沖擊鉆孔施工對樁基損傷的臨近橋梁受力影響研究

謝春明 李明國 黃華江 任 艷

(1.公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 廣州 510420；2.廣東華路交通科技有限公司 廣州 510420; 3.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院 廣州 510800)

大量超載車輛的通行對現(xiàn)有橋梁造成了嚴(yán)重破壞，樁基頂部或墩柱底部發(fā)生混凝土病害，形成了嚴(yán)重安全隱患，需要拆除后在原址上建設(shè)新橋。鉆孔灌注樁基施工一般采用沖擊鉆成孔工藝，因新橋樁基距離舊橋較近，沖擊鉆振動擾動較大[1]，因此需要分析沖擊鉆孔施工對框架橋結(jié)構(gòu)的安全影響。

徐靜文、陳穎等[2-5]開展了橋梁下部結(jié)構(gòu)受撞擊損傷對整體結(jié)構(gòu)安全影響的分析研究，但研究對象更多為船橋碰撞問題。目前工程領(lǐng)域關(guān)于新建橋梁沖擊鉆孔施工對臨近舊橋樁基既有損傷的影響研究還較少。為了解沖擊鉆孔施工對框架橋的安全影響，采用有限元軟件建立部分框架橋模型，對沖擊鉆孔施工影響下臨近框架橋的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 工程概況

某高速公路互通立交主線橋?yàn)?5.02 m+15 m+30 m+2×15 m+9.67 m+42×15 m+15.02 m，第15～44跨為30×15 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架橋，分左、右幅設(shè)置，單幅長450 m、寬度15.75 m、高12.5 m，結(jié)構(gòu)形式包括空心板、墩柱、橫梁、剪力墻、層板、擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，框架橋結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 框架橋結(jié)構(gòu)(單位：mm)

框架橋經(jīng)幾次加固后仍存在多處破損、露筋和開裂等病害狀況，其現(xiàn)狀見圖2，樁基頂部與承臺連接處和墩柱底部與擴(kuò)大基礎(chǔ)連接處混凝土存在嚴(yán)重病害，病害最嚴(yán)重連接處混凝土僅有1/4保留，被判定為險(xiǎn)橋，需要在橋兩側(cè)修建新橋后再進(jìn)行拆除。新橋位置與舊橋平面位置關(guān)系見圖3。

圖2 框架橋現(xiàn)狀

圖3 新、舊橋平面位置關(guān)系

由于工期緊張，新橋樁基施工方案擬采用沖擊鉆孔施工工藝(沖擊鉆采用沖錘質(zhì)量為5 t，沖擊時(shí)間為5 ms)，新橋樁基距離舊橋較近，最近凈距約1.4 m，位于框架橋左側(cè)。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

為了能準(zhǔn)確地反映橋梁樁基工程施工加載對舊橋結(jié)構(gòu)的影響[6-7]，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立有限元模型并進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，取左幅橋距離沖擊鉆孔施工最近的兩跨，采用鋼筋混凝土分離式共節(jié)點(diǎn)模型建立部分框架橋模型[8]，再施加對稱約束進(jìn)行計(jì)算。橫向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(shí)際結(jié)構(gòu)完全相同，框架橋三維數(shù)值模型見圖4。

圖4 框架橋三維數(shù)值模型

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，具體參數(shù)取值見表1。

表1 混凝土材料模型參數(shù)

在計(jì)算模型范圍內(nèi)分布的地層主要有素填土層、粉質(zhì)黏土層，選擇147號各向同性損傷材料模擬。模型中土層參數(shù)見表2。

表2 模型中土層參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

沖擊鉆孔前無法預(yù)計(jì)成孔所需要的總沖擊次數(shù)，而且很難計(jì)算多次累加沖擊效應(yīng)的影響，因此模擬沖擊鉆首次沖擊，對比分析沖擊鉆孔施工對框架橋樁基完好和樁基受損2種工況的安全影響。

1) 樁基完好工況。樁基頂部和墩柱底部混凝土完好，框架橋樁基完好工況見圖5a)。

2) 樁基受損工況。在計(jì)算模型中，設(shè)定樁基頂部混凝土單元及墩柱底部與擴(kuò)大基礎(chǔ)連接處75%的混凝土單元不參與計(jì)算，模擬樁基受損工況，框架橋樁基受損工況見圖5b)。

