高鐵橋梁下某新建道路工程對(duì)高鐵橋梁的影響

李 明 波

(南京市科技創(chuàng)新投資有限公司，江蘇 南京 210026)

高鐵橋梁下某新建道路工程對(duì)高鐵橋梁的影響

李 明 波

(南京市科技創(chuàng)新投資有限公司，江蘇 南京 210026)

利用有限元軟件Plaxis 3D對(duì)寶善寺路下穿京滬高鐵工程進(jìn)行了模擬計(jì)算，并以高鐵橋墩墩頂和樁基變形為研究對(duì)象，對(duì)比了兩種不同道路設(shè)計(jì)方案對(duì)高鐵橋梁影響的異同，通過(guò)計(jì)算分析得出了較優(yōu)方案，可供類似工程參考借鑒。

新建道路，高速鐵路，橋墩樁基，有限元法

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，截至2013年年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已突破1萬(wàn)km，成為世界上高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家。高速鐵路多采用“以橋代路”的方式，而且常從市區(qū)穿過(guò)，往往將整個(gè)城市一分為二，而城市的規(guī)劃往往又跟不上高鐵建設(shè)的步伐，于是就有了新建道路下穿高鐵橋梁的問(wèn)題。然而，高速鐵路對(duì)線路平順性控制要求嚴(yán)格[1]，新建道路施工對(duì)高鐵橋梁變形的影響問(wèn)題關(guān)乎高鐵安全，引起了人們的廣泛關(guān)注。 本文以寶善寺路下穿京滬高鐵工程為背景，應(yīng)用有限元法建立三維整體模型，考慮最不利施工情況下，以高鐵橋墩墩頂和樁基變形為分析對(duì)象，對(duì)比分析簡(jiǎn)支梁橋方案和樁板梁橋方案對(duì)高鐵橋梁的影響，可以為類似道路下穿高鐵工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概述

京滬高速鐵路秦淮河特大橋位于南京市江寧區(qū)境內(nèi)，橋址處地勢(shì)平坦，上部土層為洪積層，地質(zhì)條件較差，下覆泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖。擬建寶善寺路為城市次干道，于京滬高鐵167號(hào)～169號(hào)墩之間分雙幅下穿，公路橋與鐵路橋夾角為65°，橋上凈空近9 m，橋面與鐵路橋墩最近距離約2.1 m。下穿處高鐵橋梁為32 m+24 m簡(jiǎn)支箱梁，橋墩采用矩形雙柱實(shí)體墩，樁基為10-φ1.0 m鉆孔樁，樁長(zhǎng)19.5 m～21.0 m。工程平面布置如圖1所示，橋址區(qū)地層分布如圖2所示。擬采用簡(jiǎn)支梁橋和樁板梁橋兩種公路橋梁方案下穿高鐵，本文通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)比分析確定較優(yōu)方案。

2 有限元計(jì)算模型

本文有限元計(jì)算通過(guò)商業(yè)有限元軟件Plaxis 3D實(shí)現(xiàn)，該軟件已成功的應(yīng)用于許多巖土工程中[2,3]，軟件采用的土體硬化模型由Schanz和Vermeer[4]于20世紀(jì)90年代提出，是一個(gè)硬化塑性本構(gòu)模型，其應(yīng)力應(yīng)變曲線符合Duncan-Chang雙曲線關(guān)系，遵循Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 簡(jiǎn)支梁橋方案

采用三跨20 m+30 m+20 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁，橋墩采用樁柱式，樁基為單排φ1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(面積等效為邊長(zhǎng)1.06 m的正方形樁)。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立有限元模型，采用10節(jié)點(diǎn)六面體等參單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，整體網(wǎng)格模型如圖3所示(僅考慮了距高鐵橋梁30 m內(nèi)的道路橋梁施工對(duì)高鐵的影響)。土體采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為土體硬化模型(Hardening Soil Model)；橋墩和承臺(tái)也用實(shí)體單元模擬，為線彈性本構(gòu)模型；高鐵樁基用嵌入樁單元模擬。將高鐵橋梁上部荷載換算成均布荷載后，作用在橋墩的墩頂。模型四周側(cè)面及底部均施加法向約束，模型頂面自由無(wú)約束，采用笛卡爾坐標(biāo)系，高鐵縱向?yàn)閅軸(指向大里程為正)，鉛直向上為Z軸正方向，X軸按右手定則確定。

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，巖土材料選取的有限元計(jì)算參數(shù)如表1所示，混凝土材料的彈性模量取31.5 GPa，泊松比為0.2，重度為25.0 kN/m3。

表1 巖土材料有限元計(jì)算參數(shù)

2.1.2 樁板梁橋方案

采用六跨(2×10+2×12+2×10)m樁板連續(xù)梁，橋墩采用樁柱式，樁基采用φ1.0 m 鉆孔灌注樁(面積等效為邊長(zhǎng)0.89 m的正方形樁)。有限元模型參數(shù)設(shè)定與簡(jiǎn)支梁橋相同，整體網(wǎng)格模型如圖4所示。

