多條盾構隧道穿越既有橋基的三維有限元分析

王 琦,杜一鳴

(天津大學建筑工程學院,濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學),天津300072)

多條盾構隧道穿越既有橋基的三維有限元分析

王 琦*,杜一鳴

(天津大學建筑工程學院,濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學),天津300072)

城市建設和地下軌道交通的飛速發展給地鐵施工帶來了全新的挑戰,施工環境的日益復雜多變使得城市地鐵施工難度不斷加大.結合天津某地鐵線路工程實例,利用三維有限元軟件PLAXIS 3D 2012分析了四線同時穿越既有橋基時,盾構穿越對橋基變形受力性狀的影響及對周邊環境土體變形的影響.計算結果顯示:隧道掘進可引起樁基礎產生上部沉降、下部隆起的變形,以及較小的水平位移;四線盾構掘進后,土體產生的累積沉降形狀為“U”型;四線穿越后的橋基群樁的樁側總摩阻力基本不變;計算得到的相應控制指標均處在變形控制標準以內,工程安全可行.

盾構法掘進隧道;既有橋基;有限元分析;變形控制標準

隨著城市建設的發展和地鐵網絡建設的完善,城市地鐵建設的施工環境日益復雜多變.由于大多數城市的早期規劃中未考慮到地鐵線路的規劃,導致地鐵隧道在既有建(構)筑物的基礎下穿越施工的案例時有發生.穿越施工不僅給隧道施工帶來困難,同時也對既有建(構)筑物造成一定的影響[1-3].

楊永平等[4]通過平面數值分析研究了盾構隧道近距離下穿某建筑群樁基礎,結果表明隧道穿越使群樁基礎及地表產生了沉降,但沉降數值在現行規范容許范圍內.馬偉斌等[5]對暗挖法隧道下穿鐵路橋進行了三維數值分析并與監測數據進行了對比,結果表明隧道下穿使鐵路橋橋基和軌道結構產生了超過容許的沉降變形,實際施工時采用了經過改進的施工方法,保證了鐵路橋的安全.黃新民[6]通過平面數值分析研究了盾構隧道下穿人行天橋的樁基礎,結果表明須對該樁基礎周圍進行注漿加固,以保證人行天橋的安全.綜合國內外研究及案例可知,盾構掘進過程中穿越既有樁基礎橋梁時難度較大.采用數值模擬手段對盾構掘進進行模擬,計算掘進過程中對既有樁基產生的影響,評估樁基安全,并有針對性地提出控制標準及保護措施,在實際工程中發揮越來越重要的作用.本文結合天津市兩條地鐵線路同時穿越某橋梁的工程案例,采用考慮土體硬化特性的硬化土模型(hardening-soil model)的PLAXIS 3D 2012三維有限元軟件對工程進行了施工模擬,重點分析了橋梁樁基在盾構掘進過程中自身的受力和變形形態,進而對項目進行了前期安全評估.

1 工程概況

天津地鐵A線路某盾構區間,單線隧道總長(右線)1 151.47 m.出站后左右線為上下疊線(右線在上,左線在下),隨后右線逐漸降低并形成雙線平行形式,最終再次以上下疊線(左線在上,右線在下)形式進站.其中重疊段區間隧道長度約415 m;B線路某盾構區間,單線隧道總長(右線)1 909 m.B線路本區間,左右線平面完全重疊,其中左線在下,右線在上.兩條線路在本區間內掘進施工存在的自身風險主要為并行和交疊隧道.兩線路在以上兩區間內的某市政橋梁位置交匯并共同穿越該橋橋基,形成四線同時穿越該橋樁基的不利工況.此時,盾構隧道距離橋基邊緣最近處僅2 m,盾構穿越橋基平面圖及位置關系詳見圖1～2.盾構掘進將對橋基產生很大的影響,尤其是樁基的變位和受力變化將對橋梁的安全造成很大影響,施工難度較大.因此,合理的分析預測橋梁的變形及受力性狀成為工程安全評估的重點.