圖5 樁基計(jì)算工況

沖擊鉆采用沖錘質(zhì)量為5 t，沖擊時(shí)間為5 ms，沖錘起升的高度不超過1.5 m，沖程為自由落體1.5 m。經(jīng)計(jì)算得到?jīng)_擊荷載為3.069 MPa。沖擊鉆首次沖擊荷載施加示意見圖6。

圖6 沖擊鉆首次沖擊荷載施加

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 框架橋土體與墩柱豎向位移分析

框架橋土體與墩柱分析點(diǎn)位見圖7，此處框架橋距離沖擊鉆孔凈距最小。

圖7 框架橋土體與墩柱分析點(diǎn)位

框架橋樁基周圍2種工況下土體和墩柱豎向位移時(shí)程曲線見圖8。

圖8 2種工況下框架橋樁基周圍土體、墩柱豎向位移時(shí)程曲線

由圖8a)可知，沖擊加載會引起周圍土體的沉降，由于沖擊加載在地面，受沖擊效應(yīng)的影響，墩柱底部完好時(shí)土體瞬時(shí)位移最大為8.11 mm，趨勢穩(wěn)定后為2.1 mm。墩柱底部受損時(shí)土體位移相比較大，瞬時(shí)位移最大為8.51 mm，趨勢穩(wěn)定后為3.5 mm。

由8b)可知，沖擊振動傳遞到舊橋墩柱，墩柱底部完好時(shí)墩柱最大豎向位移為1.75 mm左右，墩柱底部受損時(shí)由于承載能力不足，墩柱位移相對較大，為2.33 mm。

3.2 墩柱及樁基混凝土、鋼筋單元應(yīng)力分析

框架橋墩柱底部與擴(kuò)大基礎(chǔ)連接處的混凝土、樁基頂部與承臺連接處的混凝土僅有1/4保留，因此需要對比分析2種工況下墩柱和樁基受力狀況，選取框架橋距離沖擊鉆孔凈距最小的墩柱底部混凝土及樁基頂部混凝土單元進(jìn)行分析。

框架橋2種工況下墩柱與擴(kuò)大基礎(chǔ)連接處混凝土單元和鋼筋單元應(yīng)力時(shí)程曲線見圖9。由圖9a)可知，墩柱底部完好時(shí)，沖擊振動傳遞導(dǎo)致墩柱與擴(kuò)大基礎(chǔ)連接處的混凝土最大拉應(yīng)力為1 MPa，此時(shí)未達(dá)到屈服極限。此后混凝土受力呈拉壓反復(fù)變化狀態(tài)，并隨著沖擊振動傳遞的衰減，混凝土受力逐漸減小。墩柱底部受損時(shí)，混凝土最大拉應(yīng)力為4.62 MPa，超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生受拉損壞。由圖9b)可知，墩柱底部混凝土完好時(shí)，鋼筋單元最大拉應(yīng)力為0.025 GPa。墩柱底部混凝土受損時(shí)，鋼筋單元最大拉應(yīng)力為0.33 GPa，遠(yuǎn)大于墩柱底部完好狀態(tài)，此后鋼筋單元軸向受力呈拉壓反復(fù)變化狀態(tài)。

圖9 2種工況下墩柱與擴(kuò)大基礎(chǔ)連接處混凝土、鋼筋單元應(yīng)力時(shí)程曲線

2種工況下框架橋樁基頂部混凝土單元和鋼筋單元的應(yīng)力時(shí)程曲線見圖10。

圖10 2種工況下樁基頂部混凝土、鋼筋單元應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖10a)可知，此處舊橋樁基距離沖擊鉆孔施工位置約17 m，由于土體對振動的衰減作用，混凝土受到的影響相比擴(kuò)大基礎(chǔ)處較小。樁基頂部完好工況下，混凝土單元受力呈拉壓反復(fù)變化狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為0.09 MPa。樁基頂部受損工況下，混凝土最大壓應(yīng)力為0.48 MPa，均未達(dá)到極限強(qiáng)度值。

