(jié)構(gòu)縱向位移A2、墩臺及上部結(jié)構(gòu)橫向位移A3、樁基承載力A4。安全性評價系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 安全影響評價系統(tǒng)

3 有限元分析

3.1 FLAC3D的影響評估模型

采用軟件FLAC3D對本橋的施工過程進(jìn)行有限元模擬。模型土體尺寸為300m×300m×150 m，按新建鐵路橋施工工序建立主要的施工階段；通過對施工階段的分析建立三維實體有限元模型并進(jìn)行數(shù)值模擬計算［13－15］。根據(jù)地質(zhì)條件與土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，同時考慮既有京廣高鐵橋墩對初始應(yīng)力場的影響。有限差分元數(shù)值計算中，土體采用“莫爾－庫倫（M－C）”土體彈塑性模型；京廣高鐵鐵路橋、新建鐵路橋樁基礎(chǔ)采用線彈性樁單元模型，同時建立摩擦界面單元；京廣高鐵及新建鐵路橋的橋墩及上部結(jié)構(gòu)采用彈性實體單元模擬［16－17］。

相應(yīng)的土層性質(zhì)與施工階段劃分如表1、2所示。

表1 地質(zhì)土層的主要物理力學(xué)參數(shù)

新建鐵路橋梁與既有京廣高鐵橋空間位置和建模如圖5、6所示。

表2 施工各工序相關(guān)內(nèi)容

圖5 計算模型

圖6 模型平面

3.2 對墩臺及上部結(jié)構(gòu)沉降量的影響

圖7為新建橋梁引起的鐵路橋墩樁基累計沉降值對比。新建鐵路橋梁的整個施工過程及運(yùn)營對既有橋梁的127＃～131＃墩樁豎向沉降量均有一定的影響。特別是新建橋梁的60＃、61＃橋墩樁基及下部結(jié)構(gòu)的施工，使既有橋梁對應(yīng)的橋墩有較大幅度的下沉，最大單工序下沉可達(dá)1.8mm。在既有橋梁的橋墩中，以130＃墩受影響最為嚴(yán)重，其預(yù)計下沉可達(dá)15.74mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他橋墩。這是因為130＃墩距離新建橋梁61＃墩最近，所受影響最為明顯；而128＃、129＃墩受60＃墩影響程度最大，127＃墩受60＃、61＃墩的影響幾乎沒有差別。這說明，既有橋梁橋墩受鄰近土體開挖的影響嚴(yán)重，但達(dá)到一定距離后，所受影響趨于平穩(wěn)。從最后運(yùn)營期階段的沉降可以看出，運(yùn)營期單階段沉降量較小，最大僅為0.1mm，可知運(yùn)營過程中，新建橋梁上部列車活載作用對既有橋梁的影響微乎其微。

圖7 新建橋梁引起的鐵路橋墩樁基累計沉降值對比

3.3 墩臺及上部結(jié)構(gòu)縱向及橫向位移分析

圖8、9分別為新建橋梁引起的鐵路橋墩樁基累計縱向與橫向變形值。由圖8可以得出，130＃、131＃橋墩主要是沿著縱向正方向變形，127＃、128＃墩則主要是沿著縱向負(fù)方向變形，129＃墩由于位于交叉點(diǎn)附近，先沿著正方向變形，再沿著負(fù)方向變形，而后又沿著正方向變形，變形以正方向為主。對于累計變形，新建鐵路橋梁運(yùn)營期間的影響最為顯著，這說明新建鐵路橋梁列車荷載所造成的振動是引起既有橋梁橋墩縱向位移的最關(guān)鍵因素。既有鐵路橋梁橋墩受新建橋梁影響導(dǎo)致的縱向變形最大為0.29mm，影響較小。由圖9可以得出，130＃、131＃橋墩受正方向影響，127＃、128＃橋墩受負(fù)方向影響，129＃橋墩所受影響因施工工序不同而在正方向與負(fù)方向間交替變換，以正方向影響為主。受影響最大變形值為0.35mm，相對較小。

圖8 新建橋梁引起的鐵路橋墩樁基累計縱向變形值對比

圖9 新建橋梁引起的鐵路橋墩樁基累計橫向變形值對比

3.4 樁基承載力受到的影響

因為新建橋修建對于場地土是一個持續(xù)加載的過程，故將最后一個施工階段即通車運(yùn)營階段的樁基礎(chǔ)軸力與高鐵橋梁自身樁基軸力進(jìn)行比較。通過FLAC3D計算，可得到126＃～133＃墩樁基礎(chǔ)在新建橋梁施工前和運(yùn)營階段的軸力變化，見表3。由表3可知，鐵路運(yùn)營后既有京廣高鐵橋的單樁軸力仍小于單樁設(shè)計承載力，滿足要求。

表3 鐵路橋墩樁基承載力 kN

3.5 安全評估分析結(jié)果

既有京廣高鐵橋橋墩的最大沉降為15.74 mm，小于墩臺均勻總沉降20mm的要求；橋梁最大橫向位移為0.35mm，最大縱向位移為0.29mm，小于規(guī)范規(guī)定的1mm要求；施工階段及運(yùn)營后京廣高鐵橋的單樁軸力仍小于單樁設(shè)計承載力，滿足安全性要求。

根據(jù)式（1），4個分析因素可表示為

所選取的評價因子均滿足式（4），可以判斷結(jié)構(gòu)安全表征函數(shù)T達(dá)到安全性要求。

3.6 施工安全預(yù)警闕值

施工預(yù)警闕值是建立在理論分析的基礎(chǔ)上，以闕值函數(shù)αi為參數(shù)，對結(jié)構(gòu)施工的安全性進(jìn)行冗余安全度考慮。根據(jù)有限元分析，采用富余差值作為參考，理論計算值與允許上限值之間的范圍包含

闕值函數(shù)αi取值為

由計算可知：α1＝1.119、α2＝1.563、α3＝1.493、α4＝1.021。即 評 價 因 子 Ai的實 測 值 Bi滿 足式（2），處于安全狀態(tài)，只需進(jìn)行一般預(yù)防工作；當(dāng)實測值Bi不滿足式（2）而未超過允許極限值時，啟動預(yù)警系統(tǒng)，嚴(yán)格監(jiān)控施工過程，密切關(guān)注相應(yīng)評價因子的變化情況；當(dāng)實測值超過允許極限值時，則進(jìn)入報警階段，停止施工，加強(qiáng)圍護(hù)加固工作，妥善解決問題。

4 結(jié) 語

本文以新建連續(xù)鐵路剛構(gòu)橋?qū)扔需F路橋梁的影響為研究內(nèi)容，采用基于有限元分析的安全評估方法對其進(jìn)行了全面的安全評價，得到以下結(jié)論。

（1）本項目選取4個評價因子，分別為墩臺及上部結(jié)構(gòu)沉降量、墩臺及上部結(jié)構(gòu)縱向位移、墩臺及上部結(jié)構(gòu)橫向位移、樁基承載力。通過分析，4項指標(biāo)均滿足安全性能要求，結(jié)構(gòu)安全影響評估在安全范圍內(nèi)。

（2）根據(jù)有限元分析結(jié)果制定施工預(yù)警闕值，并形成“預(yù)防－預(yù)警－報警”的安全預(yù)報體系。根據(jù)對評價因子進(jìn)行實際量測，對比闕值結(jié)果，可以做到對施工過程的全面控制，保證在建橋梁與既有橋梁的安全。