新建连续刚构桥梁对既有桥梁的安全影响评估

吴雄磊，陈 寒

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430048；2.中交第二航务局有限公司第六工程分公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

随着中国铁路交通事业的蓬勃发展，铁路高架桥在铁路路网建设中已成为一个重要的环节，但由于铁路建设的特殊性，部分新建铁路沿线与已经运营的铁路桥梁相交，新建铁路桥梁的基础开挖、主体施工等都将对既有铁路桥梁基础与主体结构产生一定的扰动［1－3］。为了保证新建铁路桥梁建设的可行性与既有铁路桥梁的安全性，新建铁路桥对既有铁路桥梁的安全影响评估具有重要意义。

本文以河南省某大跨径连续刚构桥建设为背景，基于数值模拟分析，提出一种以有限元模拟结果为允许值的参数判别法，并应用于桥梁安全影响评估中，为施工监测、控制提供科学依据。

1 工程概况

1.1 新建桥梁

新建桥梁为大跨径连续刚构桥，桥跨径布置为（72.95＋72.95）m，全长147.4m。上部结构为预应力混凝土连续刚构，下部为圆形实体墩和矩形空心墩配桩基础。主墩编号为60＃，边墩编号为59＃、61＃。桥型布置如图1所示。下部结构中，59＃和61＃墩均采用圆端形实体墩身，60＃墩采用矩形空心墩身。59＃～61＃墩采用钻孔桩基础。

图1 新建桥梁桥型布置

1.2 既有桥梁

既有桥梁为京广高铁跨机场高速公路特大桥，大桥上部结构为32m简支箱梁，下部结构为双线圆端形桥墩，基础采用钻孔桩基础。桥型布置如图2所示。

图2 既有京广高铁连续梁桥桥型布置

1.3 新建桥梁与既有桥梁的相对关系

新建铁路桥梁与京广高铁斜交，夹角为50°。60＃主墩位于京广高铁跨机场高速特大桥下行侧，承台边缘距离营业线桥下栅栏19.3m，T构桥梁于60＃与61＃墩间跨越既有京广高铁。60＃主墩承台距离京广高铁梁边19.5m，61＃边墩承台距离京广高铁梁边2.9m，跨越处京广高铁桥面至地面高差为17.13m，如图3所示。

图3 新建铁路与既有铁路的位置关系

2 结构安全评估方法

2.1 安全评估方法制定要求

由既有案例可知，施工过程中在地基上进行开挖、填埋或钻孔施工，会引起相邻建筑物产生较大的附加沉降及不均匀沉降、土体水平位移、桩侧负摩阻力等一系列问题［4］。当在既有桥桩侧填（挖）土以及施做建构筑物时，会因土体变形而使邻近桩基及桥梁结构发生位移，这些位移会在既有桥桩基及结构上产生一定的剪力和弯矩，使得桩的竖向承载力受到改变而影响到结构整体的受力状况［5－7］。鉴于此，以安全性为主要评判原则，遵循绝对客观的思路，提出采用有限元分析的安全影响评估方法。

2.2 有限元分析的结构安全评估方法

令结构安全表征函数为T。首先确定与T相关的评价指标因子，设为A1，A2，…，An，它们应具有相对客观性条件，即其数值应该是通过有限元软件运算所得，无需人工估计［8－12］。

根据国家相关标准及行业内部准则，形成评价指标因子A1，A2，…，An的上限允许绝对值S1，S2，…，Sn。设评价指标因子An与上限允许绝对值Sn之间的关系为

对n个评价指标，要求每个评价指标均满足式（1），若有任何一个不满足要求，均认定结构安全表征函数T不满足要求。

在式（1）中，只要评价指标因子 A1，A2，…，An设定全面正确，就能够保证评价目标的准确性，从而确保在建桥梁结构对既有桥梁结构的安全。一旦有相关评价指标因子不满足要求，则需要修改施工方案、改变步骤或采取加固措施，以使不满足要求的公式经重新计算后满足要求。

2.3 施工过程的安全预警阙值

为了保证工程项目在建设过程中的安全，在本评价方法基础上提出安全的评价因子施工预警阙值αi，评价因子Ai的实测值为Bi，则

当满足式（2）时，则施工正常；不满足式（2）而满足式（3）时，则提出警示，需要加强监测控制；当趋近式（3）极限时，应停止施工，加强支护，寻找问题。

2.4 安全影响评价指标因子的确定

由于新建桥梁施工会引起既有桩基周围土体的松动变形，造成桩基沉降和挠曲变形，对桩基及上部结构产生一定的影响，若变形过大就会影响桥梁的正常使用。根据相关实际工程案例，对结构安全性产生影响的主要是受力与位移状态。

对于安全性的评价，本文选取4项评价指标因子作为安全影响评估内容，即墩台及上部结构沉降量A1、墩台及上部结构纵向位移A2、墩台及上部结构横向位移A3、桩基承载力A4。安全性评价系统如图4所示。

图4 安全影响评价系统

3 有限元分析

3.1 FLAC3D的影响评估模型

采用软件FLAC3D对本桥的施工过程进行有限元模拟。模型土体尺寸为300m×300m×150 m，按新建铁路桥施工工序建立主要的施工阶段；通过对施工阶段的分析建立三维实体有限元模型并进行数值模拟计算［13－15］。根据地质条件与土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，同时考虑既有京广高铁桥墩对初始应力场的影响。有限差分元数值计算中，土体采用“莫尔－库伦（M－C）”土体弹塑性模型；京广高铁铁路桥、新建铁路桥桩基础采用线弹性桩单元模型，同时建立摩擦界面单元；京广高铁及新建铁路桥的桥墩及上部结构采用弹性实体单元模拟［16－17］。