2.2 計(jì)算方案

依據(jù)道路修建的施工工序，模擬計(jì)算的主要工況包括：鉆孔灌注樁鉆孔、鉆孔灌注樁澆筑、灌注樁全部施工完成、施加梁體及運(yùn)營(yíng)荷載。鉆孔灌注樁鉆孔模擬通過(guò)單元“生死”實(shí)現(xiàn)，把需要開挖的單元“殺死”，即把相應(yīng)單元的剛度矩陣設(shè)置為一很小數(shù)值，并在孔周施加與泥漿護(hù)壁壓力相當(dāng)?shù)姆植己奢d來(lái)維持孔壁穩(wěn)定。鉆孔灌注樁澆筑過(guò)程把“殺死”的樁體單元激活并賦予新的材料。模擬鉆孔灌注樁施工時(shí)，僅考慮了對(duì)高鐵橋墩橫向位移最不利的工況，即先把高鐵橋梁一側(cè)鉆孔灌注樁全部鉆孔完成，然后進(jìn)行同時(shí)澆筑。梁體荷載根據(jù)實(shí)際梁體幾何尺寸計(jì)算得到，運(yùn)營(yíng)荷載考慮為均勻分布在橋面的靜荷載，大小為15 kPa。

3 結(jié)果與分析

以高鐵橋墩墩頂位移和樁基變形為研究對(duì)象，比較兩種公路橋梁方案對(duì)高鐵橋墩樁基的擾動(dòng)程度，并進(jìn)行結(jié)果分析和影響評(píng)估。簡(jiǎn)支梁橋方案的計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示(圖例中：ZK表示鉆孔灌注樁鉆孔、JZ表示鉆孔灌注澆筑、GZ表示灌注樁全部施工完成、LT表示施加梁體及運(yùn)營(yíng)荷載)，這里只給出了中間墩(168號(hào)墩)和距離道路橋梁較近的邊墩(169號(hào)墩)的變形情況。從圖6中可知，道路修建過(guò)程中高鐵樁基的最大橫橋向變形為0.38 mm(168號(hào)墩)，最大順橋向變形為0.41 mm(169號(hào)墩)。對(duì)于168號(hào)墩，道路橋梁施工過(guò)程中，對(duì)其橫橋向變形影響較大，造成影響最大的工況為一側(cè)鉆孔灌注樁鉆孔，后續(xù)工況會(huì)逐漸使這部分變形減小。因此，控制168號(hào)墩變形可從控制鉆孔灌注樁施工順序著手，盡量采取高鐵橋梁兩側(cè)對(duì)稱鉆孔的施工方法。而對(duì)于邊墩(169號(hào)墩)，道路橋梁施工工程中，其橫橋向變形變化不大，順橋向變形逐漸增大，但計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮高鐵橋梁梁體順橋向的支撐作用，計(jì)算結(jié)果偏保守。

樁板梁橋方案道路橋梁施工過(guò)程中，高鐵樁基的變形規(guī)律與簡(jiǎn)支梁方案基本類似，但道路修建過(guò)程中高鐵樁基的最大橫橋向變形為0.37 mm(169號(hào)墩)，最大順橋向變形為0.64 mm(169號(hào)墩)。樁板梁橋方案樁基的橫橋向變形與簡(jiǎn)支梁橋方案相近，但順橋向變形為簡(jiǎn)支梁橋方案的1.56倍；兩方案高鐵橋墩墩頂?shù)淖畲笞冃螌?duì)比如圖7所示，可知，樁板梁橋方案高鐵橋墩墩頂變形均大于簡(jiǎn)支梁橋；而且簡(jiǎn)支梁橋可進(jìn)行預(yù)制架設(shè)，而樁板梁橋需現(xiàn)場(chǎng)澆制，且高鐵橋下有鉆樁作業(yè)。因此，本工程采用簡(jiǎn)支梁橋方案更有利于保障高鐵橋梁安全。

4 結(jié)語(yǔ)

以寶善寺路下穿京滬高鐵工程為背景，應(yīng)用有限元法對(duì)比分析了簡(jiǎn)支梁橋方案和樁板梁橋方案對(duì)高鐵橋梁的影響，結(jié)果表明：三維有限元全過(guò)程動(dòng)態(tài)分析是評(píng)估新建道路下穿高鐵工程對(duì)高鐵橋梁影響大小的有效途徑；簡(jiǎn)支梁橋方案和樁板梁橋方案中，高鐵橋墩樁基和墩頂?shù)淖冃?，均滿足TB 10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)中的規(guī)定[1]，但簡(jiǎn)支梁橋方案高鐵橋墩變形相對(duì)較小，且不需在高鐵橋下進(jìn)行鉆孔作業(yè)，更利于保障高鐵橋梁安全。

[1] TB 10621—2009/J 971—2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[2] 劉宗振，王 巖.基于Plaxis 3D的板樁墻基坑支護(hù)數(shù)值模擬[J].當(dāng)代化工，2014(8)：1580-1583.

[3] 徐雪松，王婷婷.基于Plaxis 3D空間的鋼圓筒圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制[J].水運(yùn)工程，2014(10)：161-164.

[4] Schanz T,Vermeer A,Bonnier P G.The hardening soil model: formulation and verification[C].Taylor & Francis，1999：1，281.

Impact of new highway bridge road engineering upon express railway bridge

Li Mingbo

(NanjingScienceandTechnologyCreationInvestmentCo.,Ltd,Nanjing210026,China)

The paper carries out simulation computation for Baoshan temple road under-crossing Jing-Hu express railway engineering by applying finite element software Plaxis 3D. Taking express railway pier top and pile foundation deformation as research targets, it compares the impact of different road design schemes upon express railway bridge, and obtains optimal scheme through computation, which will provide some guidance for similar engineering.

new road, express railway, pier pile foundation, finite element method

2014-12-24

李明波(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0190-02

U442.5

A