1工程概述

京滬高速鐵路秦淮河特大橋位于南京市江寧區(qū)境內(nèi)，橋址處地勢(shì)平坦，上部土層為洪積層，地質(zhì)條件較差，下覆泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖。擬建寶善寺路為城市次干道，于京滬高鐵167號(hào)～169號(hào)墩之間分雙幅下穿，公路橋與鐵路橋夾角為65°，橋上凈空近9m，橋面與鐵路橋墩最近距離約2．1m。下穿處高鐵橋梁為32m+24m簡(jiǎn)支箱梁，橋墩采用矩形雙柱實(shí)體墩，樁基為10-1．0m鉆孔樁，樁長(zhǎng)19．5m～21．0m。工程平面布置如圖1所示，橋址區(qū)地層分布如圖2所示。擬采用簡(jiǎn)支梁橋和樁板梁橋兩種公路橋梁方案下穿高鐵，本文通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)比分析確定較優(yōu)方案。

2有限元計(jì)算模型

本文有限元計(jì)算通過(guò)商業(yè)有限元軟件Plaxis3D實(shí)現(xiàn)，該軟件已成功的應(yīng)用于許多巖土工程中［2，3］，軟件采用的土體硬化模型由Schanz和Vermeer［4］于20世紀(jì)90年代提出，是一個(gè)硬化塑性本構(gòu)模型，其應(yīng)力應(yīng)變曲線符合Duncan-Chang雙曲線關(guān)系，遵循Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

2．1有限元模型的建立

2．1．1簡(jiǎn)支梁橋方案采用三跨20m+30m+20m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁，橋墩采用樁柱式，樁基為單排1．2m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(面積等效為邊長(zhǎng)1．06m的正方形樁)。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立有限元模型，采用10節(jié)點(diǎn)六面體等參單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，整體網(wǎng)格模型如圖3所示(僅考慮了距高鐵橋梁30m內(nèi)的道路橋梁施工對(duì)高鐵的影響)。土體采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為土體硬化模型(HardeningSoilModel);橋墩和承臺(tái)也用實(shí)體單元模擬，為線彈性本構(gòu)模型;高鐵樁基用嵌入樁單元模擬。將高鐵橋梁上部荷載換算成均布荷載后，作用在橋墩的墩頂。模型四周側(cè)面及底部均施加法向約束，模型頂面自由無(wú)約束，采用笛卡爾坐標(biāo)系，高鐵縱向?yàn)閅軸(指向大里程為正)，鉛直向上為Z軸正方向，X軸按右手定則確定。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，巖土材料選取的有限元計(jì)算參數(shù)如表1所示，混凝土材料的彈性模量取31．5GPa，泊松比為0．2，重度為25．0kN/m3。2．1．2樁板梁橋方案采用六跨(2×10+2×12+2×10)m樁板連續(xù)梁，橋墩采用樁柱式，樁基采用1．0m鉆孔灌注樁(面積等效為邊長(zhǎng)0．89m的正方形樁)。有限元模型參數(shù)設(shè)定與簡(jiǎn)支梁橋相同，整體網(wǎng)格模型如圖4所示。

2．2計(jì)算方案

依據(jù)道路修建的施工工序，模擬計(jì)算的主要工況包括:鉆孔灌注樁鉆孔、鉆孔灌注樁澆筑、灌注樁全部施工完成、施加梁體及運(yùn)營(yíng)荷載。鉆孔灌注樁鉆孔模擬通過(guò)單元“生死”實(shí)現(xiàn)，把需要開(kāi)挖的單元“殺死”，即把相應(yīng)單元的剛度矩陣設(shè)置為一很小數(shù)值，并在孔周施加與泥漿護(hù)壁壓力相當(dāng)?shù)姆植己奢d來(lái)維持孔壁穩(wěn)定。鉆孔灌注樁澆筑過(guò)程把“殺死”的樁體單元激活并賦予新的材料。模擬鉆孔灌注樁施工時(shí)，僅考慮了對(duì)高鐵橋墩橫向位移最不利的工況，即先把高鐵橋梁一側(cè)鉆孔灌注樁全部鉆孔完成，然后進(jìn)行同時(shí)澆筑。梁體荷載根據(jù)實(shí)際梁體幾何尺寸計(jì)算得到，運(yùn)營(yíng)荷載考慮為均勻分布在橋面的靜荷載，大小為15kPa。

