新建桥梁对邻近既有桥梁的影响分析

罗 冰

(厦门市政管廊投资管理有限公司 厦门市 361000)

0 引言

随着沿海城市的快速发展,区域建设的持续提升,以及城市交通流量的持续增长,跨海通道的建设需求日渐高涨。由于建桥的最佳桥位有限,且完全新建桥梁的造价相对较高,因此在扩建空间允许的条件下,对既有跨海桥梁进行两侧拼宽改造增加车道的建设方案是较为经济的选择。若新建桥紧邻现状桥拼宽改造,如何评估新建桥结构对邻近现有桥面结构的影响、明确相关安全控制指标,已成为工程界关注的重要问题。

目前国内外针对新建桥梁与既有桥梁之间相互影响的研究较少,大多处于经验总结阶段,而基础理论数字化、模型化的成果相对匮乏。对于空心板桥、T梁桥、小箱梁桥[1]已有相关学者进行相关研究,也提出安全控制建议值。而目前市政道路跨海桥梁中,大箱梁连续桥在大中型桥梁中占有相当大的比例,但相关影响研究开展甚少。因此,文章以某新建跨海拼宽大桥为工程背景,采用岩土数值分析软件,分析新建桥梁对临近既有桥梁变形及受力的影响,旨在研究讨论得出既有桥梁的安全控制标准,及相应的控制措施。

1 工程概况

某既有跨海大桥于2006年建成通车,道路等级为城市主干路,双向六车道。桥梁全长925m,全宽26m,双幅布置,跨径布置为4×35m+5×35m+40m+3×60m+40m+5×35m+5×35m。其中主桥为预应力混凝土连续刚构,引桥为连续梁桥。鉴于片区建设持续加快,进出车流持续增加,现状桥梁并不能适应日益增长的交通流量需要,拟在既有桥梁两侧实行拼宽改建,各拼宽8.5m。拼宽后桥全长43m,车行道增至双向八车道,并增加慢行系统。拟建桥体与既有桥梁大致平行,且桥跨设置一致。桥梁拼宽采用上下部构造不连接的方式,在新旧桥间留一纵缝,受力互不影响,施工相对方便。

新建拼宽桥实施前,对既有桥梁的检测与评定,目前总体技术状况良好,所有联跨技术状况等级均为B级,具有承受现行城—A级设计荷载的强度和刚度,新建桥梁横断面如图1所示。

项目位于海域及滩涂,场地地基土自上而下主要有:杂填土、填砂、粉状粘土、中砂、残积砂质黏性土、全风化花岗石、砂砾状强风化花岗石、碎块状强风化花岗石、中风化花岗岩等组成。

2 新、旧桥梁工程相对位置关系

海域段新建桥桩基与原桥桥墩桩基最小桩中心距约为6.35m,最小桩净距约为4.85m;新建桥桩基与原桥承台最小净距约为4.35m。陆域段新建桥桩基与原桥墩桩基最小桩中心距约为4.8m,最小桩净距约为3.3m;新建桥桩基与原桥承台最小净距约为2.3m。承台开挖采取钢板桩方式,其基坑深约4.5m,基桩采用冲孔工艺施工。钢便桥基础基桩尺寸D630x10mm,与既有桥梁桥墩桩基最小距离约为12.3m,与承台最小距离约13m,钢便桥管桩拟使用钓鱼法进行,用履带吊配合振动锤振动下沉钢管桩。

拟建桥体施工顺序:先施工钢便桥,然后施作围堰进行基坑开挖,最后进行桥体下部结构的施工。

3 安全控制标准

3.1 主要参考标准

目前对桥梁变形的安全控制指标主要针对桥墩与梁体部分:桥墩变位一般是通过控制横向水平位移和梁端水平折角来实现的;梁体一般通过梁体横向变形控制。而沉降对桥梁墩柱和梁体变形均影响较大。目前墩台沉降值控制指标通常采用允许位移值进行控制,通常包含以下内容:(1)单墩允许最大沉降值;(2)顺桥向相邻桥墩间允许差异沉降值;(3)横桥向相邻桥墩间允许差异沉降值。这些控制指标在现行的市政道路设计规范中并没有提及,仅在《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)中对静定结构墩台在不同沉降形式的沉降限值上有规定:均匀沉降20～30mm,相邻墩台沉降差5～15mm。此外,在目前设计中沉降限值以经验取值为主,一般取跨径/3000(小跨径桥梁取5mm,中等跨径桥梁取10mm,大等跨径桥梁取20mm)。

