羅 冰

(廈門(mén)市政管廊投資管理有限公司 廈門(mén)市 361000)

0 引言

隨著沿海城市的快速發(fā)展,區(qū)域建設(shè)的持續(xù)提升,以及城市交通流量的持續(xù)增長(zhǎng),跨海通道的建設(shè)需求日漸高漲。由于建橋的最佳橋位有限,且完全新建橋梁的造價(jià)相對(duì)較高,因此在擴(kuò)建空間允許的條件下,對(duì)既有跨海橋梁進(jìn)行兩側(cè)拼寬改造增加車(chē)道的建設(shè)方案是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。若新建橋緊鄰現(xiàn)狀橋拼寬改造,如何評(píng)估新建橋結(jié)構(gòu)對(duì)鄰近現(xiàn)有橋面結(jié)構(gòu)的影響、明確相關(guān)安全控制指標(biāo),已成為工程界關(guān)注的重要問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)新建橋梁與既有橋梁之間相互影響的研究較少,大多處于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)階段,而基礎(chǔ)理論數(shù)字化、模型化的成果相對(duì)匱乏。對(duì)于空心板橋、T梁橋、小箱梁橋[1]已有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究,也提出安全控制建議值。而目前市政道路跨海橋梁中,大箱梁連續(xù)橋在大中型橋梁中占有相當(dāng)大的比例,但相關(guān)影響研究開(kāi)展甚少。因此,文章以某新建跨海拼寬大橋?yàn)楣こ瘫尘?采用巖土數(shù)值分析軟件,分析新建橋梁對(duì)臨近既有橋梁變形及受力的影響,旨在研究討論得出既有橋梁的安全控制標(biāo)準(zhǔn),及相應(yīng)的控制措施。

1 工程概況

某既有跨海大橋于2006年建成通車(chē),道路等級(jí)為城市主干路,雙向六車(chē)道。橋梁全長(zhǎng)925m,全寬26m,雙幅布置,跨徑布置為4×35m+5×35m+40m+3×60m+40m+5×35m+5×35m。其中主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),引橋?yàn)檫B續(xù)梁橋。鑒于片區(qū)建設(shè)持續(xù)加快,進(jìn)出車(chē)流持續(xù)增加,現(xiàn)狀橋梁并不能適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通流量需要,擬在既有橋梁兩側(cè)實(shí)行拼寬改建,各拼寬8.5m。拼寬后橋全長(zhǎng)43m,車(chē)行道增至雙向八車(chē)道,并增加慢行系統(tǒng)。擬建橋體與既有橋梁大致平行,且橋跨設(shè)置一致。橋梁拼寬采用上下部構(gòu)造不連接的方式,在新舊橋間留一縱縫,受力互不影響,施工相對(duì)方便。

新建拼寬橋?qū)嵤┣?對(duì)既有橋梁的檢測(cè)與評(píng)定,目前總體技術(shù)狀況良好,所有聯(lián)跨技術(shù)狀況等級(jí)均為B級(jí),具有承受現(xiàn)行城—A級(jí)設(shè)計(jì)荷載的強(qiáng)度和剛度,新建橋梁橫斷面如圖1所示。

項(xiàng)目位于海域及灘涂,場(chǎng)地地基土自上而下主要有:雜填土、填砂、粉狀粘土、中砂、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗石、砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗石、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗石、中風(fēng)化花崗巖等組成。

2 新、舊橋梁工程相對(duì)位置關(guān)系

海域段新建橋樁基與原橋橋墩樁基最小樁中心距約為6.35m,最小樁凈距約為4.85m;新建橋樁基與原橋承臺(tái)最小凈距約為4.35m。陸域段新建橋樁基與原橋墩樁基最小樁中心距約為4.8m,最小樁凈距約為3.3m;新建橋樁基與原橋承臺(tái)最小凈距約為2.3m。承臺(tái)開(kāi)挖采取鋼板樁方式,其基坑深約4.5m,基樁采用沖孔工藝施工。鋼便橋基礎(chǔ)基樁尺寸D630x10mm,與既有橋梁橋墩樁基最小距離約為12.3m,與承臺(tái)最小距離約13m,鋼便橋管樁擬使用釣魚(yú)法進(jìn)行,用履帶吊配合振動(dòng)錘振動(dòng)下沉鋼管樁。

擬建橋體施工順序:先施工鋼便橋,然后施作圍堰進(jìn)行基坑開(kāi)挖,最后進(jìn)行橋體下部結(jié)構(gòu)的施工。

3 安全控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 主要參考標(biāo)準(zhǔn)

