地鐵施工對連續剛構橋的病害影響研究

李 毅

（廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510699）

0 引言

隨著城市現代化進程的加速，城市人口不斷增多，因而城市對交通設施建設的需求也在不斷地增加[1]。而地鐵作為城市交通基礎設施的重要組成部分，因其在解決城市空間容量不足、交通擁堵、環境污染等問題上的優勢，受到了廣泛的關注，世界上各大城市都先后修建了地鐵。然而地鐵施工大多都在地下，地鐵施工引起的地面沉陷將有可能危及周圍建筑物的安全，因而地鐵施工對鄰近建筑物的影響研究已成為地鐵工程中的重點和難點[2-4]。

目前國內外學者主要針對地鐵隧道施工對建筑物樁基承載力、樁基變形及受力狀態、樁土相互作用關系等方面進行了研究[5-7]。國內也有針對地鐵施工對鄰近建筑物的安全影響研究，提出安全風險評估方法、安全管理的程序和內容以及一般保護措施[8-15]。然而對于地鐵施工引起的不均勻沉降對橋梁病害影響的研究較少[16]。

本文針對地鐵施工對連續剛構橋的病害影響進行了分析和研究。根據實際工程檢測，獲得地鐵施工過程中對其鄰近橋梁產生的不均勻沉降，通過Midas Civil有限元軟件建立不同沉降工況下的有限元模型進行對比分析。研究結果表明，地鐵施工導致的不均勻沉降是產生橋梁病害的主要原因之一，此外，地鐵施工引起的不均勻沉降會導致多跨連續橋梁結構相鄰墩柱內力增大。

1 工程概況

該橋第一聯上部結構為先簡支后結構連續剛構，成橋后體系轉換為連續剛構體系，為多次超靜定結構。該橋跨布置為4×30 m的四跨連續T梁剛構橋，斜交角65°，橋寬9 m，橫向布置4片T梁，橋梁立面布置圖見圖1，地鐵穿越該互通匝道橋的鳥瞰圖如圖2所示。

圖1 橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 地鐵穿越橋梁鳥瞰圖

地鐵施工過程中，根據檢測結果顯示，該匝道橋出現了較明顯的沉降，其中2號墩沉降3 mm、3號墩沉降19.7 mm、4號墩沉降3.4 mm，沉降差最大值為16.7 mm。此外，檢查發現1～3號墩墩頂兩側梁端腹板出現有斜向裂縫，個別裂縫最大寬度達0.25 mm且裂縫分布較為普及；4號墩左側柱底部出現1條長度為48cm的豎向裂縫，最大寬度為0.2mm。

2 數值模擬

2.1 計算模型

2.1.1 模型參數

該橋主梁采用50號混凝土，墩柱采用30號混凝土，樁基采用25號混凝土。預應力鋼束采用φs15.2 mm抗拉強度為1860 MPa的鋼鉸線，張拉控制應力為1405 MPa。主梁結構混凝土自重恒載取26 kN/m3，瀝青混凝土橋面鋪裝容重取24 kN/m3，防撞護欄重量按10 kN/m加載在邊梁，車道荷載為公路-I級，根據下部墩臺實測數據，考慮支座沉降差效應。

2.1.2 有限元模型

全橋有限元模型采用Midas Civil 2012建立，共有節點1222個，單元1708個，根據斜梁受力特點，上部結構采用正交橫梁進行梁格劃分，下部樁基按照m法根據實際地質土層情況采用樁土點彈簧支承進行模擬，具體有限元模型和邊界條件如圖3和圖4所示。

圖3 全橋有限元模型

圖4 上部梁格劃分示意圖

為了對比研究地鐵施工導致的沉降對橋梁病害的影響，模型考慮兩種工況，工況一按設計階段預計的沉降值5 mm考慮；工況二為按實際測量的沉降數據，考慮3號墩不均勻沉降16.7 mm，對比分析實際沉降與設計階段預計的沉降效應差值。

2.2 結果分析

圖5為兩種工況下主梁截面下緣拉應力對比圖。根據對比結果可知，過大的沉降導致墩頂主梁截面應力增大近一倍。

圖5 主梁截面下緣拉應力對比(單位:MPa)

圖6為兩種工況下墩柱截面應力對比圖。根據對比結果可知，墩柱沉降過大會導致相鄰跨墩柱內力增加。因而有必要對相鄰跨墩柱進行加固措施，防止出現進一步的病害。

圖6 墩柱截面應力對比（單位：MPa）

表1匯總了不同作用效應下3號墩頂中梁和邊梁截面下緣拉應力值，根據表1的結果可知，促使主梁和墩柱開裂病害的主要原因有混凝土徐變、收縮、梯度溫度等，過大的沉降也是產生開裂病害的主要原因之一，且不均勻沉降對中梁和邊梁影響差異不大。過大的不均勻沉降使邊梁截面應力增大0.947 MPa。

表1 3號墩頂中梁和邊梁截面下緣拉應力值 MPa

3 結論

a）過大的沉降導致墩頂主梁截面應力增大近一倍，且會導致相鄰跨墩柱內力增加，因而有必要對相鄰跨墩柱采取加固措施，防止出現進一步的病害。

b）上部結構為先簡支后結構連續剛構，成橋后體系轉換為連續剛構體系，為多次超靜定結構，徐變、溫度、沉降等作用會引起次效應。徐變、梯度溫度、沉降等作用會在主梁支點附近截面產生較大拉應力，是產生斜裂縫的主要因素。

c）通過各墩不均勻沉降差5 mm和3號墩不均勻沉降差16.7 mm兩種沉降工況對比分析可知，超限的沉降會對墩頂附近范圍的主梁拉應力增加0.947 MPa。超限沉降是產生裂縫的因素之一。