仝 煒, 劉 輝, 丁 潮

(昆山市軌道交通投資發(fā)展有限公司，215300，昆山//第一作者，工程師)

上海軌道交通11號(hào)線北段工程(花橋段)(安亭站—花橋站)施工范圍東起11號(hào)線北段支線終點(diǎn)站安亭站，西至花橋巷浦路。跨越的道路主要有曹安公路、兆豐路、漕新路、同三國(guó)道、滬寧高速公路、曹浦路、梅浦路、徐公橋路、規(guī)劃縱六路—規(guī)劃縱一路和沿滬大道等。本項(xiàng)目線路全長(zhǎng)約6 km，全線為高架，共設(shè)高架車站3座，分別為兆豐路站、光明路站、花橋站。最大站間距3.3 km，最小站間距1.1 km，平均站間距1.9 km。上海軌道交通11號(hào)線北段工程是上海市與江蘇省打破行政區(qū)劃限制的一次全新嘗試。隨著城市軌道交通的發(fā)展，上海軌道交通11號(hào)線北段工程還將連接規(guī)劃中的蘇州市域軌道交通S1線，最終連接蘇州、昆山、上海，對(duì)于促進(jìn)滬蘇兩地經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重大的意義。

昆山市的軟土廣泛分布，且厚度不均，昆山市地基土主要由典型軟土構(gòu)成。上海軌道交通11號(hào)線北段工程沿線區(qū)間高架上部結(jié)構(gòu)形式主要包括簡(jiǎn)支蝶形預(yù)制組合小箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁以及鋼-混凝土疊合梁；下部結(jié)構(gòu)則采用鋼筋混凝土橋墩、φ800 mm鉆孔灌注樁、φ1 200 mm鉆孔灌注樁以及φ600 mm PHC樁。

深厚軟土地基中的道路橋梁樁基礎(chǔ)，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)情況下，會(huì)有相當(dāng)量值的沉降發(fā)生。樁基礎(chǔ)的沉降表現(xiàn)是樁體、承臺(tái)及樁周圍土體之間力的傳遞及相互作用的綜合結(jié)果。對(duì)于一座長(zhǎng)大的高架線路橋，各個(gè)樁基的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、所處地基土條件及施工情況有差別是普遍存在的，因此各個(gè)樁基的沉降表現(xiàn)也不會(huì)完全相同，各個(gè)橋墩的沉降會(huì)有差異。軌道交通橋梁樁基之間的差異沉降會(huì)引起橋軌面的不平順，樁基間發(fā)生過(guò)量的差異沉降時(shí)，橋軌面的不平順調(diào)整會(huì)變得非常困難，常難以恢復(fù)軌面的設(shè)計(jì)狀態(tài)，因此保持軌面平順性是城市軌道交通軌道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此，研究軟土地基上長(zhǎng)大高架道路橋樁基礎(chǔ)沉降及差異沉降對(duì)橋軌面平順性的影響具有重要意義。

上海軌道交通11號(hào)線花橋段高架橋梁結(jié)構(gòu)有多種形式，在一般路段、跨兆豐路處、跨曹新路曹安公路處、上跨同三國(guó)道處、上跨滬寧高速處、上跨梅浦河處、上跨徐公河處、上跨徐公橋路處、上跨縱二路處的結(jié)構(gòu)形式都不一樣。利用ABAQUS有限元模擬軟件[1-8]建立不同的高架橋梁模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析橋墩沉降與軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線路變化相互映射關(guān)系[9-10]。本文選取一般路段、上跨同三國(guó)道處和上跨滬寧高速處高架橋梁結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1 一般路段高架橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算

在一般路段，區(qū)間高架上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支雙線蝶形預(yù)制組合小箱梁，選取兆豐路站—安亭站中SDK0+388.000—SDK0+498.000段進(jìn)行分析。將施工期結(jié)束后橋墩的豎直沉降作為外部邊界條件施加到軌道-橋梁耦合模型上，分析重力影響下軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及軌道線路變化。本文中施工期結(jié)束后橋墩的垂直沉降為鋼軌鋪設(shè)完畢一星期至運(yùn)營(yíng)期開(kāi)始前的數(shù)據(jù)，是由昆山軌道交通公司監(jiān)測(cè)部門(mén)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)。該段線路5個(gè)橋墩的沉降分別為0.38 mm(S15)、0.96 mm(S16)、0.89 mm(S17)、0.28 mm(S18)、0.54 mm(S19)，相鄰橋墩沉降量之差最大為0.61 mm。一般路段高架橋梁結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分[13-17]如圖1所示，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 一般路段高架橋梁結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

