大跨度樁板結構小角度上跨既有結構受力分析

摘要 針對大跨度樁板結構小角度上跨既有結構設計可能引發的局部應力集中問題，文章依托軟土地區某典型大跨度樁板結構工點，使用大型商業軟件SAP2000對樁板結構進行了建模，研究樁板結構小角度上跨地鐵隧道時的受力與變形情況，分析了樁板結構不同構件（主要包括梁、板、樁等）的應力值，并依據計算結果進行了結構配筋設計。結果表明，樁板結構的主要梁板樁結構剪力、彎矩和軸力均在混凝土結構安全承載的合理范圍內，大跨度樁板結構小角度上跨既有結構的設計方案可行。文章的研究成果不僅為同類工程的設計提供了參考思路，還提出了有效的計算方法，有助于提升此類結構設計的科學性與安全性。

關鍵詞 樁板結構；大跨度；受力分析；上跨；小角度

中圖分類號 TU432 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0134-04

0 引言

隨著陸路交通建設的快速發展及地下空間的逐步開發利用，新建項目上跨既有地下建筑或結構越來越常見。上跨結構的土建施工和運營需將上部荷載傳遞到下部土體，導致地層位移場和應力場變化，并在既有結構上附加荷載，容易導致既有結構上浮、下沉甚至結構開裂，影響既有結構的運營安全。

上跨設計需要保證設計結構合理且減少對下部結構的擾動，樁板結構是介于橋梁與傳統路基之間的一種特殊的結構形式，具有強度高、剛度大、穩定性好、沉降小等特點[1]，且相比橋梁造價低。因此，樁板結構常用于土質較軟的路基上跨設計方案中，其設計方法包括近似結構計算和有限元分析等。在有限元結構計算方面，楊紅春[2]以新建道路穿越京滬高鐵橋梁段為例，分析了樁板結構方案和路基方案對既有高鐵橋墩和樁基的影響；楊菲[3]以丹陽市區至濱江新城快速通道下穿京滬高速鐵路張巷特大橋工程為背景，研究了樁板及空心板梁橋下穿高鐵橋梁方案施工對京滬高鐵的影響；廖超[4]以新建鐵路動車跨越既有運營地鐵工程為背景，分析了該工點樁板結構的埋入深度，對比分析了常用兩種形式的樁板結構對該工程的適用性。除了對方案進行研究，姜廣州[5]為減少軟土路基的沉降量，通過室內試驗改變樁間距和板厚及樁本身布置情況，研究樁板結構對該路基影響，得出板厚、樁間距及布置情況與沉降量的變化規律。這些研究均基于各自工點情況進行方案研究和計算，但一般路基樁板結構難以滿足小角度上跨既有結構的工程需求，有必要通過有限元計算大跨度樁板結構小角度上跨既有結構，以獲取樁板結構的受力情況，為特殊方案設計提供設計依據和支持。

該文以新建寧宣鐵路DK13+417附近路基下穿南京地鐵2號線為研究背景，通過大型通用有限元數值分析軟件SAP2000對樁板結構進行建模，分析樁板結構不同構件的受力情況，并依據受力情況進行配筋計算。

1 數值模型

1.1 工程概況

線路方案在DK12+425～DK13+120段預留紫金山東站，受豎向標高限制，在DK13+528～DK13+756段以路基形式上跨南京地鐵2號線。在平面上，線路方案受控于預留紫金山東站布置、金馬路橋墩、滬蓉高速橋墩與橋臺，導致寧宣鐵路只能以小角度上跨南京地鐵2號線；在縱斷面上，受控于預留紫金山東站寧蕪鐵路加地面站臺條件、金馬路橋下凈空、滬蓉高速公路橋下凈空，該段線路縱斷面無法抬高。因此，該段寧宣鐵路只能以路塹形式小角度上跨南京地鐵2號線盾構隧道，線路方案具有唯一性。

新建寧宣鐵路與南京地鐵2號線的平面位置關系如圖1所示。其中，南京地鐵二號線標示左線、右線隧道位置，寧宣鐵路標示線路位置。

1.2 工程地質條件

地形地貌：坳谷地貌，受人類活動影響，原始地貌被破壞，線路右側人工堆填厚層雜填土，地形有一定的起伏，相對高差約2～8 m。

地層巖性參數：新建寧宣鐵路與南京地鐵2號線的交叉位置參數如表1所示。

1.3 平縱設計方案

寧宣鐵路上跨南京地鐵2號線曲線段的最小角度約14°，在小角度條件下，即交叉角度相對較小的情況下，鐵路路基樁板結構的跨越設計，應力求在保持系統強度的前提下，最大限度地減小對地鐵運營的影響。根據鉆孔樁的空位布置，跨越樁板結構可以按照平行地鐵的縱向托梁方案展開設計，如圖2～3所示。

