基礎土壤對大跨度橋梁施工中結構行為的影響

袁媛

摘 要：基于河床水文條件的需要，我國大跨度橋梁有越來越普遍的傾向，然而施工中橋梁嚴重破壞的案例也時有出現。本研究利用SAP2000有限元素法程序進行不同基礎土壤條件下施工中不等跨距大跨度橋梁的結構分析，據以探討基礎土壤疏松及施工支撐架勁度降低對施工中大跨度橋梁結構的影響，進而掌握破壞原因，并提出防止破壞的方法。

關鍵詞：大跨度;不等跨距;橋梁;基礎土壤

中圖分類號：U441.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0098-04

Abstract： Based on the need of the hydrological conditions of the river bed， there are more and more common tendency in the long-span bridges in China. However， there are some cases when the serious damage of the bridges in the construction. In this study， SAP2000 finite element method program was used to analyze the structure of long-span bridges with different spans under different foundation soil conditions. Based on the analysis， the influence of loose foundation soil and reduction of construction support stiffness on the structure of long-span bridges in construction was discussed， and the causes of damage were grasped， and the methods of preventing damage were put forward.

Keywords： longspan;no other span;bridge;foundation soil

1 研究目的

研究基礎土壤條件對不等跨距大跨度橋梁施工中結構行為的影響，掌握國內懸臂式大跨度橋梁施工中破壞的主要原因，確保未來不等跨距大跨度橋梁施工中的穩定性。

2 懸臂式橋梁施工法

懸臂式橋梁施工法發展至今已有近60年，因其無需使用大量的支撐鷹架，不影響橋下人、車通行，施工中亦不受季節或河道水位影響，因此更適合于大跨徑橋梁施工。

3 研究內容與方法

3.1 橋梁有限元素法分析模型的建立

本文參考某高架橋的施工設計圖，利用施工中雙邊工作車及臨時支撐架橋梁整體結構于施工中兩種不同的單元情況探討基礎土壤條件對不等跨度橋梁施工穩定性影響，橋梁整體結構兩邊墩柱下分別輸入不同基礎土壤條件，然后就各節點在三個方向分別以彈簧元素相連，而彈簧元素輸入的土壤模數為土壤彈簧常數，其數值可選用合適的有關標準貫入試驗N值推估的經驗公式評估分析;其有限元素分析模型[1]有“單橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋的分析模型”和“雙橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋的分析模型”。

3.2 邊界條件

本橋梁的懸臂箱型梁與墩柱接合處以及墩柱與樁帽接合處，均以剛接型式設計方式仿真。

臨時支撐架基礎板與樁帽的側面及底面與土壤接鄰部分及群樁側面、底端與土壤接鄰部分，均以彈簧元素仿真[2]。

臨時支撐架上與懸臂箱型梁的接觸點直接在相關連接點處加入位移約束條件模擬。

4 結果分析

4.1 不同基礎土壤條件下施工中橋梁結構行為比較

4.1.1 單橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋

4.1.1.1 橋梁結構位移。對于有效覆土壓力修正后標準貫入試驗值[N1]分別為50、30、10、5抵抗強度均勻的基礎土壤而言，施工中橋梁行車方向中心線結構位移的仿真分析結果如表1所示。當基礎土壤的[N1]由50降至5，基礎土壤由緊密變為疏松時：①向下垂直向位移最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，增幅3.89%;②橋軸向位移朝左最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，降幅14.29%;③橋軸向位移朝右最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，增幅5.11%;④垂直橋軸向朝后位移最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，增幅1.99%;⑤垂直橋軸向朝前位移最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，降幅2.25%。

4.1.1.2 各結構應力的比較。對于有效覆土壓力修正后標準貫入試驗值[N1]分別為50、30、10、5抵抗強度均勻的基礎土壤而言，施工中橋梁行車方向中心線各結構應力模擬分析結果如下。

