天津市市政工程设计研究院 天津 300051
摘要：本文利用Midas GTS有限元计算软件，建立三维数值模型，对既有桥梁主跨间新航道开挖进行数值模拟分析。计算结果显示，桥梁主跨间新航道开挖完成后，土体大面积卸载，地层发生较大回弹变形，引起桥桩发生较大水平侧移，桩身水平弯矩随之增大，并且桩身最大弯矩发生的位置亦随之改变，新航道开挖对桥桩变形及内力均产生影响较大。
关键词：航道开挖；既有桥桩；数值模拟；桩身变形；桩身弯矩
1 工程概况
某高速主线桥于2004年设计施工，上跨京杭运河。主桥上部构造为三跨连续梁桥，配跨45+80+45m，双幅桥面宽2×16.75m，下部结构为墩柱接承台式基础，承台尺寸10.5×10.5×2.3m，设置9根直径1.5m钻孔灌注桩。
该高速桥设计初期预留三级航道通航净空，本次对航道进行升级改造。新开挖航道在原状地面开挖，需挖除桥梁主通航孔两侧土体，原状地面高程约为5.5~6m，航道底标高-2.6m，航道开挖深度8.1m~8.6m，开挖面宽64~70m。由于新开挖航道开挖方量较大，对主墩安全将产生一定影响。
2数值模型
采用有限元程序MIDAS GTS对主线桥主跨间新开挖航道对既有主墩变形和内力的影响进行数值模拟计算。
2.1材料参数
根据地质勘查报告及桥梁设计资料，场地地层及桥梁结构计算参数如表1所示。
表1 地层、桥桩以及围护结构参数
2.2 数值模型
根据场地条件及桥梁资料，建立三维数值模型。模型左右宽取50m，长度取230m，共划分938963个单元，171269个节点，如图2所示。
(a) 整体分析模型 (b)桩基与桥梁上部结构模型
图2 数值计算模型图
3 计算结果及分析
3.1 初始状态地层与桩基变形及内力值
按照前述开挖步骤设置，首先将初始地层应力及桥桩结构、桥梁上部结构单元激活，进行初始应力平衡计算，应力平衡后各部位变形及内力如图3所示。
水平位移 弯矩值 轴力值
图3 航道开挖前墩基变形与内力云图
从上图可以看出，初始应力平衡后，桥桩及墩台水平位移基本为零，桩身轴力最大约4096kN（位于桩底）；桩身最大弯矩发生在桩顶与墩台接触位置，最大约290 kN*m，其余部位桩身弯矩较小。
3.2 航道开挖完成后地层与桩基变形及内力值
在完成地层及桥梁单元激活并达到初始应力平衡后，进行航道开挖，钝化相关部位单元。航道基坑土体开挖完成后，各部位变形及内力如图4所示。
水平位移 弯矩值 轴力值
图4 航道开挖完成后墩基变形与内力云图
对比图3、图4，可以发现桩身产生较大水平移动，最大水平位移约10mm，发生在桩身中部附近。桥桩水平位移引起桩身弯矩发生改变，桩身最大最大弯矩为595kN*m，相比初始状态增加约305 kN*m，增幅为105%。桩身最大弯矩位置由桩顶移至桩身中部附近。同时，桩身轴力略微减小，最大轴力为3541kN，比初始状态减少555kN，减幅为13.5%。
4 结论
本文结合既有桥梁主跨间开挖新航道的工程背景，研究了新航道开挖对既有桥桩变形计内力影响。经数值模拟发现，桥梁主跨间新航道开挖完成后，土体大面积卸载，地层发生较大回弹变形。地层回弹引起桥桩发生较大水平侧移，桩身水平弯矩增大且最大弯矩位置发生改变，对桥桩受力影响较大。因此在桥桩设计时，如预期建成后地层条件发生改变，应在桥桩设计阶段对桩身配筋给予调整；或在桥跨间地层条件发生改变前，对桥桩加以保护，如在桥桩周围打设钢板桩或预制桩进行隔离，减小地层改变对桥梁桩基对影响。本文计算成果对既有桥桩周边地层条件改变时的桥桩防护具有参考意义。
参考文献
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作者简介
于祺 (1988.05--) 男，河南省周口市人，研究生，土木工程专业。
论文作者:于祺,李永波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/5
标签：桥桩论文; 弯矩论文; 航道论文; 地层论文; 桥梁论文; 内力论文; 数值论文; 《基层建设》2019年第5期论文;