框架桥基础沉降对结构安全影响的数值模拟研究
2023-06-30任艳谢春明
任艳 谢春明
摘 要：某高速互通立交主線桥第15～44跨为30×15 m钢筋混凝土结构框架桥，经多次加固后仍存在多处破损、露筋和开裂等病害，需对其进行拆除并同步在两侧修建新桥。新桥桩基础距旧桥最近净距约1.4 m，拟采用旋挖钻孔施工工艺。考虑到旋挖钻孔施工可能会造成旧桥基础沉降，为了解基础沉降对框架桥的结构安全影响，采用有限元软件建立部分框架桥分离式共节点模型，对钻孔施工影响下框架桥的受力分析进行数值模拟。结果表明：框架桥基础沉降取值为5 mm时，最大拉应力出现在左幅桥面板内侧边缘处，为2.62 MPa；沉降取值4 mm时，最大拉应力出现在左幅桥面板内侧边缘处，为2.1 MPa，未达到其抗拉强度设计值。建议桩基施工过程中对旧桥位移进行实时监测，控制不均匀沉降值在4 mm内。
关键词：框架桥；结构安全；钻孔施工；共节点分离式模型；应力；数值模拟
中图分类号：U445.55 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2023）02-0046-03
0 引言
现有桥梁经过多年的运营，大量超载车辆的通行对现有桥梁造成了严重破坏，造成了严重安全隐患，需要拆除后在原址上建设新桥。因新桥桩基距离旧桥较近，钻孔灌注桩基施工拟采用旋挖钻成孔工艺，考虑到旋挖钻孔可能会造成旧桥基础发生沉降，因此需要分析钻孔施工对旧桥结构的安全影响。
目前不少学者开展了桩基施工振动对周边建（构）筑物影响的测试、分析研究工作[1-7]，但对框架桥影响研究还较少。为了解基础沉降对框架桥结构的安全影响，采用有限元软件建立部分框架桥模型，对基础沉降影响下临近框架桥的受力进行了数值模拟。
1 工程概况
某高速公路互通立交主线桥为（15.02+15+30+2×15+9.67+42×15+15.02）m，桥位区未见断裂构造形迹，覆盖层主要为素填土、全新统粉质粘土，基底由花岗岩及其风化层组成。第15～44跨均为15 m钢筋混凝土结构框架桥，分左、右幅设置，单幅长450 m，宽度为15.75 m，高12.5 m，结构形式包括空心板、墩柱、横梁、剪力墙、层板、扩大基础和桩基础，其中框架柱截面尺寸为1.5 m×1.5 m，横梁截面尺寸为1.5 m×0.95 m。框架柱主筋直径Φ25 mm，间距12 mm，箍筋直径Φ10 mm，间距100 mm。框架梁主筋直径Φ22 mm，间距6 mm，箍筋直径Φ8 mm，间距100 mm。剪力墙主筋直径Φ20 mm。框架桥结构如图1所示。
框架桥经几次加固后仍存在多处破损、露筋和开裂等病害状况，被定为险桥，需对其进行拆除并同步在两侧修建新桥（见图2）。
2 有限元模型
2.1 有限元模型的建立
为了能准确地反映桥梁桩基工程施工加载对旧桥结构的影响[8]，综合桩基与旧桥结构的距离、地层岩土体强度参数以及影响范围等因素，采用ANSYS软件建立有限元模型，运用大型显示动力分析软件LS-DYNA进行力学响应分析。考虑到结构的对称性，取左幅桥距离冲击钻孔施工最近的2跨，采用分离式共节点模型建立部分框架桥模型[9]（共节点分离式模型可以分别考虑钢筋与混凝土的不同受力状态，进而对结构提供更精确的分析），再施加对称约束进行计算。
为了减少边界效应的影响，模型的尺寸需要在土体范围上作一定延伸[10，11]。根据有限元分析原理和一般处理经验，桩基影响范围一般为10倍桩径范围内，桩径为1.5 m，因此，水平方向取为桩基外约25 m范围，竖向取为旧桥底部约30 m范围。模型大小与实际结构完全相同，X轴方向为水平方向，走向为桥梁布置方向；Y轴方向竖直方向，向上为正；Z轴方向为桥梁横向。框架桥三维数值模型如图3所示。
模型中，混凝土与钢筋均采用随动硬化双线性弹塑性材料，混凝土采用Solid164单元模拟，钢筋采用Beam161单元模拟。模拟中混凝土选择塑性随动硬化材料，即*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，具体参数取值如表1所示。
2.2 荷载施加
2.2.1 汽车荷载
单幅汽车荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）车道荷载计算，考虑4车道最不利影响，折减系数为2.68，计算取值4 797 kN。
2.2.2 汽车制动力
单幅汽车制动力按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）单车道165 kN取值，考虑4车道最不利影响，折减系数为2.68，计算取值1 768 kN。
2.3 边界条件
参照实际工况，左幅距桩基施工最近的旧桥桩基础赋予沉降位移约束，其余桩基按墩底固结，框架结构之间按刚接处理，汽车荷载与汽车制动力施加在桥面板上，再通过盖梁传递给各墩柱。
3 数值模拟结果分析
3.1 基础沉降取值5 mm时
计算结果主要考虑桥梁上部结构应力分布，沉降位移取值5 mm时，最大拉应力出现在框架桥左幅桥面板内侧边缘处，为2.62 MPa，见图4与图5。
3.2 基础沉降取值4 mm时
基础沉降取值4 mm时，最大拉应力出现在框架桥左幅桥面板内侧边缘处，为2.1 MPa，此时结构受力未达到其抗拉强度设计值，见图6与图7。
4 结语
为了解钻孔施工导致的基础沉降对既有框架桥的影响，分析其适用性，本文采用有限元软件建立典型的公路框架桥共节点分离式钢筋混凝土模型，分析了基础沉降对临近框架桥的结构受力安全影响，得出以下结论。
第一，临近框架桥净距1.4 m处旋挖钻孔施工，框架桥基础沉降取值5 mm时，最大拉应力出现在左幅桥面板内侧边缘处，为2.62 MPa。
第二，基础沉降取值4 mm时，最大拉应力出现在左幅桥面板内侧边缘处，为2.1 MPa。
第三，框架桥基础沉降取值为4 mm时，结构受力未达到其抗拉强度设计值。建议桩基施工过程中对旧桥位移进行实时监测，控制不均匀沉降值在4 mm内。
参考文献
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