橋跨結(jié)構(gòu)與橋墩之間的接觸采用硬摩擦，法向的行為模型采用硬(hard)接觸，主控面(master surface)選擇為橋跨結(jié)構(gòu)面，從屬面(slave surface)選擇為橋墩面，切向的行為模型采用摩擦模型模擬，選用罰剛度算法(Penalty)，允許彈性滑移變形，其中摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為0.8。橋跨結(jié)構(gòu)與道床之間的接觸采用硬摩擦，法向的行為模型采用硬接觸，主控面選擇為橋跨結(jié)構(gòu)面，從屬面選擇為道床面，切向的行為模型采用摩擦模型模擬，選用罰剛度算法，允許彈性滑移變形，其中摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為0.8。道床與鋼軌之間的連接采用彈性連接，對(duì)于連接鋼軌和道床的扣件系統(tǒng)，考慮其彈性的恢復(fù)性能及對(duì)動(dòng)力的緩沖作用，模擬為彈簧-阻尼單元；扣件間距為0.595 m，其橫向、垂向、縱向的等效剛度分別為37.5 kN/mm、25.0 kN/mm和37.5 kN/mm，其橫向、垂向、縱向的阻尼系數(shù)分別為30.0 kN/(m/s)、37.5 kN/(m/s)和30.0 kN/(m/s)。

表1 一般路段高架橋梁結(jié)構(gòu)模型參數(shù)表

該路段高架橋梁整體結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 一般路段高架橋梁整體結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖

由圖2可知，橋墩整體受壓力，且沉降量較大的橋墩壓應(yīng)力更大，橋墩下端的壓應(yīng)力較大而上端的壓應(yīng)力相對(duì)較小[18-19]。例如：S15下端的壓應(yīng)力為0.85 MPa，上端的壓應(yīng)力為0.37 MPa；S17下端的壓應(yīng)力為1.3 MPa，上端的壓應(yīng)力為0.61 MPa。橋跨結(jié)構(gòu)大部分受壓力，局部受拉力，橋跨結(jié)構(gòu)在和橋墩接觸的地方拉應(yīng)力較大，最大達(dá)到0.35 MPa。提取道床上端面中間一條線上所有點(diǎn)位的豎向應(yīng)力數(shù)據(jù)，道床豎向應(yīng)力隨著里程的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，S15處道床的壓應(yīng)力為0.1 MPa，S16處道床的壓應(yīng)力為0.1 MPa，S17處道床的壓應(yīng)力為0.12 MPa，S18處道床的壓應(yīng)力為0.13 MPa，S19處道床的壓應(yīng)力為0.06 MPa。橋跨結(jié)構(gòu)跨中的道床豎向壓應(yīng)力為0.005 MPa左右。

圖3 一般路段道床豎向應(yīng)力隨里程變化曲線圖

提取鋼軌上端面中間的一條線上所有點(diǎn)位的豎向應(yīng)力數(shù)據(jù)，鋼軌豎向應(yīng)力隨著里程的變化情況如下圖4所示。

圖4 一般路段鋼軌豎向應(yīng)力隨里程變化曲線圖

由圖4可知，S15處鋼軌的拉應(yīng)力為0.009 MPa，S16處鋼軌的拉應(yīng)力為0.011 MPa，S17處鋼軌的拉應(yīng)力為0.014 MPa，S18處鋼軌的拉應(yīng)力為0.016 MPa，S19處鋼軌的拉應(yīng)力為0.005 MPa。橋跨結(jié)構(gòu)兩跨之間的鋼軌的豎向壓應(yīng)力為0.005 MPa。

圖5 一般路段整體結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

該路段高架橋梁結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖如圖5所示。由圖5不難發(fā)現(xiàn)，由于橋墩基礎(chǔ)的不均勻沉降，軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的不平順，橋跨結(jié)構(gòu)、道床、鋼軌的豎向彎曲變形類似于正弦曲線。橋墩處橋跨結(jié)構(gòu)的豎向變形相對(duì)較小，跨中豎向變形相對(duì)較大，橋跨結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在第二跨。

提取道床正下方中間橋面一條線上所有點(diǎn)位豎向變形數(shù)據(jù)，豎向變形隨著里程的變化曲線圖如圖6所示。由圖6可知，橋面的最大豎向變形為1.75 mm，發(fā)生在第二跨。