圖1 平面圖及樁編號示意圖Fig.1 Plan of piles and TBM line and the number of piles

圖2 橋基與盾構掘進線路位置關系(單位:m) Fig.2 Positional relationship withTBM line of a Bridge′s pile foundation(unit:m)

2 三維有限元分析模型的建立

2.1 有限元模型介紹

本文采用PLAXIS 3D 2012有限元軟件進行分析計算.為消除模型計算中的邊界效應,模型計算域尺寸X×Y×Z為180 m×90 m×100 m,其中Y為隧道掘進方向,X為水平面內與Y垂直方向,而Z則為土層厚度方向.隧道襯砌外徑為6.2 m,厚度350 mm;樁基直徑1.5 m,計算樁長為65 m,樁間距Y方向10 m, X方向間距見圖2,共20根樁.隧道上方最淺覆土約為5.3 m,樁至地鐵隧道之間的最小凈距(樁外皮到隧道外皮距離)為2 m.有限元模型示意圖如圖3所示,模型共包含45 824個單元,71 531個節點.

因盾構穿越過程歷時較短,在天津軟土地區短時間內可忽略土體自身固結的影響,故整體計算中采用不排水(A)[7]算法進行計算.模型采用水土分算、有效應力指標進行計算.地下水位與土體頂面平齊.

圖3 三維有限元模型圖Fig.3 Picture of the 3-D finite element model

模型邊界條件中除地面為自由面外,其余5個面均施加法向的約束,且均為不透水邊界.樁上的豎向荷載設計值依次為2 000,2 290,4 800,2 290和2 000 k N,作用于樁頂表面.

2.2 模型計算假定

為簡化計算,有限元模型采用如下基本假定:

1)各土層均為水平成層、等厚、均質且各向同性材料,襯砌和基礎的變形、受力均在彈性范圍內;

2)忽略地下水的滲透作用,不考慮土體的固結和蠕變作用;

3)假定隧道結構在計算域內沿直線水平延伸,且隧道軸線方向與樁承臺軸線方向平行;

4)將河流等效成靜水壓力施加在河床處.

2.3 模型參數介紹

本工程場地屬于華北平原東部濱海平原地貌,屬海相與陸相交互沉積地層.下覆土層主要以粉質黏土和粉土為主,兼有部分淤泥質土層和細粉砂.

為更好地考慮土體變形的非線性特征,充分考慮土體硬化階段的特性,模型計算采用硬化土模型進行計算.土體模型參數如表1所示.

表1中γ為土體的天然重度,c′為土體的有效黏聚力,φ′為土體的有效內摩擦角為三軸實驗參考圍壓下50%強度的割線模量,為固結儀實驗在參考圍壓下的切線模量,為卸載/重加載參考模量.以上土體的物理力學參數部分來自于地質勘察報告,部分參數則結合天津地區軟土室內三軸實驗和天津地區工程經驗取得.

計算模型中,橋面板、橋身梁和隧道襯砌均采用線彈性材料模擬.其中,橋面板采用板單元模擬,彈性模量取值30 GPa,泊松比0.2.隧道襯砌采用板單元模擬,但考慮到隧道實際工程中管片的拼接效應,依前人研究成果[8-9],考慮裝配式襯砌的螺栓連接剛度對整體結構的影響,對襯砌剛度進行折減.計算中將盾構隧道剛度有效率取為75%,其彈性模量由34.5 GPa折減為26.0 GPa.樁基礎采用Plaxis中樁單元模擬,彈性模量取值為30 GPa.橋身梁采用梁單元模擬,彈性模量取值為30 GPa,截面屬性由工程設計圖紙取得.模型中結構物與土體的接觸采用界面單元進行模擬,折減系數根據經驗取值為0.7.

表1 模型中土體的物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

0.7

2.4 施工模擬及計算步的設置

文獻[10]指出,對于上下重疊隧道采用先下后上的施工順序,后建隧道對地表沉降和已建隧道的二次擾動更小.借鑒相似工程經驗,并結合本工程施工特點、周圍環境及施工進度等要求,最終決定先施工B線路左線(下方隧道),再同時施工A線路雙線,最后施工B線路右線(上方隧道).

模型計算步驟為:1)進行初始地應力平衡;2)生成樁基礎、橋身結構單元及樁上加載;3)開挖隧道,開挖順序依次為B線路左線(下)、A線路雙線、B線路右線(上)隧道.即依圖2為左下→右側同時→左上的順序進行掘進.