1.4 三維數值模型

分別建立簡化后的以桿件結構為基礎的樁板結構三維分析模型，計算結構內力和彎矩。模型以沿線路方向為X軸，垂直線路方向為Y軸，見圖4所示。模型采用桿單元模擬樁和梁，使用殼單元模擬承載板，材料均為混凝土。根據樁側土體類型，設置彈簧約束，樁底地層為硬塑粉質黏土層，樁底約束三個方向的平動。

樁板結構設計應根據結構特性，以及所承擔的荷載，按最不利組合工況進行計算。本工點為非埋板，設計荷載見表2所示。同時，進行荷載組合，實現各種荷載作用下最不利工況的求解。根據規范要求，列車脫軌荷載只與主力恒載組合，不與主力活載和其他附加荷載組合。根據以上主力、附加力及特殊力等多種荷載，在軟件中分別定義荷載工況。

2 受力分析

2.1 樁受力分析

在各種工況組合作用下，樁的內力最大值包絡圖以樁局部坐標系展示，其中1軸為桿件方向，2軸為整體坐標系X軸，即為線路方向，3軸根據右手螺旋法則確定。計算結果見圖5～7所示。

2.2 梁受力分析

在各種工況組合作用下，梁的內力最大值包絡圖以局部坐標系展示，其中1軸為桿件方向，2軸為整體坐標系Z軸，3軸根據右手螺旋法則確定。計算結果見圖8～9所示。

2.3 板受力分析

在各種工況組合作用下，板的內力最大值包絡圖以整體坐標系展示。計算結果見圖10～11所示。

由彎矩剪力云圖分布可以看出，部分角點位置處出現應力集中現象，因此在進行配筋設計時應以非應力集中部分承載板的彎矩剪力值展開，并在應力集中的邊角處進行配筋的局部加強。

樁合成彎矩最大值為2 571 kN·m，合成剪力最大值為477 kN，合成彎矩最大對應軸力為1 956 kN，樁頂最大軸力為3 937 kN；梁繞2軸最大正彎矩為1 614 kN·m，繞2軸的最大負彎矩為1 700 kN，沿3軸的最大剪力416 kN，繞3軸的最大正彎矩7 824 kN·m，繞3軸的最大負彎矩4 724 kN·m，沿2軸的最大剪力為4 083 kN；繞Y軸的最大正彎矩為742 kN·m，繞Y軸的最大負彎矩為904 kN，XZ平面沿著Z軸方向的最大剪力1 709 kN，繞X軸的最大正彎矩592 kN·m，繞X軸的最大負彎矩1 025 kN·m，YZ平面沿著Z軸的最大剪力為3 247 kN。

2.4 結構配筋

經過SAP2000有限元軟件計算，并導出樁、板、梁結構的最大包絡彎矩、剪力和軸力數值，如圖10所示。對樁、板和梁進行配筋正截面和斜截面的承載力驗算，使配筋滿足最大裂縫限值、最小配筋率等要求。最終配筋結果如表3所示。

3 結論

（1）新建寧宣鐵路受限于周邊已有工程建筑和結構的影響，必須采用路基上跨形式，且地基為軟土，需要進行加固。在常用的地基加固措施中，樁板結構為比較合適的處理方式。

（2）通過計算分析，大跨度樁板結構構件的彎矩、剪力和軸力均在混凝土結構允許的承受范圍內，且其樁基距離地鐵管道具有施工的可行性，采用縱梁大跨度樁板結構小角度上跨地鐵方案可行。

參考文獻

[1]劉家兵.深厚軟土地基上跨淺埋地鐵樁板結構施工技術研究[J].鐵道標準設計， 2013（7）：16-19.

[2]楊紅春.新建道路下穿高速鐵路橋梁對高鐵橋墩和樁基影響的分析[J].中國市政工程， 2016（2）：7-9+110-111.

[3]楊菲.樁板及空心板梁橋結構下穿軟土區高鐵橋梁的數值模擬研究[J].華東交通大學學報， 2017（5）：12-20.

[4]廖超.上跨地鐵的鐵路路基樁板結構選型研究[J].路基工程， 2018（4）：188-191.

[5]姜廣州.樁板結構在公路軟土地基處理中的應用研究[J].河北建筑工程學院學報， 2021（4）：38-42.

收稿日期：2024-09-26

作者簡介：胡耀芳（1993—），女，碩士研究生，工程師，從事鐵路工程路基設計及研究工作。