拟建跨河铁路桥对河道堤防影响的分析

□孙叶芝

河道作为一个城市的灵魂，在城镇化发展的进程中，发挥着纽带的作用，桥梁作为跨越这一纽带的唯一方式，在城市河流中作为连接两岸交通的重要建筑物，不可或缺。然而，不论是新建桥梁还是改扩建桥梁，由于其桥墩支撑在现状河床及河道堤防范围内，势必会对现状河道在结构安全以及过流等方面产生一定程度的影响。尤其是桥梁运行过程中，列车车辆行驶引起的振动，传递至桥墩基础，引起河堤基础以及填筑材料变形乃至破坏。因此，此文结合某拟建铁路桥的具体工程实际，以桥梁运行条件下对现状河道堤防的结构安全性影响进行了分析。

1.工程概况

河北省境内某既有铁路桥为跨越河道而设，与河道垂直交汇处，为提升河道行洪能力和沿河生态环境，促进两岸经济发展，保障行洪安全，桥位处河道拟适当拓宽，现状8～10m 的简支梁桥无法满足河道整治、通航及景观要求，需对既有跨铁路桥进行拆除扩建。

拟建桥梁方位大致与原铁路桥方位相同，与河道规划中心线正交，拟建铁路桥桥墩建设在规划大堤的堤脚处及河道中心处，桥墩基础为桩基础。拟建铁路桥典型剖面图如图1 中所示，设计拟采用40m+48m+40m 的三孔简支槽型梁结构形式，两侧各设置4m 的框架桥台，桥梁全长142.2m，线路主要技术标准如下：线路等级Ⅳ级、正线数目单线、行车速度40km/h、机车类型东风7G、牵引质量2500t。

图1 拟建铁路桥剖面图

2.计算模型及边界条件

2.1 计算模型

根据方案设计图，考虑到结构的对称性，为简化计算，取左侧1/2 的典型河段进行计算分析。模型底部选取地基厚度为桩基底部所在岩层的底部，考虑平面效应，顺水流模型长度为1m，垂直水流向模型宽度为71.1m，该模型中地基、桥梁等均采用3D 实体四面体及六面体单元，基础桩基采用线性梁单元。具体相关模型图见图2。

图2 三维有限元计算模型图

2.2 材料参数

结合地质情况，该部分计算模型按照由上到下的顺序简化为4 层，按照埋深递增顺序依次为回填土、粉砂、细砂、粉土，以上土体材料均采用摩尔库伦模型；桥梁结构为C40 钢筋混凝土，采用线弹性模型。各种材料的参数选取如表1 所示。

表1 计算主要材料参数表

图5 不同阶段小主应力云图（kPa）

2.3 边界条件

计算时在模型的周边需要设置约束以及外部荷载等边界条件，在该模型的4 个侧面分别施加了垂直侧面的弹性约束，在模型的底部施加了竖直方向的地面弹性约束。在该工程中，主要为研究分析桥面通过列车时地基的受力及变形情况。

在荷载施加方面，主要考虑结构在车辆荷载等外部荷载作用下的动力效应。计算中，根据实际情况在桥梁框架结构的顶部施加移动的车辆荷载，荷载施加情况如图3 所示，假设车辆此时按照设计时速从左向右移动。

图3 边界条件施加情况图

2.4 计算过程

计算过程中，充分考虑结构的特性，分两步进行分析，首先计算不考虑车辆动力荷载情况下，进行结构的特征值分析，确定结构的特征周期，然后，施加列车车辆荷载，进行移动荷载作用下结构的动力分析，列车荷载按照其行进方向分为以下几步：

第一阶段：列车驶入模型左侧堤防顶部位置；

第二阶段：列车行驶至堤防顶部位置；

第三阶段：列车行驶至左侧边墩位置；

第四阶段：列车行驶至中部中墩位置；

第五阶段：列车驶出模型右侧所示区域。

3.计算结果对比分析

3.1 位移分析

通过数值计算，可以得到不同时间点建筑物整体的位移云图如图中所示，图中箭头大小和方向表示地基土的移动位移大小和方向。由图中可知，河道堤防基础中，桩基及其周边土沉降量最大，随着车辆荷载从左向右的移动，桩基周围的位移从最初的1.7mm 逐步增加到2.9mm。就河道底部而言，在第一阶段，河道底部的沉降基本均匀，整体基本无位移；在第二阶段，河底沉降量增加，并且桩基周围出现一定程度的不均匀沉降，河道左岸车辆底部位置位移量明显增大；在第三阶段及第四阶段，伴随着车辆荷载的移动，桩基不均沉降的趋势更加明显；在第五阶段伴随着列车的驶出，堤防底部的位移逐渐恢复到初始状态。不同阶段位移云图见图4。

图4 不同阶段位移云图（m）

3.2 应力分析

通过数值计算，可以得到不同时间点建筑物整体的小主应力云图如图中所示，图中箭头大小和方向表示地基土的应力大小和方向。由图中可知，河道堤防基础中，桩基及其周边土小主应力最大，随着车辆荷载从左向右的移动，桩基周围的位移从最初的1.23 逐步增加到2.17。就河道底部而言，在第一阶段，河道底部的应力基本均匀，整体基本无应力增量；在第二阶段，河底应力增加，并且桩基周围出现一定程度的应力不均匀现象，河道左岸车辆底部位置应力增量明显增大；在第三阶段及第四阶段，伴随着车辆荷载的移动，桩基应力不均匀的趋势更加明显；在第五阶段随着列车的驶出，堤防及桥梁的应力逐渐降低恢复到无荷载的状态。不同阶段小主应力云图见图5。

4.结论

铁路桥作为一种主要的跨河建筑物，其正常运行状态下列车车辆行驶引起的振动，传递至桥墩基础，容易引起河堤基础以及填筑材料变形乃至破坏。此文结合工程实际，借助三维有限元软件，对某拟建铁路桥的列车移动荷载作用下基础的动力反应进行了分析，分析结果表明：车辆荷载作用下，桩基周围的位移相对较大，桩基附近位移差异明显；同时，桩基周围的应力相对较大，桩基附近的应力不均匀现象明显。但总体而言，车辆荷载作用下，堤防基础的位移及应力增加值均相对较小，综合分析结论为上述荷载对基础影响不大。