相应的土层性质与施工阶段划分如表1、2所示。

表1 地质土层的主要物理力学参数

新建铁路桥梁与既有京广高铁桥空间位置和建模如图5、6所示。

表2 施工各工序相关内容

图5 计算模型

图6 模型平面

3.2 对墩台及上部结构沉降量的影响

图7为新建桥梁引起的铁路桥墩桩基累计沉降值对比。新建铁路桥梁的整个施工过程及运营对既有桥梁的127＃～131＃墩桩竖向沉降量均有一定的影响。特别是新建桥梁的60＃、61＃桥墩桩基及下部结构的施工，使既有桥梁对应的桥墩有较大幅度的下沉，最大单工序下沉可达1.8mm。在既有桥梁的桥墩中，以130＃墩受影响最为严重，其预计下沉可达15.74mm，远远大于其他桥墩。这是因为130＃墩距离新建桥梁61＃墩最近，所受影响最为明显；而128＃、129＃墩受60＃墩影响程度最大，127＃墩受60＃、61＃墩的影响几乎没有差别。这说明，既有桥梁桥墩受邻近土体开挖的影响严重，但达到一定距离后，所受影响趋于平稳。从最后运营期阶段的沉降可以看出，运营期单阶段沉降量较小，最大仅为0.1mm，可知运营过程中，新建桥梁上部列车活载作用对既有桥梁的影响微乎其微。

图7 新建桥梁引起的铁路桥墩桩基累计沉降值对比

3.3 墩台及上部结构纵向及横向位移分析

图8、9分别为新建桥梁引起的铁路桥墩桩基累计纵向与横向变形值。由图8可以得出，130＃、131＃桥墩主要是沿着纵向正方向变形，127＃、128＃墩则主要是沿着纵向负方向变形，129＃墩由于位于交叉点附近，先沿着正方向变形，再沿着负方向变形，而后又沿着正方向变形，变形以正方向为主。对于累计变形，新建铁路桥梁运营期间的影响最为显著，这说明新建铁路桥梁列车荷载所造成的振动是引起既有桥梁桥墩纵向位移的最关键因素。既有铁路桥梁桥墩受新建桥梁影响导致的纵向变形最大为0.29mm，影响较小。由图9可以得出，130＃、131＃桥墩受正方向影响，127＃、128＃桥墩受负方向影响，129＃桥墩所受影响因施工工序不同而在正方向与负方向间交替变换，以正方向影响为主。受影响最大变形值为0.35mm，相对较小。

图8 新建桥梁引起的铁路桥墩桩基累计纵向变形值对比

图9 新建桥梁引起的铁路桥墩桩基累计横向变形值对比

3.4 桩基承载力受到的影响

因为新建桥修建对于场地土是一个持续加载的过程，故将最后一个施工阶段即通车运营阶段的桩基础轴力与高铁桥梁自身桩基轴力进行比较。通过FLAC3D计算，可得到126＃～133＃墩桩基础在新建桥梁施工前和运营阶段的轴力变化，见表3。由表3可知，铁路运营后既有京广高铁桥的单桩轴力仍小于单桩设计承载力，满足要求。

表3 铁路桥墩桩基承载力 kN

3.5 安全评估分析结果

既有京广高铁桥桥墩的最大沉降为15.74 mm，小于墩台均匀总沉降20mm的要求；桥梁最大横向位移为0.35mm，最大纵向位移为0.29mm，小于规范规定的1mm要求；施工阶段及运营后京广高铁桥的单桩轴力仍小于单桩设计承载力，满足安全性要求。

根据式（1），4个分析因素可表示为

所选取的评价因子均满足式（4），可以判断结构安全表征函数T达到安全性要求。

3.6 施工安全预警阙值

施工预警阙值是建立在理论分析的基础上，以阙值函数αi为参数，对结构施工的安全性进行冗余安全度考虑。根据有限元分析，采用富余差值作为参考，理论计算值与允许上限值之间的范围包含

阙值函数αi取值为

由计算可知：α1＝1.119、α2＝1.563、α3＝1.493、α4＝1.021。即 评 价 因 子 Ai的实 测 值 Bi满 足式（2），处于安全状态，只需进行一般预防工作；当实测值Bi不满足式（2）而未超过允许极限值时，启动预警系统，严格监控施工过程，密切关注相应评价因子的变化情况；当实测值超过允许极限值时，则进入报警阶段，停止施工，加强围护加固工作，妥善解决问题。

4 结 语

本文以新建连续铁路刚构桥对既有铁路桥梁的影响为研究内容，采用基于有限元分析的安全评估方法对其进行了全面的安全评价，得到以下结论。

（1）本项目选取4个评价因子，分别为墩台及上部结构沉降量、墩台及上部结构纵向位移、墩台及上部结构横向位移、桩基承载力。通过分析，4项指标均满足安全性能要求，结构安全影响评估在安全范围内。

（2）根据有限元分析结果制定施工预警阙值，并形成“预防－预警－报警”的安全预报体系。根据对评价因子进行实际量测，对比阙值结果，可以做到对施工过程的全面控制，保证在建桥梁与既有桥梁的安全。