框架橋基礎(chǔ)沉降對結(jié)構(gòu)安全影響的數(shù)值模擬研究

任艷 謝春明

摘 要：某高速互通立交主線橋第15～44跨為30×15 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架橋，經(jīng)多次加固后仍存在多處破損、露筋和開裂等病害，需對其進(jìn)行拆除并同步在兩側(cè)修建新橋。新橋樁基礎(chǔ)距舊橋最近凈距約1.4 m，擬采用旋挖鉆孔施工工藝?？紤]到旋挖鉆孔施工可能會造成舊橋基礎(chǔ)沉降，為了解基礎(chǔ)沉降對框架橋的結(jié)構(gòu)安全影響，采用有限元軟件建立部分框架橋分離式共節(jié)點模型，對鉆孔施工影響下框架橋的受力分析進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：框架橋基礎(chǔ)沉降取值為5 mm時，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左幅橋面板內(nèi)側(cè)邊緣處，為2.62 MPa；沉降取值4 mm時，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左幅橋面板內(nèi)側(cè)邊緣處，為2.1 MPa，未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。建議樁基施工過程中對舊橋位移進(jìn)行實時監(jiān)測，控制不均勻沉降值在4 mm內(nèi)。

關(guān)鍵詞：框架橋；結(jié)構(gòu)安全；鉆孔施工；共節(jié)點分離式模型；應(yīng)力；數(shù)值模擬

中圖分類號：U445.55 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0046-03

0 引言

現(xiàn)有橋梁經(jīng)過多年的運營，大量超載車輛的通行對現(xiàn)有橋梁造成了嚴(yán)重破壞，造成了嚴(yán)重安全隱患，需要拆除后在原址上建設(shè)新橋。因新橋樁基距離舊橋較近，鉆孔灌注樁基施工擬采用旋挖鉆成孔工藝，考慮到旋挖鉆孔可能會造成舊橋基礎(chǔ)發(fā)生沉降，因此需要分析鉆孔施工對舊橋結(jié)構(gòu)的安全影響。

目前不少學(xué)者開展了樁基施工振動對周邊建（構(gòu)）筑物影響的測試、分析研究工作[1-7]，但對框架橋影響研究還較少。為了解基礎(chǔ)沉降對框架橋結(jié)構(gòu)的安全影響，采用有限元軟件建立部分框架橋模型，對基礎(chǔ)沉降影響下臨近框架橋的受力進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 工程概況

某高速公路互通立交主線橋為（15.02+15+30+2×15+9.67+42×15+15.02）m，橋位區(qū)未見斷裂構(gòu)造形跡，覆蓋層主要為素填土、全新統(tǒng)粉質(zhì)粘土，基底由花崗巖及其風(fēng)化層組成。第15～44跨均為15 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架橋，分左、右幅設(shè)置，單幅長450 m，寬度為15.75 m，高12.5 m，結(jié)構(gòu)形式包括空心板、墩柱、橫梁、剪力墻、層板、擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，其中框架柱截面尺寸為1.5 m×1.5 m，橫梁截面尺寸為1.5 m×0.95 m。框架柱主筋直徑Φ25 mm，間距12 mm，箍筋直徑Φ10 mm，間距100 mm?？蚣芰褐鹘钪睆溅?2 mm，間距6 mm，箍筋直徑Φ8 mm，間距100 mm。剪力墻主筋直徑Φ20 mm?？蚣軜蚪Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

框架橋經(jīng)幾次加固后仍存在多處破損、露筋和開裂等病害狀況，被定為險橋，需對其進(jìn)行拆除并同步在兩側(cè)修建新橋（見圖2）。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

為了能準(zhǔn)確地反映橋梁樁基工程施工加載對舊橋結(jié)構(gòu)的影響[8]，綜合樁基與舊橋結(jié)構(gòu)的距離、地層巖土體強(qiáng)度參數(shù)以及影響范圍等因素，采用ANSYS軟件建立有限元模型，運用大型顯示動力分析軟件LS-DYNA進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，取左幅橋距離沖擊鉆孔施工最近的2跨，采用分離式共節(jié)點模型建立部分框架橋模型[9]（共節(jié)點分離式模型可以分別考慮鋼筋與混凝土的不同受力狀態(tài)，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)提供更精確的分析），再施加對稱約束進(jìn)行計算。

為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型的尺寸需要在土體范圍上作一定延伸[10，11]。根據(jù)有限元分析原理和一般處理經(jīng)驗，樁基影響范圍一般為10倍樁徑范圍內(nèi)，樁徑為1.5 m，因此，水平方向取為樁基外約25 m范圍，豎向取為舊橋底部約30 m范圍。模型大小與實際結(jié)構(gòu)完全相同，X軸方向為水平方向，走向為橋梁布置方向；Y軸方向豎直方向，向上為正；Z軸方向為橋梁橫向?？蚣軜蛉S數(shù)值模型如圖3所示。