圖6 一般路段橋面豎向變形隨里程變化曲線圖

2 上跨同三國(guó)道處高架橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算

上跨同三國(guó)道高速處位于兆豐路站—光明路站區(qū)間，高架橋上部結(jié)構(gòu)采用41.5 m+68.5 m+41.5 m變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。仍然將施工期結(jié)束后橋墩的豎直沉降作為外部邊界條件施加到軌道-橋梁耦合模型上，分析重力影響下軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及軌道線路變化，4個(gè)橋墩的沉降分別為2.255 mm(S21)、1.35 mm(S22)、2.2 mm(S23)、1.04 mm(S24)，相鄰橋墩沉降量之差最大為1.16 mm。上跨同三國(guó)道處高架橋梁結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分如圖7所示，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 上跨同三國(guó)道處高架橋梁結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

該路段高架橋梁整體結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力云圖如圖8所示。

由圖8可知，橋墩整體受壓力，且沉降量較大的橋墩的壓應(yīng)力更大。橋跨結(jié)構(gòu)有些部分受壓力，有些部分受拉力，橋跨結(jié)構(gòu)和橋墩接觸的地方橋跨結(jié)構(gòu)受壓力。提取道床上端面中間的一條線上的所有點(diǎn)位的豎向應(yīng)力數(shù)值，道床豎向應(yīng)力隨著里程的變化情況如圖9所示。

圖8 上跨同三國(guó)道處高架橋梁整體結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖

圖9 上跨同三國(guó)道處道床豎向應(yīng)力隨里程變化曲線圖

由圖9可知，S21處道床的壓應(yīng)力為0.183 MPa，S22處道床的壓應(yīng)力為0.136 MPa，S23處道床的壓應(yīng)力為0.128 MPa，S24處道床的壓應(yīng)力為0.300 MPa。橋跨結(jié)構(gòu)跨中的道床豎向壓應(yīng)力在0.010 MPa左右波動(dòng)。

提取鋼軌上端面中間的一條線上的所有點(diǎn)位豎向應(yīng)力數(shù)值，鋼軌豎向應(yīng)力隨著里程的變化情況如圖10所示。

由圖10可知，S21處鋼軌的拉應(yīng)力為0.06 MPa，S22處鋼軌的拉應(yīng)力為0.08 MPa，S23處鋼軌的拉應(yīng)力為0.07 MPa，S24處鋼軌的拉應(yīng)力為0.095 MPa。橋跨結(jié)構(gòu)跨中的鋼軌壓應(yīng)力在0.01 MPa左右波動(dòng)。

圖10 鋼軌豎向應(yīng)力隨里程變化曲線圖

該路段高架橋梁結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖如圖11所示。

圖11 上跨同三國(guó)道處整體結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

由圖11不難發(fā)現(xiàn)，由于橋墩基礎(chǔ)的不均勻沉降，軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的不平順，橋跨結(jié)構(gòu)、道床、鋼軌的豎向彎曲變形類似于正弦曲線。橋跨結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在第二跨，原因是跨徑較大。

提取道床正下方中間橋面的一條線上的所有點(diǎn)位豎向變形數(shù)值，橋面豎向變形隨著里程的變化情況如圖12所示。

由圖12可知，橋墩處的橋跨結(jié)構(gòu)的變形都比較小，S23處橋面的豎向變形為2.9 mm，S24處橋面的變形為1.5 mm。橋面的最大變形量為4.8 mm。

圖12 上跨同三國(guó)道處橋面豎向變形隨里程變化曲線圖

3 上跨滬寧高速處高架橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算

上跨滬寧高速處位于兆豐路站—光明路站區(qū)間SDK2+054.000—SDK2+334.000段，采用一跨跨越的布跨方式。跨徑布置為75.5 m+129 m+75.5 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用大跨徑預(yù)應(yīng)力變高度連續(xù)箱梁。將施工期結(jié)束后橋墩的豎直沉降作為外部邊界條件施加到軌道-橋梁耦合模型上，分析重力影響下軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及軌道線路變化，4個(gè)橋墩的沉降分別為12.980 mm(S33)、10.110 mm(S34)、7.595 mm(S35)、8.575 mm(S36)，相鄰橋墩沉降量之差最大為2.87 mm。該路段模型及網(wǎng)格劃分如圖13所示，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖13 上跨滬寧高速處高架橋梁結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

該路段高架橋梁整體結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力云圖如圖14所示。

圖14 上跨滬寧高速處高架橋梁整體結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖

由圖14可知，橋墩整體受壓力，S34、S35橋墩的壓應(yīng)力較大。橋跨結(jié)構(gòu)有些部分受壓力，有些部分受拉力，橋跨結(jié)構(gòu)和橋墩接觸的地方橋跨結(jié)構(gòu)受壓力。

