新建橋梁對鄰近既有橋梁的影響分析

羅 冰

(廈門市政管廊投資管理有限公司 廈門市 361000)

0 引言

隨著沿海城市的快速發展,區域建設的持續提升,以及城市交通流量的持續增長,跨海通道的建設需求日漸高漲。由于建橋的最佳橋位有限,且完全新建橋梁的造價相對較高,因此在擴建空間允許的條件下,對既有跨海橋梁進行兩側拼寬改造增加車道的建設方案是較為經濟的選擇。若新建橋緊鄰現狀橋拼寬改造,如何評估新建橋結構對鄰近現有橋面結構的影響、明確相關安全控制指標,已成為工程界關注的重要問題。

目前國內外針對新建橋梁與既有橋梁之間相互影響的研究較少,大多處于經驗總結階段,而基礎理論數字化、模型化的成果相對匱乏。對于空心板橋、T梁橋、小箱梁橋[1]已有相關學者進行相關研究,也提出安全控制建議值。而目前市政道路跨海橋梁中,大箱梁連續橋在大中型橋梁中占有相當大的比例,但相關影響研究開展甚少。因此,文章以某新建跨海拼寬大橋為工程背景,采用巖土數值分析軟件,分析新建橋梁對臨近既有橋梁變形及受力的影響,旨在研究討論得出既有橋梁的安全控制標準,及相應的控制措施。

1 工程概況

某既有跨海大橋于2006年建成通車,道路等級為城市主干路,雙向六車道。橋梁全長925m,全寬26m,雙幅布置,跨徑布置為4×35m+5×35m+40m+3×60m+40m+5×35m+5×35m。其中主橋為預應力混凝土連續剛構,引橋為連續梁橋。鑒于片區建設持續加快,進出車流持續增加,現狀橋梁并不能適應日益增長的交通流量需要,擬在既有橋梁兩側實行拼寬改建,各拼寬8.5m。拼寬后橋全長43m,車行道增至雙向八車道,并增加慢行系統。擬建橋體與既有橋梁大致平行,且橋跨設置一致。橋梁拼寬采用上下部構造不連接的方式,在新舊橋間留一縱縫,受力互不影響,施工相對方便。

新建拼寬橋實施前,對既有橋梁的檢測與評定,目前總體技術狀況良好,所有聯跨技術狀況等級均為B級,具有承受現行城—A級設計荷載的強度和剛度,新建橋梁橫斷面如圖1所示。

項目位于海域及灘涂,場地地基土自上而下主要有:雜填土、填砂、粉狀粘土、中砂、殘積砂質黏性土、全風化花崗石、砂礫狀強風化花崗石、碎塊狀強風化花崗石、中風化花崗巖等組成。

2 新、舊橋梁工程相對位置關系

海域段新建橋樁基與原橋橋墩樁基最小樁中心距約為6.35m,最小樁凈距約為4.85m;新建橋樁基與原橋承臺最小凈距約為4.35m。陸域段新建橋樁基與原橋墩樁基最小樁中心距約為4.8m,最小樁凈距約為3.3m;新建橋樁基與原橋承臺最小凈距約為2.3m。承臺開挖采取鋼板樁方式,其基坑深約4.5m,基樁采用沖孔工藝施工。鋼便橋基礎基樁尺寸D630x10mm,與既有橋梁橋墩樁基最小距離約為12.3m,與承臺最小距離約13m,鋼便橋管樁擬使用釣魚法進行,用履帶吊配合振動錘振動下沉鋼管樁。

擬建橋體施工順序:先施工鋼便橋,然后施作圍堰進行基坑開挖,最后進行橋體下部結構的施工。

3 安全控制標準

3.1 主要參考標準

目前對橋梁變形的安全控制指標主要針對橋墩與梁體部分:橋墩變位一般是通過控制橫向水平位移和梁端水平折角來實現的;梁體一般通過梁體橫向變形控制。而沉降對橋梁墩柱和梁體變形均影響較大。目前墩臺沉降值控制指標通常采用允許位移值進行控制,通常包含以下內容:(1)單墩允許最大沉降值;(2)順橋向相鄰橋墩間允許差異沉降值;(3)橫橋向相鄰橋墩間允許差異沉降值。這些控制指標在現行的市政道路設計規范中并沒有提及,僅在《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)中對靜定結構墩臺在不同沉降形式的沉降限值上有規定:均勻沉降20～30mm,相鄰墩臺沉降差5～15mm。此外,在目前設計中沉降限值以經驗取值為主,一般取跨徑/3000(小跨徑橋梁取5mm,中等跨徑橋梁取10mm,大等跨徑橋梁取20mm)。

