新建建筑條形基礎(chǔ)對既有高速鐵路高架站橋梁的影響

段　鈜

(中鐵第四勘察設(shè)計院，湖北武漢 443000)

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新建建筑條形基礎(chǔ)對既有高速鐵路高架站橋梁的影響

段鈜

(中鐵第四勘察設(shè)計院，湖北武漢 443000)

【摘要】由于高速鐵路設(shè)計時速快，對線路的平順性有著極其嚴(yán)格的要求。在既有高速鐵路橋梁附近修筑建筑結(jié)構(gòu)物會不可避免地引起區(qū)域內(nèi)的土體沉降，繼而引起鐵路橋墩變形，影響鐵路行車安全。文章以一處位于鐵路下方采用條形基礎(chǔ)布置的新增庫房結(jié)構(gòu)為主要分析對象，通過ABAQUS軟件建立有限元數(shù)值實體分析模型。研究了該結(jié)構(gòu)施工及使用過程中引起既有鐵路橋梁基礎(chǔ)的受力、變形變化情況，為該類涉鐵工程的設(shè)計和施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】既有高鐵橋梁；數(shù)值模擬；ABAQUS；影響評估

高速鐵路多采用高架形式布置，其橋下空間為綜合保養(yǎng)點的擴(kuò)建工程提供了場地條件。但眾所周知，高速鐵路由于車輛設(shè)計速度快，對軌道的平順性要求較高，需要嚴(yán)格控制其建成后的不均勻沉降。在高速鐵路橋梁下方修建建筑，其附加荷載必然會引起局部土體下沉，繼而引起臨近的既有鐵路橋墩、基礎(chǔ)產(chǎn)生變形，影響既有鐵路的行車安全。因此，有必要分析新建建筑的施工及運營過程對既有鐵路的影響程度。

本文結(jié)合國內(nèi)綜合保養(yǎng)點改造擴(kuò)建工程，通過有限元仿真技術(shù)，分析了新建的條形基礎(chǔ)庫房結(jié)構(gòu)對既有鐵路橋梁所產(chǎn)生的影響。

1工程概況

本次綜合保養(yǎng)點改造工程位于某高速鐵路樞紐范圍內(nèi)，新增工程總建筑面積共724m2，其中對既有橋梁影響較大的主要為新增庫房建筑。本區(qū)域共有3座橋梁，分別隸屬于京滬高鐵、滬漢蓉鐵路、寧安城際鐵路。庫房結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)下穿上述3條鐵路高架橋梁，均為簡支梁形式，上覆軌道形式均為無砟軌道，其平面布置見圖1。

圖1　庫房結(jié)構(gòu)與既有鐵路橋梁的平面關(guān)系

如圖1所示，庫房建筑采用地上一層結(jié)構(gòu)設(shè)計，無地下室，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為柱下條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)平面布置圖如圖2所示，房屋高度4.200m。條形基礎(chǔ)邊緣與既有鐵路橋墩中心邊緣最小距離為7.49m。

該區(qū)域地質(zhì)條件較好，庫房下臥持力土層為硬塑粉質(zhì)黏土，基本承載力σ0=180kPa；橋梁樁底土層為弱風(fēng)化砂巖，基本承載力σ0=600kPa。

2影響因素分析

由圖3可知，建筑基礎(chǔ)底面設(shè)計標(biāo)高位于現(xiàn)狀地面以下1.3m處位置，需要開挖施工，考慮到基底墊層等因素，其開挖最大深度可達(dá)1.5m，需要考慮基坑開挖對既有鐵路橋梁產(chǎn)生的影響；其次，建筑建成后其自身荷載通過建筑基礎(chǔ)傳遞到下臥土層，使土體產(chǎn)生變形，繼而引起鐵路橋梁樁基礎(chǔ)的變形；第三，在使用階段，庫房內(nèi)部的各種使用荷載均會對土體產(chǎn)生一定程度的擠壓。

圖2　庫房結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)平面布置

圖3　庫房結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)與既有鐵路橋梁的立面關(guān)系

3變形控制標(biāo)準(zhǔn)

新建站房改造工程對高鐵橋梁的影響主要集中在對墩身、基礎(chǔ)的強(qiáng)度和變形的影響，其影響值不能超過《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[2](以下簡稱高規(guī))和現(xiàn)行鐵路橋涵相關(guān)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。因高速鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高，行車速度快，對線路穩(wěn)定性及平順性要求高，對結(jié)構(gòu)剛度及變形控制嚴(yán)格。關(guān)于墩身、基礎(chǔ)變形的評判技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)限值主要有以下兩項。