提取道床上端面中間一條線上所有點(diǎn)位的豎向應(yīng)力數(shù)值，道床豎向應(yīng)力隨著里程的變化情況如圖15所示。

圖15 上跨滬寧高速處道床豎向應(yīng)力隨里程變化曲線圖

由圖15可知，S33處道床的壓應(yīng)力為0.38 MPa，S34處道床的壓應(yīng)力為0.22 MPa，S35處道床的壓應(yīng)力為0.23 MPa，S36處道床的壓應(yīng)力為0.45 MPa。橋跨結(jié)構(gòu)兩跨之間的道床豎向拉應(yīng)力在0.05 MPa左右波動(dòng)。

提取鋼軌上端面中間一條線上所有點(diǎn)位的豎向應(yīng)力數(shù)值，鋼軌豎向應(yīng)力隨著里程的變化情況如圖16所示。

由圖16可知，S33處鋼軌的拉應(yīng)力為0.280 MPa，S34處鋼軌的拉應(yīng)力為0.160 MPa，S35處鋼軌的拉應(yīng)力為0.16 MPa，S36處鋼軌的拉應(yīng)力為0.332 MPa。橋跨結(jié)構(gòu)跨中的鋼軌壓應(yīng)力在0.05 MPa左右波動(dòng)。

圖16 上跨滬寧高速處鋼軌豎向應(yīng)力隨里程變化曲線圖

該路段高架橋梁整體結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖如圖17所示。

圖17 上跨滬寧高速處高架橋梁整體結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

由圖17不難發(fā)現(xiàn)，由于橋墩基礎(chǔ)的不均勻沉降，軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的不平順，橋跨結(jié)構(gòu)、道床、鋼軌的豎向彎曲變形類似于正弦曲線。橋跨結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在第二跨，原因是其跨徑很大，跨徑為129 m。

提取道床正下方中間橋面的一條線上的所有點(diǎn)位的豎向變形數(shù)值，橋面豎向變形隨著里程的變化情況如圖18所示。

從圖18可以看到，橋墩處的橋面的豎向變形相對(duì)比較小，S33處橋面的變形為13.6 mm，S36處橋面的變形為9.4 mm。橋面的最大變形量為17.85 mm。

圖18 上跨滬寧高速處橋面豎向變形隨里程變化曲線圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，相鄰橋墩的沉降量之差最大為2.87 mm，發(fā)生上跨滬寧高速處的跨中；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橋跨結(jié)構(gòu)橋面的最大變形為17.85 mm，發(fā)生在上跨滬寧高速處的跨中。根據(jù)《上海市城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]要求，墩臺(tái)工后總沉降量不能超過(guò)50 mm，而監(jiān)測(cè)得到工后立柱的最大沉降量為17.52 mm，滿足規(guī)范要求。《上海市城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》同時(shí)指出，相鄰墩臺(tái)均勻沉降量之差不得超過(guò)20 mm，而監(jiān)測(cè)得到的上海軌道交通11號(hào)線花橋段相鄰橋墩的沉降量之差最大值僅為2.87 mm，滿足規(guī)范要求。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[21](《上海市城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》 中指出，在本設(shè)計(jì)規(guī)范中針對(duì)橋面工后沉降變形量并沒(méi)有作出明確的規(guī)定，均參照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定)要求，橋面工后沉降變形量不得超過(guò)40 mm，而計(jì)算結(jié)果表明上海軌道交通11號(hào)線花橋段工后橋面的最大變形量為17.85 mm，亦滿足規(guī)范要求。

綜上所述，上海軌道交通11號(hào)線花橋段基礎(chǔ)沉降對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范限值要求，在此軌道結(jié)構(gòu)下行車是安全的。

4 結(jié)語(yǔ)

利用ABAQUS有限元模擬軟件重點(diǎn)針對(duì)上海軌道交通11號(hào)線花橋段的一般路段、上跨同三國(guó)道處、跨滬寧高速處建立模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬基礎(chǔ)沉降對(duì)軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及軌道線路變化的影響。計(jì)算結(jié)果表明基礎(chǔ)沉降引起道床主要受壓力、鋼軌主要受拉力、橋墩處的橋跨結(jié)構(gòu)橋面豎向變形相對(duì)比較小，而跨中橋面豎向變形比較大。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，相鄰橋墩的沉降量之差最大為2.87 mm，工后立柱的最大沉降量為17.52 mm；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橋跨結(jié)構(gòu)橋面的最大豎向變形為17.85 mm。這表明，上海軌道交通11號(hào)線花橋段基礎(chǔ)沉降對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范限值要求，在此軌道結(jié)構(gòu)下行車是安全的。