桩板结构下穿既有铁路桥梁的安全性影响分析-中国期刊网

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（整期优先）网络出版时间：2023-10-09

作者: 刘金鑫

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桩板结构下穿既有铁路桥梁的安全性影响分析

刘金鑫

中国铁路设计集团有限公司，天津 300142

摘要：以河北唐山市某桩板结构下穿既有铁路桥梁工程为背景，运用MIDAS/CIVIL、GTSNX软件分析桩板结构建设全过程以及运营阶段对既有铁路桥梁的影响，并对地震作用下桩板结构的承载能力进行分析，确保铁路桥梁安全。分析结果表明：桩板结构下穿既有铁路桥梁方案安全可靠，能够满足相关规范对铁路桥墩位移的限值要求；七度震区桩板结构的桩基抗剪较为不利，需要补充抗剪措施。

关键词：桩板结构、安全评估、桥梁抗震、铁路桥梁

1工程概况

1.1 新建桩板设计情况

桩板跨径布置16+（2×18+14+2×18）+16m，下部采用钻孔灌注桩，桩基布置形式为单排三桩，桩间距4.10m，桩基直径为1.2m。项目所在场地抗震设防烈度为7度，对应的Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度为0.10g，基本地震加速度反应谱特征周期为0.40s。

1.2 既有铁路桥梁情况

石济客专德平特大桥上部结构为32米简支箱梁，下部为圆端型桥墩、群桩基础。桩板左幅下穿德平特大桥498#~499#墩；右幅下穿497#~498#墩。

京沪高铁德禹特大桥上部结构为32米简支箱梁，圆端型桥墩，群桩基础。桩板左幅下穿德禹特大桥D54#~D55#墩；右幅下穿D53#~D54#墩。

2 铁路桥梁安全分析

2.1 模型概述

采用MIDAS/GTSNX建立三维模型，高速铁路影响区范围为距离高铁桥梁变形61m范围，计算土体平面尺寸取300m×240m，消除了计算边界效应的影响。模型顶面取为自由边界，底面采用三向约束，其它面均采用法向约束。计算模型如下图所示。

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图 2-1 模型整体示意图

2.2 模型各部件模拟

（1）地基土模拟

模型中土体本构采用修正摩尔-库伦模型，桩基采用梁单元，其他结构采用3D实体单元，上部结构均以荷载形式加载在墩顶，土体边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。模拟土体的初始应力场时需清除有限元模型的位移场，保留初始应力场：


图 2-2 原地基土模拟	图 2-3 原地基土初始位移场清零

（2）既有铁路桥模拟

表 2-1 铁路桥结构参数表

结构	重度(kN/m3)	弹性模量（×104MPa）
桥墩	26	3.40
承台	26	3.40
桩基	26	3.40

图 2-4 既有铁路桥墩、桩基础有限元网格划分

（3）施工工序模拟

根据工程拟采用的施工步骤，将本工程的施工过程分为如下：

表 2-2 安全评估施工阶段及内容

序号	阶段名称	内容
1	平衡地应力	激活原状地基土，施加边界条件，清除土体位移场；
2	既有铁路桥施工	激活既有铁路桥梁结构，位移清零；
3	基坑开挖、换填换填	钝化开挖土体，激活换填轻质泡沫混凝土部分；
4	桩板结构桩基施工	激活桩板结构桩基部分；
5	盖梁浇筑	激活桩板结构盖梁浇筑荷载；
6	桥面板浇筑成桥	激活桩板结构桥面板荷载；
7	运营阶段	激活桩板结构运营荷载；

2.3 铁路桥墩顶变形分析

最不利位置位于德平特大桥499#桥墩，结果如下：

表 2-3 499#桥墩附加变形汇总表（mm）

施工阶段	499#桥墩附加变形汇总表
施工阶段	竖向位移(mm)	差异沉降量（499#~498#）（mm）	墩顶顺桥向位移（mm）	墩顶横桥向位移（mm）
初始状态	0.000	0.000	0.000	0.000
基坑开挖、换填施工	0.028	-0.028	-0.024	0.043
桩基施工	-0.007	0.002	0.040	0.050
盖梁浇筑	-0.214	0.142	0.321	0.074
桥面板现浇成桥	-0.516	0.451	0.865	0.104
运营阶段	-0.739	0.663	1.225	0.092

图 2-5 499#桥墩附加竖向位移时程曲线（单位：mm）

图 2-6 499#桥墩附加顺桥向变形时程曲线（单位：mm）

图 2-7 499#桥墩附加横桥向变形时程曲线（单位：mm）

表 2-4 499#桥墩附加变形统计表（mm）

	竖向位移（mm）	差异沉降量（499#~498#）（mm）	墩顶顺桥向位移（mm）	墩顶横桥向位移（mm）
施工过程	-0.739 ~0.028	-0.028 ~ 0.663	-0.024 ~ 1.225	0.043 ~ 0.104
变形最大值	-0.739	0.663	1.225	0.104
规范限值	3	3	3	3
是否满足	是	是	是	是

表 2-5 叠加初始值后499#桥墩总变形统计表（mm）

	相邻墩总差异沉降（499#~498#）（mm）
实际监测初始值	-2.944
施工、运营过程变形最不利附加值	-0.028
叠加总变形值	-2.972
规范限值	15
是否满足	是

以上结果满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB10182-2017)、及《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）等对变形的相关要求。

3 桩板结构地震分析

3.1 抗震计算模型

采用Midas/Civil建立全桥模型，主梁划分275个节点，240个单元，桩基划分为622个节点，584个单元，如下图。桩土作用通过土弹簧进行模拟，考虑2.5倍放大系数。将二期荷载转化为质量，考虑此部分引起的地震作用效应。

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图3-1 抗震计算模型

3.2计算结果

弯矩和轴力最不利组合为横桥向弯矩3174.2kN·m；轴力1039.1kN；剪力最不利值为横桥向剪力2572.8kN。

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图表3-2顺桥向弯矩（kN·m）	图表3-3横桥向弯矩（kN·m）
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图表3-4顺桥向剪力kN		图表3-5横桥向剪力kN