模型中，混凝土與鋼筋均采用隨動硬化雙線性彈塑性材料，混凝土采用Solid164單元模擬，鋼筋采用Beam161單元模擬。模擬中混凝土選擇塑性隨動硬化材料，即*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，具體參數(shù)取值如表1所示。

2.2 荷載施加

2.2.1 汽車荷載

單幅汽車荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）車道荷載計算，考慮4車道最不利影響，折減系數(shù)為2.68，計算取值4 797 kN。

2.2.2 汽車制動力

單幅汽車制動力按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）單車道165 kN取值，考慮4車道最不利影響，折減系數(shù)為2.68，計算取值1 768 kN。

2.3 邊界條件

參照實際工況，左幅距樁基施工最近的舊橋樁基礎(chǔ)賦予沉降位移約束，其余樁基按墩底固結(jié)，框架結(jié)構(gòu)之間按剛接處理，汽車荷載與汽車制動力施加在橋面板上，再通過蓋梁傳遞給各墩柱。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 基礎(chǔ)沉降取值5 mm時

計算結(jié)果主要考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，沉降位移取值5 mm時，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在框架橋左幅橋面板內(nèi)側(cè)邊緣處，為2.62 MPa，見圖4與圖5。

3.2 基礎(chǔ)沉降取值4 mm時

基礎(chǔ)沉降取值4 mm時，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在框架橋左幅橋面板內(nèi)側(cè)邊緣處，為2.1 MPa，此時結(jié)構(gòu)受力未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，見圖6與圖7。

4 結(jié)語

為了解鉆孔施工導(dǎo)致的基礎(chǔ)沉降對既有框架橋的影響，分析其適用性，本文采用有限元軟件建立典型的公路框架橋共節(jié)點分離式鋼筋混凝土模型，分析了基礎(chǔ)沉降對臨近框架橋的結(jié)構(gòu)受力安全影響，得出以下結(jié)論。

第一，臨近框架橋凈距1.4 m處旋挖鉆孔施工，框架橋基礎(chǔ)沉降取值5 mm時，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左幅橋面板內(nèi)側(cè)邊緣處，為2.62 MPa。

第二，基礎(chǔ)沉降取值4 mm時，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左幅橋面板內(nèi)側(cè)邊緣處，為2.1 MPa。

第三，框架橋基礎(chǔ)沉降取值為4 mm時，結(jié)構(gòu)受力未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。建議樁基施工過程中對舊橋位移進(jìn)行實時監(jiān)測，控制不均勻沉降值在4 mm內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張金濤，徐恭義，劉俊鋒，等.武漢青山長江公路大橋橋塔基礎(chǔ)設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2020，50（S1）：89-93.

[2] 張志剛.高層建筑樁基施工對鄰近建筑物的影響[J].建材與裝飾，2019（5）：18-19.

[3] 周外男，繆玉盧.堅硬巖石地層鉆孔樁旋挖鉆機(jī)成孔技術(shù)[J].世界橋梁，2019，47（4）：27-31.

[4] 朱慈祥，汪志春，徐浪，等.運營橋梁抬樁加固既有樁基礎(chǔ)沉降分析及監(jiān)測研究[J].世界橋梁，2018，46（3）：86-90.

[5] 謝春明，李明國，黃華江，等.沖擊鉆孔施工對臨近框架橋影響的數(shù)值模擬研究[J].世界橋梁，2021，49（3）：97-102.

[6] 謝春明，李明國，黃華江，等.沖擊鉆孔施工對樁基損傷的臨近橋梁受力影響研究[J].交通科技，2021（4）：35-39.

[7] 謝春明，李明國，黃華江，等.沖擊鉆孔施工對臨近框架橋拆除影響的數(shù)值模擬分析[J].廣東公路交通，2021，47（4）：134-139.

[8] 張奇孟.橋梁擴(kuò)建施工對既有舊橋影響的監(jiān)測要點分析[J].交通世界，2020（S1）：146-147.

[9] 余德運，楊軍，陳大勇，等.基于分離式共結(jié)點模型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)爆破拆除數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊，2011，31（4）：349-354.

[10] 李方峰，黃曉劍，涂滿明.新建安九鐵路鳊魚洲長江大橋5號墩基礎(chǔ)施工防護(hù)技術(shù)[J].世界橋梁，2020，48（1）：41-46.

[11] 白繼宏.復(fù)雜巖溶地區(qū)高鐵橋梁鉆孔樁施工管理探討[J].鐵道勘察，2020，46（4）：109-113.