基础土壤对大跨度桥梁施工中结构行为的影响

袁媛

摘 要：基于河床水文条件的需要，我国大跨度桥梁有越来越普遍的倾向，然而施工中桥梁严重破坏的案例也时有出现。本研究利用SAP2000有限元素法程序进行不同基础土壤条件下施工中不等跨距大跨度桥梁的结构分析，据以探讨基础土壤疏松及施工支撑架劲度降低对施工中大跨度桥梁结构的影响，进而掌握破坏原因，并提出防止破坏的方法。

关键词：大跨度;不等跨距;桥梁;基础土壤

中图分类号：U441.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0098-04

Abstract： Based on the need of the hydrological conditions of the river bed， there are more and more common tendency in the long-span bridges in China. However， there are some cases when the serious damage of the bridges in the construction. In this study， SAP2000 finite element method program was used to analyze the structure of long-span bridges with different spans under different foundation soil conditions. Based on the analysis， the influence of loose foundation soil and reduction of construction support stiffness on the structure of long-span bridges in construction was discussed， and the causes of damage were grasped， and the methods of preventing damage were put forward.

Keywords： longspan;no other span;bridge;foundation soil

1 研究目的

研究基礎土壤条件对不等跨距大跨度桥梁施工中结构行为的影响，掌握国内悬臂式大跨度桥梁施工中破坏的主要原因，确保未来不等跨距大跨度桥梁施工中的稳定性。

2 悬臂式桥梁施工法

悬臂式桥梁施工法发展至今已有近60年，因其无需使用大量的支撑鹰架，不影响桥下人、车通行，施工中亦不受季节或河道水位影响，因此更适合于大跨径桥梁施工。

3 研究内容与方法

3.1 桥梁有限元素法分析模型的建立

本文参考某高架桥的施工设计图，利用施工中双边工作车及临时支撑架桥梁整体结构于施工中两种不同的单元情况探讨基础土壤条件对不等跨度桥梁施工稳定性影响，桥梁整体结构两边墩柱下分别输入不同基础土壤条件，然后就各节点在三个方向分别以弹簧元素相连，而弹簧元素输入的土壤模数为土壤弹簧常数，其数值可选用合适的有关标准贯入试验N值推估的经验公式评估分析;其有限元素分析模型[1]有“单桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥的分析模型”和“双桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥的分析模型”。

3.2 边界条件

本桥梁的悬臂箱型梁与墩柱接合处以及墩柱与桩帽接合处，均以刚接型式设计方式仿真。

临时支撑架基础板与桩帽的侧面及底面与土壤接邻部分及群桩侧面、底端与土壤接邻部分，均以弹簧元素仿真[2]。

临时支撑架上与悬臂箱型梁的接触点直接在相关连接点处加入位移约束条件模拟。

4 结果分析

4.1 不同基础土壤条件下施工中桥梁结构行为比较

4.1.1 单桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥

4.1.1.1 桥梁结构位移。对于有效覆土压力修正后标准贯入试验值[N1]分别为50、30、10、5抵抗强度均匀的基础土壤而言，施工中桥梁行车方向中心线结构位移的仿真分析结果如表1所示。当基础土壤的[N1]由50降至5，基础土壤由紧密变为疏松时：①向下垂直向位移最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，增幅3.89%;②桥轴向位移朝左最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，降幅14.29%;③桥轴向位移朝右最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，增幅5.11%;④垂直桥轴向朝后位移最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，增幅1.99%;⑤垂直桥轴向朝前位移最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，降幅2.25%。

4.1.1.2 各结构应力的比较。对于有效覆土压力修正后标准贯入试验值[N1]分别为50、30、10、5抵抗强度均匀的基础土壤而言，施工中桥梁行车方向中心线各结构应力模拟分析结果如下。