3.2 結構安全控制指標

本次研究擬取既有橋梁墩臺沉降值作為結構安全控制指標。該指標取值應根據相關規范要求,并結合運營狀態下墩臺沉降對橋梁結構受力的影響綜合確定,有條件時還可對照結合橋梁現狀監測結果進行復核。

按照本工程既有橋的設計圖紙,采用橋梁博士軟件對既有主橋40m+3×60m+40m五跨預應力混凝土剛構橋進行數值模擬,三維模型如圖2所示。

圖2 既有橋梁主橋剛構橋模型

以僅在一墩上分別施加5mm、8mm、10mm 的位移來模擬該橋出現相鄰兩墩存在不均勻沉降的情況。結構應力結果見表1。

表1 不均勻沉降下結構最大最小應力

分析結果顯示,最大彎矩發生在產生沉降的墩柱位置,且在此處的桿端彎矩相對次邊跨的影響也很明顯。由此可見,相鄰橋墩之間微量的不平衡沉降可以對既有橋梁在受力方面形成重要的負面影響[2]。既有橋梁主梁采用C50混凝土,受拉強度設計值ft=1.8MPa。不平衡沉降在8mm情況下,最大拉應力為1.08MPa,相對合理。結合規范建議及本案例的數值模擬,將不均勻沉降安全控制值控制在8mm,預警值控制在4mm較為合理。

4 有限元模型

4.1 關鍵節點的選擇

新橋橋墩分為海域段橋墩和陸域段橋墩,根據新舊橋墩的布置形式、新橋樁的長度、土層條件和新舊橋樁間距,選取11#橋墩(海域段)進行分析。其中,新橋11#橋墩(海域段)和既有橋梁11#橋墩樁間最小距離為4.85m。

4.2 計算原則及材料參數

模型計算分析采用巖土工程三維有限元軟件Midas GTS NX,計算原則如下:

(1)假定圍巖各層都是各向同性連續介質,土體采用Modified Mohr-Coulomb模型,該模型可以考慮土體的壓縮硬化與剪切硬化,并采用Mohr-Coulomb破壞準則。

(2)假定地表和各土層均成層均質水平分布。

(3)地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化。

(4)初始平衡按照將重力加速度加到模型上,由程序自動獲得。

(5)本基坑土體滲透系數小,且設計方案未考慮井管降水措施,故不考慮地下水在開挖過程中的影響。

(6)計算建模時,對明挖基坑、既有橋梁結構范圍及周邊關心的部位加密網格剖分。

材料本構關系及其參數選取對數值計算有重要影響,一般通過相關實驗確定。本次計算所有巖土材料的結構關系均采用修正莫爾庫倫彈塑性本構模式,鋼筋混凝土結構均采用各向同性線彈性模型。材料參數見表2、表3。

表2 巖土材料參數

表3 結構材料參數

4.3 計算模型的建立

(1)計算范圍

有限元仿真分析需要人為劃定模擬區域,為方便描述,首先給出計算模型中擬采用的坐標:以既有橋梁走向為X軸,與其走向的垂直方向為Y軸,豎直方向為Z軸(向上為正),模型尺寸統一為100m×100m×70m。

(2)單元選擇

Midas GTS中提供直線單元、平面單元、實體單元等單元簇,每個單元簇又有細分,適合不同的情況。本次計算模型中鋼板樁采用板單元模擬,鋼支撐采用1D梁單元模擬,樁基、地層結構、橋梁墩柱及承臺等采用實體單元模擬。

(3)網格劃分

網格劃分對計算精度有重要影響。一般來講網格越細,結果越精確,也有利于計算收斂。但網格小到一定程度后,這兩方面的優勢就不再明顯,反而會增加計算費用,延長計算時間。因此,綜合考慮計算精度及計算時間,在模型重點關注區域可將網格劃分的細一些,在非重點區,網格可劃分粗一些。本模型地層單元25248個,舊橋單元1167個,新橋單元1759個,鋼板樁單元188個,計算模型網格劃分詳見圖3。

