城市道路橋梁跨越輸水箱涵模擬分析

齊亞靜

隨著城市的建設(shè)發(fā)展，城市道路不斷增加，與之交叉的各種管線跨越工程隨之增加，對管線的安全維護造成影響，特別是城市不可或缺的大型輸水箱涵，城市道路大多采用橋梁形式跨越，如何滿足城市發(fā)展建設(shè)的需要，同時又保證管線工程的安全，成為必須解決的緊要問題。

由于土體具有彈塑性的特點，很難計算管線與跨越工程之間的相互影響，隨著計算機圖形處理和分析技術(shù)的進步，有限元分析計算方法可以很好地解決這一問題。

MidasGTSNX是一款針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，不僅支持線性/非線性靜力分析、線性/非線性動態(tài)分析、滲流和固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定分析、施工階段分析等多種分析類型，而且可進行滲流—應(yīng)力耦合、應(yīng)力—邊坡耦合、滲流—邊坡耦合、非線性動力分析-邊坡耦合等多種耦合分析。廣泛適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的準(zhǔn)確建模與分析。

1.計算模型及參數(shù)選取

城市道路橋梁跨越輸水箱涵采用一跨40m，梁高1.2m，左右幅橋?qū)捑?2.5m，橋下凈空約2m，這樣既可減小跨越工程對箱涵的影響，又可為箱涵檢修開挖預(yù)留空間，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用一字型橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基直徑1.2m，樁長43m；為保證箱涵檢修開挖時的安全，在灌注樁與箱涵之間設(shè)防護樁，樁徑1.0m，防護樁間距1.2m，樁長24m，樁頂設(shè)置冠梁，確保防護樁的整體性，防護樁成U型布置，防護樁與箱涵外側(cè)邊緣凈距8m。

箱涵型式為3孔4.4m×4.4m輸水箱涵，總寬度為15.30m，高度為5.6m，箱涵頂部距離地面3m。

為模擬橋梁和防護樁對箱涵的影響，采用MidasGTSNX巖土有限元分析軟件建立3D立體應(yīng)變有限元數(shù)值模型，土體本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫倫模型，修正莫爾-庫倫模型是對莫爾-庫倫模型的改進，可以模擬基于冪函數(shù)的非線性彈性和彈塑性模型的組合行為，模型中通過分別定義加載彈性模量和卸載彈性模量，優(yōu)化因開挖(移除荷載)導(dǎo)致的地面隆起現(xiàn)象。另外還可以通過不抗滑剪切承載力相關(guān)的等效塑性應(yīng)變定義剪切硬化，當(dāng)土體發(fā)生剪切硬化時，求解器會重新計算剪脹角，剪切屈服面會擴張到莫爾-庫倫的破壞面，以此來有效模擬土體的剪切硬化效應(yīng)。箱涵、防護樁、橋墩樁基、橋墩、橋梁按彈性材料進行考慮。

根據(jù)地勘資料，各土體材料參數(shù)依次為：alQ43壤土，容重取19.4kN/m3，黏聚力取25Kpa，內(nèi)摩擦角取16.5°，壓縮模量取5Mpa；alQ43砂壤土，容重取18.8kN/m3，黏聚力取9Kpa，內(nèi)摩擦角取27.9°，壓縮模量取5Mpa；alQ42粉砂，容重取17.9kN/m3，黏聚力取0Kpa，內(nèi)摩擦角取26°，壓縮模量取6Mpa；alQ42壤土，容重取19.6kN/m3，黏聚力取18Kpa，內(nèi)摩擦角取19.5°，壓縮模量取5.82Mpa；alQ42細砂，容重取19.4kN/m3，黏聚力取0Kpa，內(nèi)摩擦角取27°，壓縮模量取9Mpa；alQ42中砂，容重取19kN/m3，黏聚力取0Kpa，內(nèi)摩擦角取28°，壓縮模量取9.5Mpa；alQ41壤土，容重取19.9KN/m3，黏聚力取18Kpa，內(nèi)摩擦角取20.8°，壓縮模量取5.25Mpa。

各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)箱涵C30混凝土，彈性模量取3.10E+07kN/m2，泊松比取0.20，容重取25kN/m3；橋梁C40混凝土彈性模量取3.35E+07kN/m2，泊松比取0.20，容重取25kN/m3。

有限元模型及網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)值計算模型圖見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型

2.橋梁施工階段模擬分析

橋梁施工階段模擬4個階段：一是施工階段模擬原狀地面，施加土層及箱涵自重荷載，箱涵內(nèi)水壓力。由于樁基施工前箱涵與土之間已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，因此模型中該施工階段由自重產(chǎn)生的位移清零。二是施工階段模擬施工防護樁，施加防護樁、防護樁冠梁自重，對防護樁進行z方向轉(zhuǎn)動約束。三是施工階段模擬施工橋墩樁基，施加橋墩樁基、樁基承臺自重，對橋墩樁基進行z方向轉(zhuǎn)動約束。四是施工階段模擬成橋，施加橋墩及橋梁最后成橋。

施工成橋后箱涵最大豎向位移8.89mm，小于豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)10mm，滿足箱涵豎向位移控制要求。施工成橋后豎向位移云圖見圖2。

圖2 施工成橋后豎向位移云圖（mm）

3.箱涵檢修開挖階段模擬分析

橋梁檢修開挖階段模擬5個階段：一是檢修階段模擬成橋沉降穩(wěn)定后，橋梁與土之間已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，模型中該階段由自重產(chǎn)生的位移清零。二是檢修階段模擬箱涵排水后，鈍化箱涵內(nèi)水壓力。三是檢修階段模擬開挖至箱涵頂，鈍化第一層開挖土體，即按照1∶1.5坡比開挖至箱涵頂部分土體。四是檢修階段模擬開挖至箱涵中間，鈍化第二層開挖土體，即按照1∶1.5坡比開挖至箱涵中間部分土體。五是檢修階段模擬開挖至箱涵底，鈍化第三層開挖土體，即按照1∶1.5坡比開挖至箱涵底部分土體。

箱涵檢修開挖階段防護樁最大橫向變形4.16mm，滿足箱涵檢修開挖要求。橋梁檢修開挖橫向位移云圖見圖3、圖4。

圖3 橋梁檢修開挖橫向位移云圖（mm）

圖4 橋梁檢修開挖防護樁橫向位移云圖（mm）

4.結(jié)語

采用MidasGTSNX巖土有限元分析軟件建立3D立體應(yīng)變有限元數(shù)值模型，土體本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫倫模型，可以模擬橋梁施工和橋梁檢修開挖過程，此種方法可為其他類似工程提供參考。

由計算結(jié)果可知，施工成橋后箱涵最大豎向位移8.89mm，滿足箱涵豎向位移控制要求；箱涵檢修開挖階段防護樁最大橫向變形4.16mm，滿足箱涵檢修開挖要求。

通過模擬分析計算可以基本確定跨越工程和輸水箱涵之間相互影響，為最終跨越方案的確定提供依據(jù)。