計算過程中模擬盾構機掘進和管片拼裝,以充分考慮盾構掘進的施工過程.其施工模擬過程為:生成盾構機殼單元→開挖土體并施加掌子面壓力→向前推進盾構機并生成管片單元→繼續開挖土體并生成掌子面壓力→繼續推進盾構機并形成新的管片,后重復.在生成管片的過程中考慮盾構機殼脫出后的管片與土體之間的間隙,根據前人經驗,直徑收縮率取值為0.45%[7].因模型尺寸較大,考慮到模型計算量,不能做到按照管片尺寸真實模擬,故掘進長度定為6 m一環.但考慮到掘進到樁基附近時其對樁基影響顯著,此掘進長度取3 m一環,則每條隧道各20環管片,分20個施工步掘進完畢.模型共計設置計算步62個.

3 計算結果分析

3.1 地表位移分析

樁與隧道相對位置及樁體編號情況見圖1.為分析存在樁基條件下,盾構掘進對地表土體位移產生的影響,取盾構掘進方向第三排樁所在位置地表土體為監測線(監測線位置見圖1),繪制每階段施工完成后地表累計沉降曲線如圖4所示.

由圖4可知,B線路左線先開挖后,隧道上方地表土體產生沉降,最大沉降約為12.7 mm,隨著距離隧道水平距離增加沉降逐漸減小,沉降槽整體上呈“U”形.但值得注意的是,由于樁基的剛度遠大于土體,因此盾構掘進雖然引起的各樁樁頂產生一定的沉降,但最大沉降值僅為1.4 mm,出現在3-2和3-3樁頂,導致在土體與樁基交界位置處沉降產生突變.根據文獻[11]的研究結果,隧道近接穿越樁基礎,當樁底標高在隧道之下(摩擦樁)時,隧道的開挖相當于隧道下方的土體被卸荷,故隧道下方土體和樁基礎均有上浮趨勢,但在樁頂位置因盾構掘進形成的沉降槽效應仍產生沉降,只是較Green field條件沉降有所減小,這與本文計算結果呈現的規律基本吻合.

圖4 不同施工階段地表沉降槽Fig.4 Surface settlement trough of different stages

A線路雙線同時開挖,最大累計沉降產生在A線路右線上方地表,最大沉降值增加至33.3 mm,同時沉降槽寬度明顯增大,B線路右線上方地表沉降也有所增加,而3-1和3-2樁之間的土體由于距A線路盾構較遠,且受樁基阻隔作用影響較小,沉降變化不大.隨后開挖的B線路右線覆土較淺,開挖僅造成其上方土體地表產生一定的沉降,對相鄰位置的土體地表及各樁的影響均較小.最終地表最大沉降出現在A線路右線上方地表靠近3-3樁位置處,最大沉降為33.7 mm.

3.2 盾構掘進過程中樁基位移變化

3.2.1 樁基水平位移

四線隧道盾構掘進過程中,引起樁基產生的水平位移以X向水平位移為主.因此本文取隧道掘進方向第三排樁進行分析,各階段隧道穿越過程中樁身水平位移的累計變形情況見圖5.

盾構機殼脫出后,在開挖面與管片之間會產生間隙,若注漿不及時會引起土體產生向盾構隧道臨空面方向的位移,而管片從盾構機推出后在自身重力及周圍水土壓力作用下會產生豎向直徑壓縮水平直徑伸長的自身相對變形,因此會對隧道中心深度附近土體的位移產生一定的制約作用,進而導致隧道上方和下方的土體位移反而大于隧道中心深度處的土體.土體位移會影響樁基的變形,從圖中可以看出,當B線路左線掘進完成后,相鄰的3-2和3-3樁均產生向盾構隧道方向的變形,尤其是在樁基中部變形較大,并且樁身在隧道上方和下方深度處的變形大于隧道中心深度處,樁身變形呈“3”形,與上述土體的變形分析規律相同.由于樁基的阻隔作用,B線路左線穿越對其余3根樁的影響相對較小.