3.2 结构安全控制指标

本次研究拟取既有桥梁墩台沉降值作为结构安全控制指标。该指标取值应根据相关规范要求,并结合运营状态下墩台沉降对桥梁结构受力的影响综合确定,有条件时还可对照结合桥梁现状监测结果进行复核。

按照本工程既有桥的设计图纸,采用桥梁博士软件对既有主桥40m+3×60m+40m五跨预应力混凝土刚构桥进行数值模拟,三维模型如图2所示。

图2 既有桥梁主桥刚构桥模型

以仅在一墩上分别施加5mm、8mm、10mm 的位移来模拟该桥出现相邻两墩存在不均匀沉降的情况。结构应力结果见表1。

表1 不均匀沉降下结构最大最小应力

分析结果显示,最大弯矩发生在产生沉降的墩柱位置,且在此处的杆端弯矩相对次边跨的影响也很明显。由此可见,相邻桥墩之间微量的不平衡沉降可以对既有桥梁在受力方面形成重要的负面影响[2]。既有桥梁主梁采用C50混凝土,受拉强度设计值ft=1.8MPa。不平衡沉降在8mm情况下,最大拉应力为1.08MPa,相对合理。结合规范建议及本案例的数值模拟,将不均匀沉降安全控制值控制在8mm,预警值控制在4mm较为合理。

4 有限元模型

4.1 关键节点的选择

新桥桥墩分为海域段桥墩和陆域段桥墩,根据新旧桥墩的布置形式、新桥桩的长度、土层条件和新旧桥桩间距,选取11#桥墩(海域段)进行分析。其中,新桥11#桥墩(海域段)和既有桥梁11#桥墩桩间最小距离为4.85m。

4.2 计算原则及材料参数

模型计算分析采用岩土工程三维有限元软件Midas GTS NX,计算原则如下:

(1)假定围岩各层都是各向同性连续介质,土体采用Modified Mohr-Coulomb模型,该模型可以考虑土体的压缩硬化与剪切硬化,并采用Mohr-Coulomb破坏准则。

(2)假定地表和各土层均成层均质水平分布。

(3)地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化。

(4)初始平衡按照将重力加速度加到模型上,由程序自动获得。

(5)本基坑土体渗透系数小,且设计方案未考虑井管降水措施,故不考虑地下水在开挖过程中的影响。

(6)计算建模时,对明挖基坑、既有桥梁结构范围及周边关心的部位加密网格剖分。

材料本构关系及其参数选取对数值计算有重要影响,一般通过相关实验确定。本次计算所有岩土材料的结构关系均采用修正莫尔库伦弹塑性本构模式,钢筋混凝土结构均采用各向同性线弹性模型。材料参数见表2、表3。

表2 岩土材料参数

表3 结构材料参数

4.3 计算模型的建立

(1)计算范围

有限元仿真分析需要人为划定模拟区域,为方便描述,首先给出计算模型中拟采用的坐标:以既有桥梁走向为X轴,与其走向的垂直方向为Y轴,竖直方向为Z轴(向上为正),模型尺寸统一为100m×100m×70m。

(2)单元选择

Midas GTS中提供直线单元、平面单元、实体单元等单元簇,每个单元簇又有细分,适合不同的情况。本次计算模型中钢板桩采用板单元模拟,钢支撑采用1D梁单元模拟,桩基、地层结构、桥梁墩柱及承台等采用实体单元模拟。

(3)网格划分

网格划分对计算精度有重要影响。一般来讲网格越细,结果越精确,也有利于计算收敛。但网格小到一定程度后,这两方面的优势就不再明显,反而会增加计算费用,延长计算时间。因此,综合考虑计算精度及计算时间,在模型重点关注区域可将网格划分的细一些,在非重点区,网格可划分粗一些。本模型地层单元25248个,旧桥单元1167个,新桥单元1759个,钢板桩单元188个,计算模型网格划分详见图3。

