框架橋基礎沉降對結構安全影響的數值模擬研究

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鋼筋混凝土結構框架橋，經多次加固后仍存在多處破損、露筋和開裂等病害，需對其進行拆除并同步在兩側修建新橋。新橋樁基礎距舊橋最近凈距約1.4 m，擬采用旋挖鉆孔施工工藝。考慮到旋挖鉆孔施工可能會造成舊橋基礎沉降，為了解基礎沉降對框架橋的結構安全影響，采用有限元軟件建立部分框架橋分離式共節點模型，對鉆孔施工影響下框架橋的受力分析進行數值模擬。結果表明：框架橋基礎沉降取值為5 mm時，最大拉應力出現在左幅橋面板內側邊緣處，為2.62 MPa；沉降取值4 mm時，最大拉應力出現在左幅橋面板內側邊緣處，為2.1 MPa，未達到其抗拉強度設計值。建議樁基施工過程中對舊橋位移進行實時監測，控制不均勻沉降值在4 mm內。

關鍵詞：框架橋；結構安全；鉆孔施工；共節點分離式模型；應力；數值模擬

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

0 引言

現有橋梁經過多年的運營，大量超載車輛的通行對現有橋梁造成了嚴重破壞，造成了嚴重安全隱患，需要拆除后在原址上建設新橋。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發生沉降，因此需要分析鉆孔施工對舊橋結構的安全影響。

目前不少學者開展了樁基施工振動對周邊建（構）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。為了解基礎沉降對框架橋結構的安全影響，采用有限元軟件建立部分框架橋模型，對基礎沉降影響下臨近框架橋的受力進行了數值模擬。

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，橋位區未見斷裂構造形跡，覆蓋層主要為素填土、全新統粉質粘土，基底由花崗巖及其風化層組成。第15～44跨均為15 m鋼筋混凝土結構框架橋，分左、右幅設置，單幅長450 m，寬度為15.75 m，高12.5 m，結構形式包括空心板、墩柱、橫梁、剪力墻、層板、擴大基礎和樁基礎，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。框架梁主筋直徑Φ22 mm，間距6 mm，箍筋直徑Φ8 mm，間距100 mm。剪力墻主筋直徑Φ20 mm。框架橋結構如圖1所示。

框架橋經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，需對其進行拆除并同步在兩側修建新橋（見圖2）。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

為了能準確地反映橋梁樁基工程施工加載對舊橋結構的影響[8]，綜合樁基與舊橋結構的距離、地層巖土體強度參數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進行力學響應分析。考慮到結構的對稱性，取左幅橋距離沖擊鉆孔施工最近的2跨，采用分離式共節點模型建立部分框架橋模型[9]（共節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，進而對結構提供更精確的分析），再施加對稱約束進行計算。

為了減少邊界效應的影響，模型的尺寸需要在土體范圍上作一定延伸[10，11]。根據有限元分析原理和一般處理經驗，樁基影響范圍一般為10倍樁徑范圍內，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。模型大小與實際結構完全相同，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。框架橋三維數值模型如圖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《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）車道荷載計算，考慮4車道最不利影響，折減系數為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《公路橋涵設計通用規范》（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賦予沉降位移約束，其余樁基按墩底固結，框架結構之間按剛接處理，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 數值模擬結果分析

3.1 基礎沉降取值5 mm時

計算結果主要考慮橋梁上部結構應力分布，沉降位移取值5 mm時，最大拉應力出現在框架橋左幅橋面板內側邊緣處，為2.62 MPa，見圖4與圖5。

3.2 基礎沉降取值4 mm時

基礎沉降取值4 mm時，最大拉應力出現在框架橋左幅橋面板內側邊緣處，為2.1 MPa，此時結構受力未達到其抗拉強度設計值，見圖6與圖7。

4 結語

為了解鉆孔施工導致的基礎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點分離式鋼筋混凝土模型，分析了基礎沉降對臨近框架橋的結構受力安全影響，得出以下結論。

第一，臨近框架橋凈距1.4 m處旋挖鉆孔施工，框架橋基礎沉降取值5 mm時，最大拉應力出現在左幅橋面板內側邊緣處，為2.62 MPa。

第二，基礎沉降取值4 mm時，最大拉應力出現在左幅橋面板內側邊緣處，為2.1 MPa。

第三，框架橋基礎沉降取值為4 mm時，結構受力未達到其抗拉強度設計值。建議樁基施工過程中對舊橋位移進行實時監測，控制不均勻沉降值在4 mm內。

參考文獻

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