当基础土壤的[N1]由50降至5，基础土壤由紧密变为疏松时：①结构应力[σ11]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由16 081.52kPa增至16 084.46kPa，增幅0.02%;②结构应力[σ22]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由4 271.93kPa增至4 273.89kPa，增幅0.05%;③结构应力[σ33]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由3 763.93kPa增至3 765.89kPa，增幅0.05%;④结构应力[σ12]最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1 472.03kPa降至1 453.4kPa，降幅1.28%;⑤结构应力[σ13]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1 166.05kPa降至1 163.11kPa，降幅0.25%;⑥结构应力[σ23]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1 104.27kPa降至1 102.31kPa，降幅0.18%。

4.1.2 双桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥

4.1.2.1 桥梁结构位移。对于有效覆土压力修正后标准贯入试验值[N1]分别为50、30、10、5抵抗强度均匀的基础土壤而言，施工中桥梁行车方向中心线结构位移的模拟分析结果如下。当基础土壤的[N1]由50降至5，基础土壤由紧密变为疏松时：①向下垂直向位移最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由29.19cm增至30.75cm，增幅5.34%;②桥轴向位移朝左最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1.91cm增至2.12cm，增幅10.99%;③桥轴向位移朝右最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1.60cm降至1.47cm，降幅8.84%;④垂直桥轴向朝后位移最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由0.002 65cm增至0.002 67cm，增幅0.75%;⑤垂直桥轴向朝前位移最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由0.002 03cm降至0.002 02cm，降幅0.50%。

4.1.2.2 各结构应力的比较。对于有效覆土压力修正后标准贯入试验值[N1]分别为50、30、10、5抵抗强度均匀的基础土壤而言，施工中桥梁行车方向中心线各结构应力模拟分析结果如下。

当基础土壤的[N1]由50降至5，基础土壤由紧密变为疏松时：①结构应力[σ11]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由11 480.96kPa降至11 382kPa，降幅0.87%;②结构应力[σ22]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由3 740.39kPa增至3 742.35kPa，增幅0.05%;③结构应力[σ33]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由2 643.97kPa降至2 639.06kPa，降幅0.19%;④结构应力[σ12]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1 562.26kPa降至1 556.37kPa，降幅0.38%;⑤结构应力[σ13]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1 168.99kPa降至1 167.03kPa，降幅0.17%;⑥结构应力[σ23]的最大值随基础土壤紧密程度减小而增加，最大值由1 421.03kPa增至1 423kPa，增幅0.14%。

4.2 单桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥

4.2.1 桥梁结构位移。对于结构劲度分别为全额、40%、20%、10%的临时支撑架而言，施工中桥梁行车方向中心线结构位移的仿真分析结果如下。在基础土壤属于濒临中等紧密砂土的情况下，当临时支撑架结构劲度由全额的数值至10%时：①向下垂直位移的最大值随临时支撑架结构劲度的减小而增加，最大值由36.21cm增至121.28cm，增幅234.94%;②桥轴向朝左位移最大值随临时支撑架结构劲度的减小而增加，最大值由0.58cm增至8.24cm，增幅1 320.69%;③垂直桥轴向朝前位移最大值随临时支撑架结构劲度的减小而减少，最大值由0.003 06cm降至0.002 81cm，降幅8.90%;④垂直桥轴向朝后位移最大值随临时支撑架结构劲度减小而增加，最大值由0.002 70cm增至0.005 58cm，增幅106.67%。

4.2.2 各結构应力的比较。对于结构劲度分别为全额、40%、20%、10%的临时支撑架而言，施工中桥梁结构应力的模拟分析结果如下。

当临时支撑架结构劲度由全额降至10%时：①结构应力[σ11]的最大值随临时支撑架结构劲度减小而增加，最大值由16 084.46kPa增至29 039.51kPa，增幅80.54%;②结构应力[σ22]的最大值随临时支撑架结构劲度减小而增加，最大值由4 272.91kPa增至7 612.19kPa，增幅78.15%;③结构应力[σ33]的最大值随临时支撑架结构劲度减小而增加，最大值由3 765.89kPa增至6 829.59kPa，增幅81.35%;④结构应力[σ12]的最大值随临时支撑架结构劲度减小而增加，最大值由1 468.11kPa增至2 228.15kPa，增幅49.50%;⑤结构应力[σ13]的最大值随临时支撑架结构劲度减小而增加，最大值由1 164.09kPa增至1 297.47kPa，增幅11.46%;⑥结构应力[σ23]的最大值随临时支撑架结构劲度减小而增加，最大值由1 103.29kPa降至1 036.6kPa，降幅6.43%。