(1)墩臺變形。墩臺剛度是影響車橋耦合振動體系的關(guān)鍵因素之一，而橋梁下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度對車橋耦合振動體系的影響較為明顯，尤其是對橫向動位移的影響更大。因此《高規(guī)》中規(guī)定墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于1.0 ‰弧度，第7.3.3條規(guī)定，無砟軌道橋梁相鄰端兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移不應(yīng)大于1mm。

基礎(chǔ)沉降。橋梁墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值主要是為滿足高速列車運營安全和舒適要求。高鐵規(guī)范對高速鐵路橋梁墩臺基礎(chǔ)的沉降提出了嚴(yán)格的要求。根據(jù)7.3.10 條，墩臺基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計算，其工后沉降量不應(yīng)超過表1的限值。

表1　靜定結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值　mm

新建庫房工程影響范圍內(nèi)只有高鐵幾個橋墩，從大范圍來講，其沉降為不均勻沉降。橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降滿足表1的沉降限值后，可以不通過扣件或支座高度調(diào)整予以消除或減弱即可滿足軌道平順性要求。但由于新建庫房工程為高鐵施工完成后的后建工程，上限值原本不包含后建工程的影響值，所以只能在原設(shè)計富余量中考慮實際影響。

綜合以上兩點，從高鐵結(jié)構(gòu)物變形控制嚴(yán)格的角度和后期維修養(yǎng)護(hù)的角度考慮，以本工程施工、運營對高鐵橋梁的墩頂橫向、縱向位移以及基礎(chǔ)沉降的影響值不超過1mm為評判標(biāo)準(zhǔn)[3]，從而將本工程實施對高鐵的不利影響控制在最低程度。

4計算分析

根據(jù)上述影響因素和變形控制標(biāo)準(zhǔn)，建立了有限元模型進(jìn)行計算分析。受限于現(xiàn)有的計算機(jī)計算能力，建立整個受條形基礎(chǔ)影響區(qū)域內(nèi)的土體及橋墩基礎(chǔ)有限元模型是不現(xiàn)實的。考慮到各個橋墩在附近條形基礎(chǔ)作用下的受力和變形機(jī)制相同，選取最不利位置建立單個橋墩的模型即可滿足要求。經(jīng)過分析比較，特選取了距離條形基礎(chǔ)較近且墩頂線剛度最小的橋墩為主要分析對象。

4.1計算模型

采用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值分析實體模型，在該模型中模擬了上述橋墩基礎(chǔ)及其附近的條形基礎(chǔ)開挖、施工、承載、等工況，模型布置圖如圖4所示，模型土體尺度為60m×60m×50m。

圖4　數(shù)值模型示意圖

該模型共有130 078個節(jié)點，121 630個單元。模型中包括了土體、橋墩基礎(chǔ)、庫房條基3個部分，全部由六面體單元C3D8R組成。土體與基礎(chǔ)之間采用面對面接觸形式連接以模擬樁土作用。建筑基礎(chǔ)開挖則采用modelchange技術(shù)實現(xiàn)，條形基礎(chǔ)的激活則采用了追蹤單元法模擬。

4.2計算工況

分析步驟如下：工況0地應(yīng)力平衡。工況1開挖建筑基坑，根據(jù)建筑設(shè)計單位所提供的資料，基坑采用1∶1坡度放坡開挖，開挖深度為1.5m。工況2條形基礎(chǔ)建成。在該工況中，將建筑條形基礎(chǔ)在模型中激活，使其在重力作用下對土體產(chǎn)生作用。工況3模擬基礎(chǔ)回填。將之前殺死的土體單元再次激活，使其對周圍土體產(chǎn)生作用，模擬基礎(chǔ)土體回填。工況4施加建筑荷載。在該步驟中模擬整個建筑建成，將建筑產(chǎn)生的最大荷載施加到條形基礎(chǔ)相應(yīng)位置。工況5模擬建筑使用階段，在建筑范圍的土面上施加活載，用于計算建筑考慮共計20t的貨物平均堆放于庫房地面上，即在庫房區(qū)域內(nèi)的土面上施加900Pa的均布壓力。

