Abaqus在公路建設安全評估中的應用

楊德忠

(黔南州交通建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督處,貴州 都勻 558000)

0 引 言

隨著國家交通強國的戰(zhàn)略部署，貴州省作為首批交通強國的示范點，將再次迎來路網(wǎng)的加密，公路與公路、公路與鐵路等相互交織的建設將極為常見，在與已建通車，尤其是鐵路，不論是上跨還是下穿，施工都會對已投入運營的橋梁或隧道產(chǎn)生一定的相互影響，而這種影響是否是在安全范圍內(nèi)就顯得極為重要。Abaqus作為一款功能強大、非線性處理能力強、具有豐富的單元庫和材料模型庫及良好的開放性的通用分析軟件，能解決工程中出現(xiàn)的復雜、困難問題。本文針對G210國道旁擬建水庫對其橋墩的工程安全影響，應用Abaqus軟件進行直觀、定量分析，為工程方案的決策和組織實施提供準確的依據(jù)。

1 工程概況

某在建G210國道為一級公路標準，設計時速60 km/h；路基寬度采用30 m；橋涵設計荷載采用公路—Ⅰ級。K16+588老鷹壕5#大橋為7×40 m預應力混凝土連續(xù)T梁，在其已完工的五號墩南側(cè)50余米有一擬建某水庫大壩，水庫壩址以上集水面積為11.5 km2，多年平均徑流量840萬m3，多年平均流量為0.27 m3/s。水庫校核洪水位826.76 m，總庫容471萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。水庫正常蓄水位為824.0 m，相應庫容407萬m3，死水位782.0 m，相應庫容8萬m3，興利庫容399萬m3。水庫工程總布置為：C15碾壓混凝土重力壩+泄洪頂孔+左岸取水口+右岸導流洞+灌區(qū)輸水建筑物。大壩壩軸線長149.15 m，壩頂高程828.00 m，河床建基面高程為759.00 m，最大壩高69.00 m，最大底寬度64.90 m。本文僅對受該水庫影響最大的五號橋墩做分析研究。五號橋墩為樁、承臺基礎，墩身為長7.5 m、寬2.6 m的空心薄壁墩，墩高46.7 m。

2 三維建模分析

2.1 計算模型

根據(jù)相關圖紙，建立三維有限元模型如圖1所示。

圖1 整體三維有限元網(wǎng)格圖

2.2 計算結(jié)果

(1)壩體建基面開挖對橋梁變形影響

圖2為建基面開挖后5#橋墩豎向位移分布云圖。圖3為建基面開挖后5#橋墩水平位移分布云圖。

圖2 建基面開挖后5#橋墩豎向位移等值線圖(單位：m，負號表示向下)

圖3 建基面開挖后5#橋墩水平位移等值線圖(單位：m，負號表示指向壩體側(cè))

由于建基面開挖，對基礎卸載，導致地基出現(xiàn)回彈，5#橋墩最大向上回彈量為1.4 mm，因為地基變形導致的5#橋墩發(fā)生水平位移，底部發(fā)生指向壩體側(cè)位移，量值為0.15 mm，5#橋墩頂部發(fā)生向壩體下游側(cè)水平位移，量值為1.01 mm。

(2)水庫壩體施工對橋梁變形影響

圖4為壩體整體竣工期豎向位移分布云圖。圖5為壩體整體竣工期水平位移分布云圖。

圖4 竣工期壩體整體豎向位移分布云圖(單位：m，負號表示向下)

圖5 竣工期壩體整體水平位移分布云圖(單位：m，負號表示指向上游)

竣工期壩體最大沉降為6.6 mm，最大水平位移為3.4 mm，發(fā)生在溢流壩段頂部位置。由于模擬未考慮壩體分期澆筑，故最大沉降發(fā)生在壩頂位置。

圖6為壩體施工導致的5#橋墩豎向位移增量云圖(已消除建基面開挖導致的變形量)。圖7為壩體施工導致的5#橋墩水平位移增量云圖(已消除建基面開挖導致的變形量)。

圖6 壩體施工導致5#橋墩豎向位移增量云圖(單位：m，負號表示向下)

圖7 壩體施工導致5#橋墩水平位移增量云圖(單位：m，負號表示指向壩體側(cè))

壩體施工導致5#橋墩發(fā)生向下位移最大值為1.5 mm，發(fā)生在承臺靠近壩體側(cè)；最大水平位移為0.9 mm，發(fā)生在5#橋墩頂部，方向指向壩體側(cè)。

(3)壩體蓄水對橋梁變形影響

模擬蓄水水位為校核洪水位。

圖8為蓄水期壩體沉降分布云圖。圖9為蓄水期壩體水平位移分布云圖。

圖8 蓄水期壩體沉降分布云圖(單位：m，負號表示向下)

圖9 蓄水期壩體水平位移分布云圖(單位：m，負號表示指向上游側(cè))

圖10 壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩豎向位移分布云圖(單位：m，負號表示向下)

蓄水期受水壓力影響，壩體沉降由竣工期的6.6 mm增加到7.2 mm；最大水平位移由竣工期的3.4 mm減小到0.6 mm。

圖10為壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩的豎向位移分布云圖(已消除建基面開挖導致的變形)；圖11為壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩的水平位移分布云圖(已消除建基面開挖導致的變形)。

