基于Midas/GTS的新建橋梁對既有橋梁安全影響分析

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

基于Midas/GTS的新建橋梁對既有橋梁安全影響分析

付士航

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

新建橋梁與既有橋梁距離較近時，新建橋梁及其基礎(chǔ)必然會影響既有橋梁的安全。本文以某新建匝道橋與其臨近既有高架橋為例，通過Midas GTS建立了三維有限元數(shù)值模型，探討了新建匝道橋的樁基開挖與成橋階段對其臨近既有高架橋的影響。可為同類工程的設(shè)計與施工提供技術(shù)借鑒及理論參考。

新建匝道橋；既有高架橋；數(shù)值模型；影響

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也加快了步伐，在各級路網(wǎng)不斷加密的過程中，出現(xiàn)了大量的新建線路與既有線路交叉、并行的情況。在既有橋梁的附近新建橋梁，新建橋梁的施工與運營必然會對既有橋梁造成一定的影響[1,2]。郭震山等[3]以某一主跨310m的獨塔斜拉橋擴建工程為背景，研究新建橋梁受鄰近既有橋梁影響的規(guī)律，研究結(jié)果表明既有橋梁對新建橋梁在施工和成橋運營階段可能會產(chǎn)生十分顯著的影響。本文依托某靠近既有橋梁的新建橋梁施工項目，通過有限元分析軟件Midas GTS建立了三維數(shù)值模型，分析新建橋梁的樁基開挖與成橋階段對臨近既有橋梁造成的影響，為以后類似工程提供了一定的理論參考。

2 概況

新建的某匝道橋為一系列墩梁固結(jié)的箱梁橋，既有的某高架橋為等跨簡支小箱梁橋。兩橋在匝道橋的1#～5#橋墩附近進行拼接，匝道橋的2#樁基與高架橋1#樁基凈距最小為7.05m。匝道橋樁基的開挖使鄰近土體產(chǎn)生水平位移可能導(dǎo)致既有樁身產(chǎn)生附加彎矩、應(yīng)力和位移，故其樁基成孔施工可能影響鄰近的既有高架橋橋墩樁基的穩(wěn)定性；此外，在運營階段，由于新建的匝道橋上部荷載通過樁基傳至地基巖土后的擴散作用，匝道橋樁基可能影響鄰近既有高架橋橋墩樁基的受力安全。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 模型計算條件

（1）計算模型將巖土視為各向同性的理想彈性-塑性材料，并采用莫爾～庫倫屈服準(zhǔn)則。其材料參數(shù)主要包括材料的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ等。

（2）計算采用的巖土力學(xué)參數(shù)參照勘察建議值及規(guī)范進行選取，見表 1。

表 1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

（3）模型邊界條件：底邊為豎向位移約束，兩側(cè)為水平法向位移約束，模型頂面為自由面。

（4）荷載：a、巖土與結(jié)構(gòu)自重通過有限元軟件根據(jù)輸入的巖土及結(jié)構(gòu)的材料容重自動計算。b、外部荷載，高架橋為簡支體系，其支點反力容易得到；匝道橋存在一系列的墩梁固結(jié)，其墩頂內(nèi)力通過MIDASCivil模型計算所得，模擬范圍內(nèi)各個橋墩計算荷載見表 2。

表 2 各個橋墩計算荷載

3.2 有限元模型

通過分析結(jié)構(gòu)物之間的相互影響關(guān)系，選取匝道橋1#～3#墩對鄰近高架橋1#墩影響范圍來建立有限元模型。模型包括巖土結(jié)構(gòu)、樁基墩柱結(jié)構(gòu)、橋墩墩頂荷載等。巖土結(jié)構(gòu)、樁基墩柱結(jié)構(gòu)均以三維實體單元模擬，橋墩墩頂荷載通過將橋墩墩頂單元面節(jié)點固結(jié)于位于截面質(zhì)心的一個節(jié)點上，再將所有荷載按實際添加到該節(jié)點上的方式來模擬。網(wǎng)格劃分遵循受力關(guān)鍵部位網(wǎng)格密，非關(guān)鍵部分逐漸稀疏的網(wǎng)格劃分原則進行。模型進行了初始狀態(tài)→樁基開挖→成橋階段的工況模擬。有限元模型如圖 1所示：

圖 1有限元模型

3.3 計算結(jié)果

在有限元模擬匝道橋施工對高架橋影響的過程中，各施工階段高架橋1#橋墩墩頂最大位移值統(tǒng)計見表 3。

表 3 各階段高架橋1#橋墩墩頂位移值統(tǒng)計表

從上述表格數(shù)據(jù)可見，新建匝道橋引起既有高架橋橋墩墩頂最大水平位移為0.12mm，最大豎向位移為1.0mm。

3.4 計算結(jié)論

橋墩過大的墩頂水平位移將引起橋墩傾斜，影響橋墩穩(wěn)定性。匝道橋橋墩施工和運營對高架橋橋墩墩頂產(chǎn)生的最大水平位移為0.12mm，相對較小。橋墩過大的豎向位移將引起支座沉降，影響上部結(jié)構(gòu)受力。新建匝道橋橋墩施工和運營引起既有高架橋橋墩墩頂最大豎向位移1.0mm，處于支座安裝高程偏差限值±5mm以內(nèi)。又由于高架橋上部結(jié)構(gòu)為一系列簡支梁，為靜定結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)受附加位移影響較小，因此認為新建匝道橋不會影響高架橋的安全。

4 結(jié)論

由于樁基開挖使附近圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，附近基巖因卸載而隆起，造成了臨近既有橋墩產(chǎn)生了一系列的位移，同樣在成橋施工過程中及運營階段，由于新建的匝道橋上部荷載通過樁基傳至地基巖土后的擴散作用，臨近既有橋墩也會受到一定的影響。因此，在施工過程中，應(yīng)做好實時監(jiān)控量測，控制好臨近既有橋梁上部結(jié)構(gòu)及墩柱傾斜變形，監(jiān)測對比施工前、施工中及施工后一段時間內(nèi)橋墩的位移變化情況。在條件允許的情況下，臨近既有橋墩的樁孔施工應(yīng)采用人工成孔，并加強樁孔護壁，避免塌孔和過大的巖土體振動給臨近既有結(jié)構(gòu)帶來危險。

[1]范么清. 新建橋梁對既有橋梁的影響計算[J]. 城市道橋與防洪,2009,(08):82-85+252.

[2]張洪澤,郭溫平. 新建橋梁施工對鄰近既有專線橋梁的影響[J]. 經(jīng)營管理者,2016,(25):438

[3]郭震山,孟曉亮,周奇,朱樂東. 既有橋梁對鄰近新建橋梁三分力系數(shù)的氣動干擾效應(yīng)[J]. 工程力學(xué),2010,(09):181-186+200.

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