3結(jié)果與分析

以高鐵橋墩墩頂位移和樁基變形為研究對(duì)象，比較兩種公路橋梁方案對(duì)高鐵橋墩樁基的擾動(dòng)程度，并進(jìn)行結(jié)果分析和影響評(píng)估。簡(jiǎn)支梁橋方案的計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示(圖例中:ZK表示鉆孔灌注樁鉆孔、JZ表示鉆孔灌注澆筑、GZ表示灌注樁全部施工完成、LT表示施加梁體及運(yùn)營(yíng)荷載)，這里只給出了中間墩(168號(hào)墩)和距離道路橋梁較近的邊墩(169號(hào)墩)的變形情況。從圖6中可知，道路修建過(guò)程中高鐵樁基的最大橫橋向變形為0．38mm(168號(hào)墩)，最大順橋向變形為0．41mm(169號(hào)墩)。對(duì)于168號(hào)墩，道路橋梁施工過(guò)程中，對(duì)其橫橋向變形影響較大，造成影響最大的工況為一側(cè)鉆孔灌注樁鉆孔，后續(xù)工況會(huì)逐漸使這部分變形減小。因此，控制168號(hào)墩變形可從控制鉆孔灌注樁施工順序著手，盡量采取高鐵橋梁兩側(cè)對(duì)稱(chēng)鉆孔的施工方法。而對(duì)于邊墩(169號(hào)墩)，道路橋梁施工工程中，其橫橋向變形變化不大，順橋向變形逐漸增大，但計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮高鐵橋梁梁體順橋向的支撐作用，計(jì)算結(jié)果偏保守。樁板梁橋方案道路橋梁施工過(guò)程中，高鐵樁基的變形規(guī)律與簡(jiǎn)支梁方案基本類(lèi)似，但道路修建過(guò)程中高鐵樁基的最大橫橋向變形為0．37mm(169號(hào)墩)，最大順橋向變形為0．64mm(169號(hào)墩)。樁板梁橋方案樁基的橫橋向變形與簡(jiǎn)支梁橋方案相近，但順橋向變形為簡(jiǎn)支梁橋方案的1．56倍;兩方案高鐵橋墩墩頂?shù)淖畲笞冃螌?duì)比如圖7所示，可知，樁板梁橋方案高鐵橋墩墩頂變形均大于簡(jiǎn)支梁橋;而且簡(jiǎn)支梁橋可進(jìn)行預(yù)制架設(shè)，而樁板梁橋需現(xiàn)場(chǎng)澆制，且高鐵橋下有鉆樁作業(yè)。因此，本工程采用簡(jiǎn)支梁橋方案更有利于保障高鐵橋梁安全。

4結(jié)語(yǔ)

以寶善寺路下穿京滬高鐵工程為背景，應(yīng)用有限元法對(duì)比分析了簡(jiǎn)支梁橋方案和樁板梁橋方案對(duì)高鐵橋梁的影響，結(jié)果表明:三維有限元全過(guò)程動(dòng)態(tài)分析是評(píng)估新建道路下穿高鐵工程對(duì)高鐵橋梁影響大小的有效途徑;簡(jiǎn)支梁橋方案和樁板梁橋方案中，高鐵橋墩樁基和墩頂?shù)淖冃危鶟M足TB10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)中的規(guī)定［1］，但簡(jiǎn)支梁橋方案高鐵橋墩變形相對(duì)較小，且不需在高鐵橋下進(jìn)行鉆孔作業(yè)，更利于保障高鐵橋梁安全。