4.3既有橋梁基礎(chǔ)受力分析

通過模型計算，提取了受影響橋墩在新增庫房房各工況作用下的4個角樁的側(cè)摩阻力、樁身軸力、彎矩，圖5所示為1號角樁各階段樁側(cè)摩阻力和樁身內(nèi)力豎向分布情況。

圖5　受影響橋墩1#角樁各工況下樁側(cè)摩阻力、樁身內(nèi)力分布情況

由計算結(jié)果可知，庫房施工各階段均對樁側(cè)摩阻力造成了一定的影響，且在埋深為0～15m的范圍內(nèi)側(cè)摩阻力變化值相對較為明顯，但總體來看側(cè)摩阻力變化程度不大；樁身軸力在各工況作用下其分布曲線幾乎重合，未見明顯增減。樁身順橋向彎矩及順橋向建立在各工況作用下均出現(xiàn)了不同程度的變化，且規(guī)律較不明顯；提取了在各工況下的樁身正應(yīng)力情況發(fā)現(xiàn)，最大樁身主應(yīng)力增量為0.24MPa，由于該基礎(chǔ)的樁身應(yīng)力具有較大的設(shè)計富余量，故可認(rèn)為基礎(chǔ)受力仍在安全范圍內(nèi)。

4.4既有橋梁基礎(chǔ)變形分析

圖6為建筑建成后既有鐵路橋梁基礎(chǔ)變形形態(tài)圖。可以發(fā)現(xiàn)，庫房結(jié)構(gòu)施工前，鐵路橋梁基礎(chǔ)在自身最不利荷載作用下發(fā)生順橋向的偏轉(zhuǎn)，部分樁身已產(chǎn)生一定程度的彎曲。庫房基礎(chǔ)基坑開挖后，該區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力得到釋放，土體向基坑方向發(fā)生位移，進(jìn)而擠推鐵路橋梁樁基上部，使其發(fā)生了向著庫房基坑方向的位移；而在基坑回填和建筑持荷后，區(qū)域內(nèi)土體收到回填土以及建筑荷載的影響產(chǎn)生背向基坑方向的位移，鐵路橋梁樁基上部也繼而隨之產(chǎn)生了該方向的變形。

圖6　庫房建成前后樁基變形形態(tài)(放大系數(shù)1 000)

計算所得的各工況作用下的墩頂中心位移數(shù)值和沉降數(shù)值如表2所示，均滿足1mm的控制變形限值要求。

表2　橋墩墩頂中心位移和豎向沉降值　mm

5結(jié)論

通過對某既有高鐵橋梁下方新建庫房結(jié)構(gòu)附近的橋梁樁基進(jìn)行數(shù)值模擬，研究并分析了橋梁基礎(chǔ)受力變化、橋梁基礎(chǔ)變形變化等情況，可以得出以下結(jié)論。

(1)新增庫房施工過程中，既有鐵路橋梁樁基側(cè)摩阻力、樁身軸力未出現(xiàn)顯著變化，樁身應(yīng)力仍然滿足設(shè)計要求，樁基承載力未受到建筑施工影響。

(2)在地質(zhì)條件較好的情況下，該新增庫房采用條形基礎(chǔ)設(shè)計時，其施工過程中及建成之后，引起的既有鐵路橋梁位移增量主要以順橋向位移為主，約為0.872mm，未超過1mm的控制變形限值要求。

(3)通過對比各個工況下的墩頂中心位移值大小發(fā)現(xiàn)，既有鐵路橋梁在庫房基坑開挖階段產(chǎn)生的順橋向位移值最大，但在條形基礎(chǔ)完工并回填后，墩頂位移又恢復(fù)到相對較低的水平。因此建議在進(jìn)行類似工程施工時，應(yīng)盡可能的采用支護(hù)開挖的形式，并合理加快施工速度，盡快完工并回填。

(4)由于有限元計算的局限性，模型中對實際情況進(jìn)行了一定程度的假設(shè)和簡化，因此對于涉及到既有高速鐵路橋梁的新建工程，除了采用理論計算的方式進(jìn)行定量分析外，還應(yīng)在施工期間加強(qiáng)監(jiān)測，密切關(guān)注鐵路橋梁及周邊土體的變形情況，做到勤測勤調(diào)，同時制定施工緊急預(yù)案，確保工程施工中和施工后高速鐵路運營安全。

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【中圖分類號】U445.7

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-05-09