圖3 新橋11#橋墩模型(海域段)

(4)荷載設置

模型中添加的荷載包括:已建單元的重力、海域段作用于圍護結構的水壓力、樁基成孔過程中的泥漿護壁壓力、既有橋梁墩頂反力、新建橋體墩頂反力。

經已有資料和計算,獲得所需的樁頂反力及墩頂反力,樁基成孔的泥漿護壁壓力按照泥漿重度為13kN/m3計算,既有橋梁、新建橋體分別以大小2400kN/m2、2400kN/m2的均布力添加在其墩頂單元面。

(5)邊界條件

根據計算模型范圍,模型邊界距離基坑已足夠遠,進行法向約束,即垂直X軸的前后二邊界面假定X方向的位移為0,則UX=0;垂直Y軸的左右兩個邊界假設Y方向的位移為0,即UY=0;模型底部邊界,假設X、Y、Z三個方向的位移都為0,即UX=0、UY=0、UZ=0。模型上部邊界為自然邊界,6個位移自由度都不約束。

(6)施工工序

為準確模擬擬建項目對既有橋梁結構的影響,本數值模型分析步設置如下:

a.工況1(地應力平衡):建立計算模型,利用地應力分析,得出擬建工程實施前模型研究區域內的地應力水平。本分析步驟要求在考慮重力荷載及既有橋梁墩頂反力等先期荷載的工況下,完成內力計算,計算完成后,軟件自動平衡地層變形量,進行位移清零。

b.工況2(樁基成孔):鈍化新建橋體的樁基單元,并激活泥漿護壁壓力。

c.工況3(樁基澆筑):鈍化泥漿護壁壓力,激活新建橋體的樁基單元,并改變樁單元材料屬性。

d.工況4(基坑開挖+圍護):激活鋼支撐、鋼板樁,鈍化開挖部分的網格單元。

e.工況5(新建橋體施工完成):激活新建橋體的橋墩、承臺等,鈍化鋼支撐和鋼板樁。

5 計算結果

新橋施工完成后,提取既有橋梁墩臺及樁基的變形云圖,結果見圖4、圖5。變形極值見表4。

表4 新橋施工完成后變形極值統計表

圖4 新橋施工完成后既有橋梁墩臺、樁基Y向位移云圖

圖5 新橋施工完成后既有橋梁墩臺、樁基Z向位移云圖

通過數值計算,可得如下結論:

考慮成樁效應下,對于既有橋梁的安全評估,最受關注的重點仍然是其橫向的水平位移及豎向沉降。

新建橋體施工完成后,既有大橋11#墩(海域段)豎向最大位移為-2.0mm,順橋向墩最大位移為0.1mm,橫橋向墩最大位移為2.0mm;既有橋梁11#墩(海域段)樁基豎向最大位移為-1.9mm,順橋向樁基最大位移為0.1mm,橫橋向樁基最大位移為0.2mm。同時,根據實際橋墩檢測數據表明:橫橋向水平位移值1.5mm;豎直向位移值1.3mm,與數值模擬分析的結果相差無幾,變形值較小,遠未達到預警值,符合控制標準。

6 結論與建議

以某跨海大橋拼寬工程為背景,用巖土數值分析軟件進行數值模擬,探討了新建橋梁對既有橋梁樁基變形及內力的影響,得到結論如下:

結合規范建議及本案例的數值模擬,本工程案例的既有橋梁不均勻沉降安全控制值控制在8mm,預警值控制在4mm較為合理,可以為同類型跨徑相當的橋梁提供參考。

在施工期間新建橋梁對既有橋梁墩臺及樁基結構出現略微的沉降和水平位移,影響甚微。拼寬橋梁建成后,對既有大橋的墩臺的沉降和水平位移有顯著影響,但結構受力滿足規范限值要求。

總體來看拼寬橋梁建設對既有橋梁存在一定影響,施工過程中合理安排工期,各墩臺保持同步施工,可以避免施工進度不一導致既有橋各墩臺不均勻沉降過大,從而保證安全運營。