目前對(duì)橋梁變形的安全控制指標(biāo)主要針對(duì)橋墩與梁體部分:橋墩變位一般是通過(guò)控制橫向水平位移和梁端水平折角來(lái)實(shí)現(xiàn)的;梁體一般通過(guò)梁體橫向變形控制。而沉降對(duì)橋梁墩柱和梁體變形均影響較大。目前墩臺(tái)沉降值控制指標(biāo)通常采用允許位移值進(jìn)行控制,通常包含以下內(nèi)容:(1)單墩允許最大沉降值;(2)順橋向相鄰橋墩間允許差異沉降值;(3)橫橋向相鄰橋墩間允許差異沉降值。這些控制指標(biāo)在現(xiàn)行的市政道路設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒(méi)有提及,僅在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)中對(duì)靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)在不同沉降形式的沉降限值上有規(guī)定:均勻沉降20～30mm,相鄰墩臺(tái)沉降差5～15mm。此外,在目前設(shè)計(jì)中沉降限值以經(jīng)驗(yàn)取值為主,一般取跨徑/3000(小跨徑橋梁取5mm,中等跨徑橋梁取10mm,大等跨徑橋梁取20mm)。

3.2 結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

本次研究擬取既有橋梁墩臺(tái)沉降值作為結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)。該指標(biāo)取值應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,并結(jié)合運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下墩臺(tái)沉降對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響綜合確定,有條件時(shí)還可對(duì)照結(jié)合橋梁現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。

按照本工程既有橋的設(shè)計(jì)圖紙,采用橋梁博士軟件對(duì)既有主橋40m+3×60m+40m五跨預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋進(jìn)行數(shù)值模擬,三維模型如圖2所示。

圖2 既有橋梁主橋剛構(gòu)橋模型

以僅在一墩上分別施加5mm、8mm、10mm 的位移來(lái)模擬該橋出現(xiàn)相鄰兩墩存在不均勻沉降的情況。結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不均勻沉降下結(jié)構(gòu)最大最小應(yīng)力

分析結(jié)果顯示,最大彎矩發(fā)生在產(chǎn)生沉降的墩柱位置,且在此處的桿端彎矩相對(duì)次邊跨的影響也很明顯。由此可見(jiàn),相鄰橋墩之間微量的不平衡沉降可以對(duì)既有橋梁在受力方面形成重要的負(fù)面影響[2]。既有橋梁主梁采用C50混凝土,受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.8MPa。不平衡沉降在8mm情況下,最大拉應(yīng)力為1.08MPa,相對(duì)合理。結(jié)合規(guī)范建議及本案例的數(shù)值模擬,將不均勻沉降安全控制值控制在8mm,預(yù)警值控制在4mm較為合理。

4 有限元模型

4.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的選擇

新橋橋墩分為海域段橋墩和陸域段橋墩,根據(jù)新舊橋墩的布置形式、新橋樁的長(zhǎng)度、土層條件和新舊橋樁間距,選取11#橋墩(海域段)進(jìn)行分析。其中,新橋11#橋墩(海域段)和既有橋梁11#橋墩樁間最小距離為4.85m。

4.2 計(jì)算原則及材料參數(shù)

模型計(jì)算分析采用巖土工程三維有限元軟件Midas GTS NX,計(jì)算原則如下:

(1)假定圍巖各層都是各向同性連續(xù)介質(zhì),土體采用Modified Mohr-Coulomb模型,該模型可以考慮土體的壓縮硬化與剪切硬化,并采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

(2)假定地表和各土層均成層均質(zhì)水平分布。

(3)地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。

(4)初始平衡按照將重力加速度加到模型上,由程序自動(dòng)獲得。

(5)本基坑土體滲透系數(shù)小,且設(shè)計(jì)方案未考慮井管降水措施,故不考慮地下水在開(kāi)挖過(guò)程中的影響。

(6)計(jì)算建模時(shí),對(duì)明挖基坑、既有橋梁結(jié)構(gòu)范圍及周邊關(guān)心的部位加密網(wǎng)格剖分。

材料本構(gòu)關(guān)系及其參數(shù)選取對(duì)數(shù)值計(jì)算有重要影響,一般通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)確定。本次計(jì)算所有巖土材料的結(jié)構(gòu)關(guān)系均采用修正莫爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模式,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均采用各向同性線彈性模型。材料參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 巖土材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

4.3 計(jì)算模型的建立

(1)計(jì)算范圍

有限元仿真分析需要人為劃定模擬區(qū)域,為方便描述,首先給出計(jì)算模型中擬采用的坐標(biāo):以既有橋梁走向?yàn)閄軸,與其走向的垂直方向?yàn)閅軸,豎直方向?yàn)閆軸(向上為正),模型尺寸統(tǒng)一為100m×100m×70m。

(2)單元選擇

Midas GTS中提供直線單元、平面單元、實(shí)體單元等單元簇,每個(gè)單元簇又有細(xì)分,適合不同的情況。本次計(jì)算模型中鋼板樁采用板單元模擬,鋼支撐采用1D梁?jiǎn)卧M,樁基、地層結(jié)構(gòu)、橋梁墩柱及承臺(tái)等采用實(shí)體單元模擬。

(3)網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算精度有重要影響。一般來(lái)講網(wǎng)格越細(xì),結(jié)果越精確,也有利于計(jì)算收斂。但網(wǎng)格小到一定程度后,這兩方面的優(yōu)勢(shì)就不再明顯,反而會(huì)增加計(jì)算費(fèi)用,延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。因此,綜合考慮計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間,在模型重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域可將網(wǎng)格劃分的細(xì)一些,在非重點(diǎn)區(qū),網(wǎng)格可劃分粗一些。本模型地層單元25248個(gè),舊橋單元1167個(gè),新橋單元1759個(gè),鋼板樁單元188個(gè),計(jì)算模型網(wǎng)格劃分詳見(jiàn)圖3。