當基礎土壤的[N1]由50降至5，基礎土壤由緊密變為疏松時：①結構應力[σ11]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由16 081.52kPa增至16 084.46kPa，增幅0.02%;②結構應力[σ22]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由4 271.93kPa增至4 273.89kPa，增幅0.05%;③結構應力[σ33]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由3 763.93kPa增至3 765.89kPa，增幅0.05%;④結構應力[σ12]最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1 472.03kPa降至1 453.4kPa，降幅1.28%;⑤結構應力[σ13]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1 166.05kPa降至1 163.11kPa，降幅0.25%;⑥結構應力[σ23]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1 104.27kPa降至1 102.31kPa，降幅0.18%。

4.1.2 雙橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋

4.1.2.1 橋梁結構位移。對于有效覆土壓力修正后標準貫入試驗值[N1]分別為50、30、10、5抵抗強度均勻的基礎土壤而言，施工中橋梁行車方向中心線結構位移的模擬分析結果如下。當基礎土壤的[N1]由50降至5，基礎土壤由緊密變為疏松時：①向下垂直向位移最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由29.19cm增至30.75cm，增幅5.34%;②橋軸向位移朝左最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1.91cm增至2.12cm，增幅10.99%;③橋軸向位移朝右最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1.60cm降至1.47cm，降幅8.84%;④垂直橋軸向朝后位移最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由0.002 65cm增至0.002 67cm，增幅0.75%;⑤垂直橋軸向朝前位移最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由0.002 03cm降至0.002 02cm，降幅0.50%。

4.1.2.2 各結構應力的比較。對于有效覆土壓力修正后標準貫入試驗值[N1]分別為50、30、10、5抵抗強度均勻的基礎土壤而言，施工中橋梁行車方向中心線各結構應力模擬分析結果如下。

當基礎土壤的[N1]由50降至5，基礎土壤由緊密變為疏松時：①結構應力[σ11]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由11 480.96kPa降至11 382kPa，降幅0.87%;②結構應力[σ22]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由3 740.39kPa增至3 742.35kPa，增幅0.05%;③結構應力[σ33]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由2 643.97kPa降至2 639.06kPa，降幅0.19%;④結構應力[σ12]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1 562.26kPa降至1 556.37kPa，降幅0.38%;⑤結構應力[σ13]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1 168.99kPa降至1 167.03kPa，降幅0.17%;⑥結構應力[σ23]的最大值隨基礎土壤緊密程度減小而增加，最大值由1 421.03kPa增至1 423kPa，增幅0.14%。

4.2 單橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋

4.2.1 橋梁結構位移。對于結構勁度分別為全額、40%、20%、10%的臨時支撐架而言，施工中橋梁行車方向中心線結構位移的仿真分析結果如下。在基礎土壤屬于瀕臨中等緊密砂土的情況下，當臨時支撐架結構勁度由全額的數值至10%時：①向下垂直位移的最大值隨臨時支撐架結構勁度的減小而增加，最大值由36.21cm增至121.28cm，增幅234.94%;②橋軸向朝左位移最大值隨臨時支撐架結構勁度的減小而增加，最大值由0.58cm增至8.24cm，增幅1 320.69%;③垂直橋軸向朝前位移最大值隨臨時支撐架結構勁度的減小而減少，最大值由0.003 06cm降至0.002 81cm，降幅8.90%;④垂直橋軸向朝后位移最大值隨臨時支撐架結構勁度減小而增加，最大值由0.002 70cm增至0.005 58cm，增幅106.67%。

4.2.2 各結構應力的比較。對于結構勁度分別為全額、40%、20%、10%的臨時支撐架而言，施工中橋梁結構應力的模擬分析結果如下。

當臨時支撐架結構勁度由全額降至10%時：①結構應力[σ11]的最大值隨臨時支撐架結構勁度減小而增加，最大值由16 084.46kPa增至29 039.51kPa，增幅80.54%;②結構應力[σ22]的最大值隨臨時支撐架結構勁度減小而增加，最大值由4 272.91kPa增至7 612.19kPa，增幅78.15%;③結構應力[σ33]的最大值隨臨時支撐架結構勁度減小而增加，最大值由3 765.89kPa增至6 829.59kPa，增幅81.35%;④結構應力[σ12]的最大值隨臨時支撐架結構勁度減小而增加，最大值由1 468.11kPa增至2 228.15kPa，增幅49.50%;⑤結構應力[σ13]的最大值隨臨時支撐架結構勁度減小而增加，最大值由1 164.09kPa增至1 297.47kPa，增幅11.46%;⑥結構應力[σ23]的最大值隨臨時支撐架結構勁度減小而增加，最大值由1 103.29kPa降至1 036.6kPa，降幅6.43%。