由圖10b)可知，樁基頂部完好工況下，鋼筋單元最大拉應(yīng)力為7.09 MPa。樁基頂部受損工況下，鋼筋單元最大壓應(yīng)力為20.2 MPa，最大拉應(yīng)力為13.9 MPa。

3.3 框架橋橫向水平位移分析

對既有結(jié)構(gòu)來說，水平位移是引起結(jié)構(gòu)開裂的重要原因，因此需要考慮沖擊鉆施工影響下框架橋結(jié)構(gòu)水平位移。模擬中取橋面外側(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。分析點(diǎn)位見圖11?？蚣軜驑痘旰煤蜆痘軗p2種工況橋面外側(cè)橫向水平位移時(shí)程曲線見圖12。

圖11 橋面外側(cè)分析點(diǎn)位

圖12 樁基完好和樁基受損工況橋面外側(cè)橫向水平位移時(shí)程曲線

由圖12可知，2種工況下受沖擊振動傳遞和墩柱沉降的影響，沖擊施工瞬間，橋面橫向水平位移為外側(cè)方向，然后迅速向內(nèi)側(cè)回復(fù)。樁基完好工況下，位移值為外側(cè)方向最大約1.1 mm，位移值為內(nèi)側(cè)方向最大約3.18 mm。樁基受損工況下，位移值為外側(cè)方向最大約1.54 mm，水平位移值為內(nèi)側(cè)方向最大約1.87 mm。

3.4 施工建議

綜合圖8～11可知，考慮到?jīng)_擊鉆孔過程中需要多次沖擊，2種工況下的框架橋墩柱豎向位移、樁基受損工況下的墩柱底部混凝土受力和橋面外側(cè)橫向水平位移較大。經(jīng)模擬計(jì)算，沖擊鉆成孔工藝會對框架橋結(jié)構(gòu)造成較大的安全影響。考慮到回旋鉆孔施工具有振動小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，因此建議改用回旋鉆成孔工藝施工。實(shí)際施工中已改用回旋鉆作業(yè)，同時(shí)監(jiān)測得框架橋沉降位移值小于3 mm，不會影響舊橋結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語

為了解沖擊鉆孔施工對框架橋結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)分離式鋼筋混凝土模型，對比分析樁基完好和樁基受損2種工況對臨近框架橋結(jié)構(gòu)安全的影響，得出如下主要結(jié)論。

1) 針對凈距1.4 m處沖擊鉆孔施工對臨近框架橋的影響，分析表明，樁基受損工況相對于樁基完好工況，土體和舊橋墩柱沉降值都相對較大，樁基完好工況下土體瞬時(shí)最大豎向位移8.11 mm，墩柱最大豎向位移為1.75 mm左右。樁基受損工況下土體瞬時(shí)最大豎向位移8.51 mm，墩柱最大豎向位移約為2.33 mm。

2) 由于沖擊位置距離框架橋擴(kuò)大基礎(chǔ)處較近，因此此處混凝土和鋼筋受荷遠(yuǎn)高于樁基礎(chǔ)處，并且樁基受損工況較樁基完好工況墩柱底部混凝土和鋼筋承載大。墩柱受損時(shí)，墩柱底部墩柱混凝土最大拉應(yīng)力為4.62 MPa，鋼筋單元最大拉應(yīng)力為330 MPa，墩柱完好時(shí)，分別為1 MPa和25 MPa；沖擊瞬間橋面外側(cè)橫向水平位移在樁基完好工況下為1.1 mm，樁基受損工況下為1.54 mm。

新橋沖擊鉆施工距離舊橋過近，考慮到?jīng)_擊鉆孔過程中需要多次沖擊，會引起框架橋沉降值、墩柱底部混凝土受力及橋面橫向水平位移較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，JTG 3363-2019 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對于沖擊鉆孔施工，在樁端處的中距不應(yīng)小于樁徑的3倍。實(shí)際施工過程中已改用回旋鉆成孔工藝，同時(shí)監(jiān)測得舊橋沉降位移值小于3 mm，滿足舊橋結(jié)構(gòu)安全要求。