隨后A線路雙線掘進,3-3樁受另一側盾構掘進的影響產生反方向的位移,導致自身最大位移略有減小;3-4樁兩側盾構同時掘進,因此左右水平位移有抵消的效果,水平位移總量不高,但由于在B線路左線掘進中樁身已經產生了一定的變形,因此A線路雙線掘進完成后,樁身更多產生向右線方向的變形;3-5樁只受相鄰A線路左線掘進的影響,產生指向隧道臨空面方向的變形,并且樁身在隧道下方深度處的變形更大.B線路右線由于埋深較淺,樁身上部受到樁頂橋梁結構的約束較強,因此B線路右線施工過程對相鄰兩樁在隧道下方深度的樁體變形影響較大,其余三根樁在掘進過程中樁身變形相對較小,且變形趨勢基本保持不變.3-3樁和3-4樁屬于兩側均有隧道側穿;3-2樁和3-5樁屬于單側有隧道側穿;3-1樁兩側均無隧道側穿.圖6為各階段隧道施工中樁身X向最大水平位移比較的柱狀圖,通過比較可以看出,3-1樁兩側無隧道穿越,因此其水平位移相對較小;3-2右側緊鄰B線路2條隧道開挖,可以看出在B線路左右線2次掘進過程中樁身的水平位移變化最大;3-3樁左側有2條隧道開挖,右側有1條隧道開挖,樁身變形主要還是受左側B線路掘進影響較大,最大變形同樣出現在B線路2次掘進過程中;3-4樁兩側為A線路左右線,并且左右線同時掘進,因此樁身水平位移有抵消的效果,水平位移總量相對較小;而4條隧道均在3-5樁左側開挖,水平位移總量為樁整體向左移動,水平位移在A線路掘進過程中變化較大.通過數值比較,盾構穿越過程中對各樁均有影響,其中對3-2、3-3和3-5樁X向水平位移影響相對較大,各線穿越完成后最大X向水平位移超過3 mm.

圖5 各階段隧道施工引起的工程樁X向水平位移Fig.5 Additional X-direction horizontal movement in piles induced by tunneling

圖6 各階段隧道施工中樁身X向最大水平位移比較Fig.6 The comparison of the maximum X-direction horizontal movement in piles induced by tunneling

3.2.2 樁基豎向位移

四線隧道盾構掘進過程中同樣也會引起工程樁產生豎向位移,本文同樣取隧道掘進方向第三排樁進行分析,并將各階段隧道穿越過程中樁身豎向位移的累計變形繪制于圖7.

隧道掘進過程中,由于土體的卸荷作用,會引起隧道上方土體沉降,而隧道下方土體隆起,因此相鄰工程樁在土體變形影響下也會產生上部樁身沉降下部樁身隆起的豎向壓縮變形.從圖中可以看出,當B線路左線掘進完成后,對于相鄰的3-2和3-3樁基本表現為隧道深度以上樁身沉降、隧道深度以下樁身隆起的變形,而由于工程樁的阻隔作用,B線路左線穿越對其余3根樁的影響相對較小.

圖8 各階段隧道施工中樁身豎向最大位移比較Fig.8 The comparison of the maximum additional vertical movement in piles induced by tunneling

A線路雙線掘進同樣引起3-3、3-4和3-5樁產生相應的壓縮變形;值得注意的是,對于3-3樁受右側A線路右線掘進的卸荷作用影響,樁身下部的隆起值有所增加上部沉降值有所減小,并且隆起的范圍也向上擴展;而對于3-5樁,由于左側A線路左線埋深較大,導致樁身上部沉降范圍及沉降值均大于其他樁,且樁身下部隆起相對較小.

B線路右線掘進對于相鄰的3-2和3-3樁影響較大,樁身上部沉降范圍及沉降值均有所減小,3-3樁樁頂甚至已經不再沉降,而B線路右線掘進對于其余3根樁在掘進過程中樁身變形相對較小.