4.3 不等跨距大跨度箱型梁橋施工中破壞模擬分析結果

對于本研究的雙橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋施工中破壞模擬分析而言，一橋墩的基礎土壤條件傾向于中等緊密砂土[3]，另一橋墩則傾向于瀕臨非常緊密的砂土。施工中位于中等緊密砂土上的臨時支撐架，因基礎不均勻沉陷造成臨時支撐架與其上端的千斤頂傾斜，臨時支撐架的支撐效應在大幅消失時[4]（假設為全額勁度的40%），該不等跨距大跨度箱型梁橋進而在施工中破壞。上述條件下不等跨距大跨度箱型梁橋施工中結構行為模擬分析結果如下。

某雙橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋施工中破壞模擬分析如圖1至圖3所示。

該不等跨距大跨度箱型梁橋在施工中垂直向下最大位移量440.84cm，橋軸向最大位移量31.42cm，垂直橋軸向最大位移量0.034 23cm;結構應力[σ11]最大值162 769.72kPa，[σ22]最大值42 962.51kPa，[σ33]最大值37 763.81kPa，[σ12]最大值15 273.42kPa，[σ13]最大值13 988.7kPa，[σ23]最大值16 989.65kPa;現地不對稱基礎土壤條件對于不等跨距大跨度箱型梁橋施工中結構穩定性有很大影響力。此外，通過分析破壞模擬結果發現，該橋在施工中破壞的主要原因為橋梁結構位移量及結構應力隨現地不對稱基礎土壤條件存在而使得臨時支撐架基礎沉陷量及差異沉陷量均過大，臨時支撐架上的千斤頂因而傾斜倒塌，臨時支撐架支撐效應大幅消失，造成施工端箱型梁大幅向下位移，箱型梁在向下位移量過大的情況下破壞。由模擬分析結果與實際的不等跨距大跨度箱型梁橋破壞現象的近似性得知，以SPA2000有限元素法程序配合適當的分析模式，實際不等跨距大跨度箱型梁橋施工中真正的破壞原因才有可能被發現。

5 結論

①不同的基礎土壤條件[5]：對于單橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋而言，橋梁結構位移量及結構應力隨基礎土壤條件[N1]值減少而增加;對于雙橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋而言，橋梁結構位移量及結構應力隨不對稱基礎土壤條件[N1]值減少而增加。

②當基礎土壤條件為[N1]=10（瀕臨中等緊密砂土）時，對于單橋墩不等跨距大跨度箱型梁橋而言，橋梁結構位移量及結構應力隨臨時支撐架結構勁度值（全額、40%、20%、10%）減少而劇烈增加。

③通過破壞模擬分析結果發現：該橋在施工中破壞的主要原因為橋梁結構位移量及結構應力隨現地不對稱基礎土壤條件存在而使得臨時支撐架基礎沉陷量及差異沉陷量均過大，臨時支撐架上的千斤頂因而傾斜倒塌，臨時支撐架支撐效應大幅消失，造成施工端箱型梁大幅向下位移，箱型梁在向下位移量過大的情況下破壞。

參考文獻：

[1]曹素功.風和列車荷載作用下大跨橋梁動力分析[D].湘潭：湘潭大學，2014.

[2]高偉.斜風作用下大跨度橋梁顫振導數研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[3]董銳，葛耀君，楊詠昕.基于虛擬激勵法的大跨度橋梁位移多目標等效靜力風荷載[J].土木工程學報，2014（11）：84-91.

[4]喻梅.大跨度橋梁顫振及渦激振動主動控制[D].成都：西南交通大學，2013.

[5]閆曉宇.多點激勵下大跨度鋼筋混凝土橋梁地震響應振動臺陣試驗研究[D].天津：天津大學，2013.