圖11 壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩水平位移分布云圖(單位：m，負號表示指向壩體側(cè))

壩體蓄水后，5#橋墩最大豎向位移由壩體竣工期的1.5 mm增加到1.9 mm；最大水平位移由壩體竣工期的0.9 mm減小到0.74 mm。

(4)建基面開挖對橋墩應力分布的影響特性

壩體施工對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，一是要看施工過程中，由于施工荷載影響導致的整體變形，重點需要關注的是，在施工過程中，建基面開挖、壩體澆筑以及蓄水荷載作用下的結(jié)構(gòu)應力，是否會超過材料的允許應力，這是判斷結(jié)構(gòu)安全的重要依據(jù)。

圖12 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量分布云圖(單位：KPa，拉為正)

圖13 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量分布云圖(單位：KPa，拉為正)

圖12為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖；圖13為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖。圖14為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖；圖15為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖。

圖14 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力分布云圖(單位：KPa，拉為正)

圖15 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力分布云圖(單位：KPa，拉為正)

由圖12和圖13可知，建基面開挖情況下，5#橋墩整體拉應力增量為0～200 KPa之間，僅在樁基礎上出現(xiàn)800 KPa的拉應力增量；5#橋墩結(jié)構(gòu)壓應力增量整體很小，在0～150 KPa之間。結(jié)合圖14和圖15可知，建基面開挖引起5#橋墩樁基礎的拉應力增量，只是減少了該位置的拉應力，5#橋墩整體應力在橋墩承臺底部位置。

(5)壩體澆筑對橋墩應力分布的影響特性

圖16 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖(單位：KPa，拉為正)

圖16為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖；圖17為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖。圖18為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖；圖19為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖。

圖17 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖(單位：KPa，拉為正)

圖18 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖(單位：KPa，拉為正)

圖19 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖(單位：KPa，拉為正)

壩體澆筑情況下，5#橋墩及樁基礎絕大部分拉應力增量小于200 KPa；絕大部分壓應力增量也不大于200 KPa；從圖18和19來看，該工況下5#橋墩及樁基礎最大拉應力為3.1 MPa，最大壓應力為7.0 MPa，大小主應力均小于鋼筋混凝土的允許應力。與建基面開挖工況相比，大小主應力分布規(guī)律一致，最大拉應力增加了20 KPa，最大壓應力增加了30 KPa。結(jié)果表明，壩體澆筑引起的5#橋墩主應力極值的變化非常小。

(6)水庫蓄水對橋墩應力分布的影響特性

圖20為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖；圖21為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖。圖22為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖；圖23為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖。

圖20 水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖(單位：KPa，拉為正)

圖21 水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖(單位：KPa，拉為正)

圖22 水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖(單位：KPa，拉為正)

由圖20、21、22、23可知，水庫蓄水情況下，5#橋墩及樁基礎的拉壓應力增量很??；5#橋墩及樁基礎拉應力增量絕大部分不超過100KPa，壓應力增量絕大部分不超過40KPa；該工況下，5#橋墩及樁基礎的最大拉應力為3.01MPa，壓應力最大值為6.53MPa，小于鋼筋混凝土允許應力；較壩體澆筑工況，拉應力最大值較小了80KPa，壓應力最大值較小了400KPa。水庫蓄水對5#橋墩及樁基礎影響非常小。

3 結(jié)論與建議

由于本次計算中基巖的參數(shù)未給出，計算中基巖采用中風化基巖的材料參數(shù)，參數(shù)參考武漢大學于2017年4月完成的《碾壓混凝土重力壩三維有限元分析報告》表2.2-3中彈性模量最低的基巖參數(shù)作為本次計算參數(shù)。重力壩采用線彈性模型，計算參數(shù)參考《碾壓混凝土重力壩三維有限元分析報告》表2.2-3。

受資料所限，本次計算未考慮基巖斷層分布情況，認為基巖為完整連續(xù)的；

(1)5#橋墩在壩體施工和蓄水共同作用下，發(fā)生的最大豎向位移為1.9 mm；最大水平位移為0.74 mm，變形量很??；

(2)建議壩體施工過程中，優(yōu)化施工工藝，采取預裂爆破工藝，短進尺、弱爆破，控制最大單段藥量，必要時采用非爆破掘進方式，利用掘進機，減小振動，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，并加強監(jiān)測，防止因爆破擾動導致的局部邊坡失穩(wěn)、臨近橋墩結(jié)構(gòu)的共振等；

(3)5#橋墩位置與壩體消力池距離過近，壩體泄流導致的水流脈動對5#橋墩會產(chǎn)生不確定的影響，同時橋面車輛的振動荷載也可能會對消力池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不確定性影響，建議調(diào)整消力池位置，防止兩者之間的相互影響。

4 結(jié)束語

通過上述分析，Abaqus能為我們提供準確、直觀的量化數(shù)據(jù)分析，對建設方案的選擇及優(yōu)化提供有力支撐，在工程建設上有較好的運用前景，能產(chǎn)生很好社會效益與經(jīng)濟效益。