圖7 各階段隧道施工引起的工程樁豎向位移Fig.7 Additional vertical movement in piles induced by tunneling

圖8 為各階段隧道施工中樁身豎向最大位移比較的柱狀圖,通過比較可以看出,3-1樁兩側無隧道穿越,因此其豎向位移變化相對較小;3-2右側緊鄰B線路2條隧道開挖,B線路左線掘進后樁身豎向以沉降為主,而淺埋的B線路右線掘進后樁身則過渡為隆起為主;同樣3-3樁在B線路左線掘進后樁身豎向以沉降為主,而受A線路雙線及B線路右線影響過渡為隆起變形,并且隆起量超過3-2樁;3-4樁與3-2樁變形過程相似;對于3-5樁,由于樁左側的A線路左線埋深較大,導致樁身最大豎向位移一直表現為沉降,樁身以沉降變形為主.通過數值比較,盾構穿越過程中對3-2、3-3、3-4和3-5樁豎向位移均有影響,各線穿越完成后3-2、3-3和3-4樁以隆起變形為主,其中3-3樁最大隆起量為2.3 mm,而3-5樁則以沉降為主,最大沉降為2.4 mm.

3.3 盾構掘進過程中樁基內力變化

3.3.1 樁基彎矩分析

隧道施工影響導致的樁基內部彎矩的分布應與水平位移的分布相吻合[11-12],將盾構隧道全部施工完成后在樁基中產生的附加彎矩繪制于圖9.

對比圖5中全部隧道施工完成后樁基的水平位移曲線與圖9中樁基的附加彎矩曲線,在樁基水平位移極值的深度,樁基礎內部也產生較大的附加彎矩.尤其是對于3-3和3-4樁,由于樁兩側均有盾構隧道掘進,引起的樁身沿深度方向的水平位移變化更加劇烈,雖然3-4樁的水平位移總量相對較小,但是受樁身變形的影響,產生的附加彎矩卻是在5根樁中最大,最大附加彎矩出現在樁身約35 m深度處.在實際施工中需要引起注意,做好相應的保護措施,并加強對該樁的監測.

圖10為各階段隧道施工中樁身最大附加彎矩絕對值比較的柱狀圖,通過比較可以看出,3-1樁在隧道穿越過程中附加彎矩變化均相對較小;而3-2樁受右側盾構掘進的影響,其附加彎矩變化比3-1略大,但相比于其余3根樁很小;3-3、3-4和3-5樁受盾構掘進,尤其是A線路雙線掘進的影響較大,可以看出在雙線掘進后樁身附加彎矩均有明顯的增加,尤其是3-4樁,附加彎矩超過2 000 k N·m.可知,盾構掘進過程中會引起各樁樁身附加彎矩的增加,尤其是在A線路雙線掘進過程中,對于3-3、3-4和3-5樁的影響非常明顯.

圖10 各階段隧道施工中樁身最大附加彎矩絕對值比較Fig.10 Absolute values of additional bending moment in piles induced by tunneling

3.3.2 四線穿越后樁基側摩阻分析

由于盾構穿越的影響,樁周土體變形引起了樁側摩阻力的變化.第三排工程樁的樁側總摩阻力變化見表2.表2顯示,樁側總摩阻力的總體變化不大,均處在6%范圍以內,其中對于3-2、3-3和3-4樁影響相對較大,最大增量為5.24%.四線盾構推進后,群樁中部分樁基的總側摩阻力增大,樁基的承載力儲備得到了一定程度的發揮,但變化不大.

綜上所述,盾構掘進會對周圍土體及樁基產生影響,引起樁基產生變形及附加內力.在X向水平位移方面,盾構掘進對3-2、3-3和3-5樁X向水平位移影響相對較大,最大位移出現在3-3樁,最大值為3.8 mm;而豎向位移方面,各線穿越完成后3-2、3-3和3-4樁以隆起變形為主,最大隆起出現在3-3樁,最大隆起量為2.3 mm,而3-5樁則以沉降為主,最大沉降值2.4 mm;對于樁基附加彎矩,3-3、3-4和3-5樁變化較大,尤其是在A線路雙線掘進過程中增加非常明顯,各線全部施工完后最大附加彎矩出現在3-4樁,最大值為2 152 k N·m;而樁側總摩阻力對于3-2、3-3和3-4樁影響相對較大,其中3-2樁最大增加5.24%.

圖9 隧道施工引起的樁基礎附加彎矩Fig.9 Additional bending moment in piles induced by tunneling

針對上述分析,在盾構掘進中應對樁基進行變形及內力的監測,并且根據樁基變形及內力變化特點有針對性的進行重點關注,提出相應的控制指標和保護措施,保證盾構掘進過程中的樁基安全.

