李 毅

（廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510699）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，城市人口不斷增多，因而城市對(duì)交通設(shè)施建設(shè)的需求也在不斷地增加[1]。而地鐵作為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，因其在解決城市空間容量不足、交通擁堵、環(huán)境污染等問題上的優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛的關(guān)注，世界上各大城市都先后修建了地鐵。然而地鐵施工大多都在地下，地鐵施工引起的地面沉陷將有可能危及周圍建筑物的安全，因而地鐵施工對(duì)鄰近建筑物的影響研究已成為地鐵工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2-4]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)地鐵隧道施工對(duì)建筑物樁基承載力、樁基變形及受力狀態(tài)、樁土相互作用關(guān)系等方面進(jìn)行了研究[5-7]。國(guó)內(nèi)也有針對(duì)地鐵施工對(duì)鄰近建筑物的安全影響研究，提出安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法、安全管理的程序和內(nèi)容以及一般保護(hù)措施[8-15]。然而對(duì)于地鐵施工引起的不均勻沉降對(duì)橋梁病害影響的研究較少[16]。

本文針對(duì)地鐵施工對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的病害影響進(jìn)行了分析和研究。根據(jù)實(shí)際工程檢測(cè)，獲得地鐵施工過程中對(duì)其鄰近橋梁產(chǎn)生的不均勻沉降，通過Midas Civil有限元軟件建立不同沉降工況下的有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，地鐵施工導(dǎo)致的不均勻沉降是產(chǎn)生橋梁病害的主要原因之一，此外，地鐵施工引起的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致多跨連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)相鄰墩柱內(nèi)力增大。

1 工程概況

該橋第一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)，成橋后體系轉(zhuǎn)換為連續(xù)剛構(gòu)體系，為多次超靜定結(jié)構(gòu)。該橋跨布置為4×30 m的四跨連續(xù)T梁剛構(gòu)橋，斜交角65°，橋?qū)? m，橫向布置4片T梁，橋梁立面布置圖見圖1，地鐵穿越該互通匝道橋的鳥瞰圖如圖2所示。

圖1 橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 地鐵穿越橋梁鳥瞰圖

地鐵施工過程中，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果顯示，該匝道橋出現(xiàn)了較明顯的沉降，其中2號(hào)墩沉降3 mm、3號(hào)墩沉降19.7 mm、4號(hào)墩沉降3.4 mm，沉降差最大值為16.7 mm。此外，檢查發(fā)現(xiàn)1～3號(hào)墩墩頂兩側(cè)梁端腹板出現(xiàn)有斜向裂縫，個(gè)別裂縫最大寬度達(dá)0.25 mm且裂縫分布較為普及；4號(hào)墩左側(cè)柱底部出現(xiàn)1條長(zhǎng)度為48cm的豎向裂縫，最大寬度為0.2mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 模型參數(shù)

該橋主梁采用50號(hào)混凝土，墩柱采用30號(hào)混凝土，樁基采用25號(hào)混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.2 mm抗拉強(qiáng)度為1860 MPa的鋼鉸線，張拉控制應(yīng)力為1405 MPa。主梁結(jié)構(gòu)混凝土自重恒載取26 kN/m3，瀝青混凝土橋面鋪裝容重取24 kN/m3，防撞護(hù)欄重量按10 kN/m加載在邊梁，車道荷載為公路-I級(jí)，根據(jù)下部墩臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮支座沉降差效應(yīng)。

2.1.2 有限元模型

全橋有限元模型采用Midas Civil 2012建立，共有節(jié)點(diǎn)1222個(gè)，單元1708個(gè)，根據(jù)斜梁受力特點(diǎn)，上部結(jié)構(gòu)采用正交橫梁進(jìn)行梁格劃分，下部樁基按照m法根據(jù)實(shí)際地質(zhì)土層情況采用樁土點(diǎn)彈簧支承進(jìn)行模擬，具體有限元模型和邊界條件如圖3和圖4所示。

圖3 全橋有限元模型

圖4 上部梁格劃分示意圖

為了對(duì)比研究地鐵施工導(dǎo)致的沉降對(duì)橋梁病害的影響，模型考慮兩種工況，工況一按設(shè)計(jì)階段預(yù)計(jì)的沉降值5 mm考慮；工況二為按實(shí)際測(cè)量的沉降數(shù)據(jù)，考慮3號(hào)墩不均勻沉降16.7 mm，對(duì)比分析實(shí)際沉降與設(shè)計(jì)階段預(yù)計(jì)的沉降效應(yīng)差值。

2.2 結(jié)果分析

圖5為兩種工況下主梁截面下緣拉應(yīng)力對(duì)比圖。根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知，過大的沉降導(dǎo)致墩頂主梁截面應(yīng)力增大近一倍。

圖5 主梁截面下緣拉應(yīng)力對(duì)比(單位:MPa)

圖6為兩種工況下墩柱截面應(yīng)力對(duì)比圖。根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知，墩柱沉降過大會(huì)導(dǎo)致相鄰跨墩柱內(nèi)力增加。因而有必要對(duì)相鄰跨墩柱進(jìn)行加固措施，防止出現(xiàn)進(jìn)一步的病害。

圖6 墩柱截面應(yīng)力對(duì)比（單位：MPa）

表1匯總了不同作用效應(yīng)下3號(hào)墩頂中梁和邊梁截面下緣拉應(yīng)力值，根據(jù)表1的結(jié)果可知，促使主梁和墩柱開裂病害的主要原因有混凝土徐變、收縮、梯度溫度等，過大的沉降也是產(chǎn)生開裂病害的主要原因之一，且不均勻沉降對(duì)中梁和邊梁影響差異不大。過大的不均勻沉降使邊梁截面應(yīng)力增大0.947 MPa。

表1 3號(hào)墩頂中梁和邊梁截面下緣拉應(yīng)力值 MPa

3 結(jié)論

a）過大的沉降導(dǎo)致墩頂主梁截面應(yīng)力增大近一倍，且會(huì)導(dǎo)致相鄰跨墩柱內(nèi)力增加，因而有必要對(duì)相鄰跨墩柱采取加固措施，防止出現(xiàn)進(jìn)一步的病害。

b）上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)，成橋后體系轉(zhuǎn)換為連續(xù)剛構(gòu)體系，為多次超靜定結(jié)構(gòu)，徐變、溫度、沉降等作用會(huì)引起次效應(yīng)。徐變、梯度溫度、沉降等作用會(huì)在主梁支點(diǎn)附近截面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，是產(chǎn)生斜裂縫的主要因素。

c）通過各墩不均勻沉降差5 mm和3號(hào)墩不均勻沉降差16.7 mm兩種沉降工況對(duì)比分析可知，超限的沉降會(huì)對(duì)墩頂附近范圍的主梁拉應(yīng)力增加0.947 MPa。超限沉降是產(chǎn)生裂縫的因素之一。