摘要：本文以某高速铁路桥梁并行高铁及客运专线施工为背景，采用ABAQUS大型有限元软件建立数值分析模型、配设相关参数、进行施工模拟，分析施工对既有铁路桥梁基础的变形响应及桩基内力变化的影响，据此确定并提出预防措施，以规避施工风险确保运营安全。该文可为同类工程的数值仿真模拟和施工提供参考。
关键词：高速铁路；桥梁；桥梁施工；桩基；ABAQUS
随着我国高速铁路（简称：高铁）的快速建设，各种邻近高速铁路的建筑物施工项目逐渐增多，由于高速铁路对列车运行的平顺性要求很高，其施工必然会对高铁的正常运营产生影响，为了确保运行安全，需要在施工前正确预测、科学评估项目施工对既有高铁桥梁的影响程度，为施工方案的确定和实施提供技术支持。
1 工程概况
某高速铁路在高铁与客运专线两侧分为左、右两线，左线位于客运专线铁路上游侧，该区域高铁与客运专线采用32 m、24 m 简支梁，高铁J16 ～ J19 号墩、客运专线H16 ～ H19 号墩位于河道中。为减少对高铁桥梁的影响，高速铁路左右线分别采用86 m 及96 m 钢桁梁跨
越与高铁并行段。高铁与高速右线最小线间距为8.0 m，客运专线与高速左线最小线间距为10 m，高速右线箱梁外缘与高铁箱梁外缘最近距离为1.6 m，高速左线箱梁外缘与客专箱梁外缘最近距离为1.8 m，高速右线钢桁梁边缘与高铁梁体边缘最小距离为0.5 m，高速左线钢桁梁边缘与客专梁体边缘最小距离为1.2 m，高速铁路桥梁基本资料见表1 所示。
表1 高速铁路桥梁孔跨概况
高速桥梁工程的近距离桩基施工和荷载会造成周围土体的位移和应力变化，对周围土体和近旁已建成的铁路桥桩基产生不可忽视的扰动。高速铁路桥梁对线下结构物的变形和沉降要求非常严格，为确保高铁及客运专线的运营安全，必须将高速工程的施工及运营对高铁和客专桩基造成的影响进行科学、客观的分析评价。
2 数值模拟
ABAQUS 是基于有限元方法的工程模拟软件，它能够驾驭庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，对岩土工程具有较强的适用性，能解决岩土领域内诸多复杂问题。将基于ABAQUS 软件，采用合适的土体本构模型，建立地层- 结构三维有限元模型并模拟桩土相互作用，通过模拟实际高速铁路施工过程，得出本工程施工对高铁及客专桥梁桩基的实际影响。
2.1 有限元计算模型
对高速铁路左、右线施工过程进行数值模拟与分析，模拟时只建立桥墩及下部基础结构模型，将桥墩视为弹性体，有限元计算几何模型。计算过程中，采用摩尔库伦模型进行计算，模型中桥梁承台和桥墩采用线弹性的钢筋混凝土实体模拟，高铁桩基与新建桩基采用实体单元模拟；模型底部施加完全固定约束，在两侧施加竖直滑动约束，模型表面则取为自由边界；取X 方向为顺桥向方向、Y 方向为横桥向方向、Z 方向为竖向。考虑到各个高铁桥墩受到的施工影响大小不一致，我们选取受施工影响较大的J15/J16、J17/J18、J19/J20、H15/H16、H17/H18、H19/H20 为主要分析对象。
2.2 计算参数选取
2.2.1 荷载参数
桥梁梁体及上部荷载的作用通过在桥墩墩顶施加均布荷载来代替。桥墩墩顶荷载的大小可根据高铁、客专以及高速高架桥上部结构模型的计算结果进行选取。
2.2.2 材料参数
桥梁主要建筑材料：材料弹性模量及泊松比按铁路规范TB10002.3-2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》办理。
墩身：采用C35 混凝土。
承台、桩基础：采用C30 混凝土。
HRB335 钢筋：主要用于构件和主要受力钢筋。
HPB235 钢筋：主要用于箍筋及构造钢筋。
2.2.3 土层参数
根据地勘报告，本次计算模型所在区域各土层力学参数，计算过程中土体采用Mohr-
Coulomb 模型。桩基础与周边土体之间、围护结构与周边土体之间均建立硬接触模型，接触面上摩擦系数按照Randolph 和Wroth 提出的经验公式取值，即：μ=sinφ • cosφ/（1+sin2φ），其中，φ 为土体的摩擦角。
2.3 模拟计算
按照高速桥梁施工顺序，模拟计算分以下6 个步骤进行。
（1）地应力平衡；
（2）高铁及客专桩基施工与上部荷载施加；
（3）高速左线SBZ005、SBZ004、SBZ002 桩基施工；
（4）高速左线SBZ005、SBZ004、SBZ002 桩基顶部运营荷载施加；
（5）高速右线SBY024、SBY021、SBY020 桩基施工；
（6）高速右线SBY024、SBY021、SBY020 桩基顶部运营荷载施加。
3 计算结果分析
桩基施工会引起相邻桩基位移和内力变化。计算以不同施工步下高铁J15 ～ J20 以及客专H15 ～H20 桩基承台的4 个角点的顺桥向水平位移、横桥向水平位移、竖向位移和角桩轴力为目标，分析其在各施工阶段中的变化值。
3.1 桩基变形分析
高铁J15-J20 以及客专H15-H20 桩基承台的4个角点的顺桥向水平位移、横桥向水平位移和竖向位移最大值统计。可以得出，承台3个方向变形的最大值都未超过1 mm，最大的J19 竖向位移值为0.755 mm。
3.2 桩身轴力变化分析
根据不同工况条件下高铁以及客专受影响的桩基轴力变化统计。得出，变化最大的H16 墩的桩基，其轴力变化为35.20 kN。
4 结束语
（1）高速桥梁施工将会使邻近的高铁及客运专线桥梁的桩基础产生变形和轴力变化，最大位移值不大于1 mm，最大轴力变化值不小于35 kN，均在相关规范的容许范围内，对既有高铁桥梁的运营影响较小，总体桥梁布置形式合理。
（2）在工程施工的过程中都应对高铁和客专的变形加强监测，尽量减小对高铁和客专基础的不利影响，确保高铁的运营安全。设立监测预警系统，制定紧急情况处理方案，对超过变形控制值及变形突变的情况，应停止施工、查找分析原因、采取相应措施，并启动应急处理方案。
（3）由于工程场地地质性质较差，含有淤泥质粉质黏土等高压缩性土，为避免施工期间对场地产生堆载效应，禁止重型车辆靠近施工现场，严禁在现场堆土，渣土应随出随运。
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论文作者:田德文
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/21
标签：桩基论文; 高铁论文; 桥梁论文; 高速铁路论文; 位移论文; 荷载论文; 模型论文; 《建筑模拟》2018年第2期论文;