表2 樁側總摩阻力變化統計Tab.2 Incremental total pile shaft resistance of every pile

4 計算結果評價

依工程需要,需對施工后橋梁及周邊環境作出安全性評價,依現行相關規范對計算結果進行評估.評價結果見表3.表格中相應的控制指標均處在標準值范圍內,需指出的是,雖然在前文分析中所提及的土體地表沉降在盾構掘進后最大達到33.7 mm,但該位置位于河底,而河道以外地表最大沉降值為23 mm.因此可以認為計算得到的變形滿足相關規范控制標準要求,方案是安全可行的.

5 結論與展望

本文結合天津地鐵盾構工程實例,利用有限元分析軟件PLAXIS 3D 2012對工程施工進行了模擬分析,通過對比計算結果與變形控制標準,對工程進行了安全評估.主要得出如下結論:

1)根據隧道掘進階段對臨近既有橋梁樁基礎影響的分析可知,隧道掘進引起樁基礎產生上部沉降下部隆起的變形,而由于受到土體卸荷及盾構隧道的制約共同作用,導致樁基水平方向產生“3”形變形.

2)樁基水平方向變形會引起附加彎矩,但值得注意的是盾構施工完成后最大附加彎矩出現在3-4樁,而該樁的水平位移卻并非最大,最大附加彎矩與最大位移并不同時出現在同一根樁上.

3)四線穿越后群樁的樁側總摩阻力基本不變.群樁中部分樁側總摩阻力增大,樁基的承載力儲備得到一定程度的發揮,但變化不大,變化值在6%以內.

4)根據四線盾構工況和單線盾構工況對樁基礎累積影響的對比分析得出,其對土體產生的累積沉降形狀為“U”型.

5)將計算結果與由相應規范得到的變形控制標準對比分析后可知,計算值均滿足工程控制標準要求,結果表明工程安全可行.但在盾構掘進過程中仍應對樁基進行變形及內力的監測,并根據樁基變形及內力變化特點有針對性地進行重點關注,提出相應的控制指標和保護措施,保證盾構過程中的樁基安全.

由于本工程尚處在設計論證階段,無工程實測值與計算結果進行對比分析,但根據計算結果分析和工程經驗對比,可以認為本文的計算結果處在合理的范圍之內,可對工程安全評估起到一定的指導作用.但因有限元分析的假設和數值分析計算的局限性,對工程做出定量精確預測難以實現,故應根據計算結果和工程經驗,在相應變形敏感部位增加監測點的布置,在施工過程中做好監測,對超標變形等及時報警,以保證工程施工方案的順利實施.

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表3 計算結果評價Tab.3 Evaluation of the results mm

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3-D Finite Element Analyses of Shield Tunneling Passing Pile Foundation of Existing Bridges

WANG Qi*,DU Yi-ming
(School of Civil Engineering,Tianjin University,Key Laboratory of Coast Civil Structures and Safety (Tianjin University),Ministry of Education,Tianjin 300072,China)

:With new challenges brought by the rapid development of urban construction and subway construction,metro construction has become increasingly difficult due to the complex construction environment.Based on a case history of Tianjin Metro Line,the influence of a 4-line shield tunneling through the pile foundation of an existing bridge on the stress and the deformation of piles and the surrounding soil were studied using three-dimensional finite element models via PLAXIS 3D 2012.It has been shown that the shield tunneling can cause a settlement of pile head,an uplift of the pile bottom,and a small horizontal displacement of piles.A U-shape trough of soil surrounding the pile foundation has occurred after the 4-line shield tunneling.The total shaft resistance of each pile almost remains unchanged after the 4-line shield tunneling.The project is regarded to be safe since each calculated parameter meets the requirement of control standards.

shield tunneling;existing pile foundation;finite element analysis;deformation-controlled standard

TU 473

A

0438-0479(2015)03-0428-08

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.03.024

2014-09-09 錄用日期:2014-12-08

天津市建設系統科技計劃項目(2012GFW-0542)

*通信作者:wangqigeo@163.com

王琦,杜一鳴.多條盾構隧道穿越既有橋基的三維有限元分析[J].廈門大學學報:自然科學版,2015,54(3):428-435.

:Wang Qi,Du Yiming.3-D finite element analyses of shield tunneling passing pile foundation of existing bridges[J]. Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(3):428-435.(in Chinese)