圖3 新橋11#橋墩模型(海域段)

(4)荷載設(shè)置

模型中添加的荷載包括:已建單元的重力、海域段作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水壓力、樁基成孔過(guò)程中的泥漿護(hù)壁壓力、既有橋梁墩頂反力、新建橋體墩頂反力。

經(jīng)已有資料和計(jì)算,獲得所需的樁頂反力及墩頂反力,樁基成孔的泥漿護(hù)壁壓力按照泥漿重度為13kN/m3計(jì)算,既有橋梁、新建橋體分別以大小2400kN/m2、2400kN/m2的均布力添加在其墩頂單元面。

(5)邊界條件

根據(jù)計(jì)算模型范圍,模型邊界距離基坑已足夠遠(yuǎn),進(jìn)行法向約束,即垂直X軸的前后二邊界面假定X方向的位移為0,則UX=0;垂直Y軸的左右兩個(gè)邊界假設(shè)Y方向的位移為0,即UY=0;模型底部邊界,假設(shè)X、Y、Z三個(gè)方向的位移都為0,即UX=0、UY=0、UZ=0。模型上部邊界為自然邊界,6個(gè)位移自由度都不約束。

(6)施工工序

為準(zhǔn)確模擬擬建項(xiàng)目對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響,本數(shù)值模型分析步設(shè)置如下:

a.工況1(地應(yīng)力平衡):建立計(jì)算模型,利用地應(yīng)力分析,得出擬建工程實(shí)施前模型研究區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力水平。本分析步驟要求在考慮重力荷載及既有橋梁墩頂反力等先期荷載的工況下,完成內(nèi)力計(jì)算,計(jì)算完成后,軟件自動(dòng)平衡地層變形量,進(jìn)行位移清零。

b.工況2(樁基成孔):鈍化新建橋體的樁基單元,并激活泥漿護(hù)壁壓力。

c.工況3(樁基澆筑):鈍化泥漿護(hù)壁壓力,激活新建橋體的樁基單元,并改變樁單元材料屬性。

d.工況4(基坑開(kāi)挖+圍護(hù)):激活鋼支撐、鋼板樁,鈍化開(kāi)挖部分的網(wǎng)格單元。

e.工況5(新建橋體施工完成):激活新建橋體的橋墩、承臺(tái)等,鈍化鋼支撐和鋼板樁。

5 計(jì)算結(jié)果

新橋施工完成后,提取既有橋梁墩臺(tái)及樁基的變形云圖,結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。變形極值見(jiàn)表4。

表4 新橋施工完成后變形極值統(tǒng)計(jì)表

圖4 新橋施工完成后既有橋梁墩臺(tái)、樁基Y向位移云圖

圖5 新橋施工完成后既有橋梁墩臺(tái)、樁基Z向位移云圖

通過(guò)數(shù)值計(jì)算,可得如下結(jié)論:

考慮成樁效應(yīng)下,對(duì)于既有橋梁的安全評(píng)估,最受關(guān)注的重點(diǎn)仍然是其橫向的水平位移及豎向沉降。

新建橋體施工完成后,既有大橋11#墩(海域段)豎向最大位移為-2.0mm,順橋向墩最大位移為0.1mm,橫橋向墩最大位移為2.0mm;既有橋梁11#墩(海域段)樁基豎向最大位移為-1.9mm,順橋向樁基最大位移為0.1mm,橫橋向樁基最大位移為0.2mm。同時(shí),根據(jù)實(shí)際橋墩檢測(cè)數(shù)據(jù)表明:橫橋向水平位移值1.5mm;豎直向位移值1.3mm,與數(shù)值模擬分析的結(jié)果相差無(wú)幾,變形值較小,遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)警值,符合控制標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論與建議

以某跨海大橋拼寬工程為背景,用巖土數(shù)值分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,探討了新建橋梁對(duì)既有橋梁樁基變形及內(nèi)力的影響,得到結(jié)論如下:

結(jié)合規(guī)范建議及本案例的數(shù)值模擬,本工程案例的既有橋梁不均勻沉降安全控制值控制在8mm,預(yù)警值控制在4mm較為合理,可以為同類(lèi)型跨徑相當(dāng)?shù)臉蛄禾峁﹨⒖肌?/p>

在施工期間新建橋梁對(duì)既有橋梁墩臺(tái)及樁基結(jié)構(gòu)出現(xiàn)略微的沉降和水平位移,影響甚微。拼寬橋梁建成后,對(duì)既有大橋的墩臺(tái)的沉降和水平位移有顯著影響,但結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范限值要求。

總體來(lái)看拼寬橋梁建設(shè)對(duì)既有橋梁存在一定影響,施工過(guò)程中合理安排工期,各墩臺(tái)保持同步施工,可以避免施工進(jìn)度不一導(dǎo)致既有橋各墩臺(tái)不均勻沉降過(guò)大,從而保證安全運(yùn)營(yíng)。