4.3 不等跨距大跨度箱型梁桥施工中破坏模拟分析结果

对于本研究的双桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥施工中破坏模拟分析而言，一桥墩的基础土壤条件倾向于中等紧密砂土[3]，另一桥墩则倾向于濒临非常紧密的砂土。施工中位于中等紧密砂土上的临时支撑架，因基础不均匀沉陷造成临时支撑架与其上端的千斤顶倾斜，临时支撑架的支撑效应在大幅消失时[4]（假设为全额劲度的40%），该不等跨距大跨度箱型梁桥进而在施工中破坏。上述条件下不等跨距大跨度箱型梁桥施工中结构行为模拟分析结果如下。

某双桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥施工中破坏模拟分析如图1至图3所示。

该不等跨距大跨度箱型梁桥在施工中垂直向下最大位移量440.84cm，桥轴向最大位移量31.42cm，垂直桥轴向最大位移量0.034 23cm;结构应力[σ11]最大值162 769.72kPa，[σ22]最大值42 962.51kPa，[σ33]最大值37 763.81kPa，[σ12]最大值15 273.42kPa，[σ13]最大值13 988.7kPa，[σ23]最大值16 989.65kPa;现地不对称基础土壤条件对于不等跨距大跨度箱型梁桥施工中结构稳定性有很大影响力。此外，通过分析破坏模拟结果发现，该桥在施工中破坏的主要原因为桥梁结构位移量及结构应力随现地不对称基础土壤条件存在而使得临时支撑架基础沉陷量及差异沉陷量均过大，临时支撑架上的千斤顶因而倾斜倒塌，临时支撑架支撑效应大幅消失，造成施工端箱型梁大幅向下位移，箱型梁在向下位移量过大的情况下破坏。由模拟分析结果与实际的不等跨距大跨度箱型梁桥破坏现象的近似性得知，以SPA2000有限元素法程序配合适当的分析模式，实际不等跨距大跨度箱型梁桥施工中真正的破坏原因才有可能被发现。

5 结论

①不同的基础土壤条件[5]：对于单桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥而言，桥梁结构位移量及结构应力随基础土壤条件[N1]值减少而增加;对于双桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥而言，桥梁结构位移量及结构应力随不对称基础土壤条件[N1]值减少而增加。

②当基础土壤条件为[N1]=10（濒临中等紧密砂土）时，对于单桥墩不等跨距大跨度箱型梁桥而言，桥梁结构位移量及结构应力随临时支撑架结构劲度值（全额、40%、20%、10%）减少而剧烈增加。

③通过破坏模拟分析结果发现：该桥在施工中破坏的主要原因为桥梁结构位移量及结构应力随现地不对称基础土壤条件存在而使得临时支撑架基础沉陷量及差异沉陷量均过大，临时支撑架上的千斤顶因而倾斜倒塌，临时支撑架支撑效应大幅消失，造成施工端箱型梁大幅向下位移，箱型梁在向下位移量过大的情况下破坏。

参考文献：

[1]曹素功.风和列车荷载作用下大跨桥梁动力分析[D].湘潭：湘潭大学，2014.

[2]高伟.斜风作用下大跨度桥梁颤振导数研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[3]董锐，葛耀君，杨詠昕.基于虚拟激励法的大跨度桥梁位移多目标等效静力风荷载[J].土木工程学报，2014（11）：84-91.

[4]喻梅.大跨度桥梁颤振及涡激振动主动控制[D].成都：西南交通大学，2013.

[5]闫晓宇.多点激励下大跨度钢筋混凝土桥梁地震响应振动台阵试验研究[D].天津：天津大学，2013.