图3 新桥11#桥墩模型(海域段)

(4)荷载设置

模型中添加的荷载包括:已建单元的重力、海域段作用于围护结构的水压力、桩基成孔过程中的泥浆护壁压力、既有桥梁墩顶反力、新建桥体墩顶反力。

经已有资料和计算,获得所需的桩顶反力及墩顶反力,桩基成孔的泥浆护壁压力按照泥浆重度为13kN/m3计算,既有桥梁、新建桥体分别以大小2400kN/m2、2400kN/m2的均布力添加在其墩顶单元面。

(5)边界条件

根据计算模型范围,模型边界距离基坑已足够远,进行法向约束,即垂直X轴的前后二边界面假定X方向的位移为0,则UX=0;垂直Y轴的左右两个边界假设Y方向的位移为0,即UY=0;模型底部边界,假设X、Y、Z三个方向的位移都为0,即UX=0、UY=0、UZ=0。模型上部边界为自然边界,6个位移自由度都不约束。

(6)施工工序

为准确模拟拟建项目对既有桥梁结构的影响,本数值模型分析步设置如下:

a.工况1(地应力平衡):建立计算模型,利用地应力分析,得出拟建工程实施前模型研究区域内的地应力水平。本分析步骤要求在考虑重力荷载及既有桥梁墩顶反力等先期荷载的工况下,完成内力计算,计算完成后,软件自动平衡地层变形量,进行位移清零。

b.工况2(桩基成孔):钝化新建桥体的桩基单元,并激活泥浆护壁压力。

c.工况3(桩基浇筑):钝化泥浆护壁压力,激活新建桥体的桩基单元,并改变桩单元材料属性。

d.工况4(基坑开挖+围护):激活钢支撑、钢板桩,钝化开挖部分的网格单元。

e.工况5(新建桥体施工完成):激活新建桥体的桥墩、承台等,钝化钢支撑和钢板桩。

5 计算结果

新桥施工完成后,提取既有桥梁墩台及桩基的变形云图,结果见图4、图5。变形极值见表4。

表4 新桥施工完成后变形极值统计表

图4 新桥施工完成后既有桥梁墩台、桩基Y向位移云图

图5 新桥施工完成后既有桥梁墩台、桩基Z向位移云图

通过数值计算,可得如下结论:

考虑成桩效应下,对于既有桥梁的安全评估,最受关注的重点仍然是其横向的水平位移及竖向沉降。

新建桥体施工完成后,既有大桥11#墩(海域段)竖向最大位移为-2.0mm,顺桥向墩最大位移为0.1mm,横桥向墩最大位移为2.0mm;既有桥梁11#墩(海域段)桩基竖向最大位移为-1.9mm,顺桥向桩基最大位移为0.1mm,横桥向桩基最大位移为0.2mm。同时,根据实际桥墩检测数据表明:横桥向水平位移值1.5mm;竖直向位移值1.3mm,与数值模拟分析的结果相差无几,变形值较小,远未达到预警值,符合控制标准。

6 结论与建议

以某跨海大桥拼宽工程为背景,用岩土数值分析软件进行数值模拟,探讨了新建桥梁对既有桥梁桩基变形及内力的影响,得到结论如下:

结合规范建议及本案例的数值模拟,本工程案例的既有桥梁不均匀沉降安全控制值控制在8mm,预警值控制在4mm较为合理,可以为同类型跨径相当的桥梁提供参考。

在施工期间新建桥梁对既有桥梁墩台及桩基结构出现略微的沉降和水平位移,影响甚微。拼宽桥梁建成后,对既有大桥的墩台的沉降和水平位移有显著影响,但结构受力满足规范限值要求。

总体来看拼宽桥梁建设对既有桥梁存在一定影响,施工过程中合理安排工期,各墩台保持同步施工,可以避免施工进度不一导致既有桥各墩台不均匀沉降过大,从而保证安全运营。