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        Abaqus在公路建設安全評估中的應用

        2020-05-18 09:39:02楊德忠
        黑龍江交通科技 2020年4期

        楊德忠

        (黔南州交通建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督處,貴州 都勻 558000)

        0 引 言

        隨著國家交通強國的戰(zhàn)略部署,貴州省作為首批交通強國的示范點,將再次迎來路網(wǎng)的加密,公路與公路、公路與鐵路等相互交織的建設將極為常見,在與已建通車,尤其是鐵路,不論是上跨還是下穿,施工都會對已投入運營的橋梁或隧道產(chǎn)生一定的相互影響,而這種影響是否是在安全范圍內(nèi)就顯得極為重要。Abaqus作為一款功能強大、非線性處理能力強、具有豐富的單元庫和材料模型庫及良好的開放性的通用分析軟件,能解決工程中出現(xiàn)的復雜、困難問題。本文針對G210國道旁擬建水庫對其橋墩的工程安全影響,應用Abaqus軟件進行直觀、定量分析,為工程方案的決策和組織實施提供準確的依據(jù)。

        1 工程概況

        某在建G210國道為一級公路標準,設計時速60 km/h;路基寬度采用30 m;橋涵設計荷載采用公路—Ⅰ級。K16+588老鷹壕5#大橋為7×40 m預應力混凝土連續(xù)T梁,在其已完工的五號墩南側(cè)50余米有一擬建某水庫大壩,水庫壩址以上集水面積為11.5 km2,多年平均徑流量840萬m3,多年平均流量為0.27 m3/s。水庫校核洪水位826.76 m,總庫容471萬m3,工程等別為Ⅳ等,工程規(guī)模為小(1)型。水庫正常蓄水位為824.0 m,相應庫容407萬m3,死水位782.0 m,相應庫容8萬m3,興利庫容399萬m3。水庫工程總布置為:C15碾壓混凝土重力壩+泄洪頂孔+左岸取水口+右岸導流洞+灌區(qū)輸水建筑物。大壩壩軸線長149.15 m,壩頂高程828.00 m,河床建基面高程為759.00 m,最大壩高69.00 m,最大底寬度64.90 m。本文僅對受該水庫影響最大的五號橋墩做分析研究。五號橋墩為樁、承臺基礎,墩身為長7.5 m、寬2.6 m的空心薄壁墩,墩高46.7 m。

        2 三維建模分析

        2.1 計算模型

        根據(jù)相關(guān)圖紙,建立三維有限元模型如圖1所示。

        圖1 整體三維有限元網(wǎng)格圖

        2.2 計算結(jié)果

        (1)壩體建基面開挖對橋梁變形影響

        圖2為建基面開挖后5#橋墩豎向位移分布云圖。圖3為建基面開挖后5#橋墩水平位移分布云圖。

        圖2 建基面開挖后5#橋墩豎向位移等值線圖(單位:m,負號表示向下)

        圖3 建基面開挖后5#橋墩水平位移等值線圖(單位:m,負號表示指向壩體側(cè))

        由于建基面開挖,對基礎卸載,導致地基出現(xiàn)回彈,5#橋墩最大向上回彈量為1.4 mm,因為地基變形導致的5#橋墩發(fā)生水平位移,底部發(fā)生指向壩體側(cè)位移,量值為0.15 mm,5#橋墩頂部發(fā)生向壩體下游側(cè)水平位移,量值為1.01 mm。

        (2)水庫壩體施工對橋梁變形影響

        圖4為壩體整體竣工期豎向位移分布云圖。圖5為壩體整體竣工期水平位移分布云圖。

        圖4 竣工期壩體整體豎向位移分布云圖(單位:m,負號表示向下)

        圖5 竣工期壩體整體水平位移分布云圖(單位:m,負號表示指向上游)

        竣工期壩體最大沉降為6.6 mm,最大水平位移為3.4 mm,發(fā)生在溢流壩段頂部位置。由于模擬未考慮壩體分期澆筑,故最大沉降發(fā)生在壩頂位置。

        圖6為壩體施工導致的5#橋墩豎向位移增量云圖(已消除建基面開挖導致的變形量)。圖7為壩體施工導致的5#橋墩水平位移增量云圖(已消除建基面開挖導致的變形量)。

        圖6 壩體施工導致5#橋墩豎向位移增量云圖(單位:m,負號表示向下)

        圖7 壩體施工導致5#橋墩水平位移增量云圖(單位:m,負號表示指向壩體側(cè))

        壩體施工導致5#橋墩發(fā)生向下位移最大值為1.5 mm,發(fā)生在承臺靠近壩體側(cè);最大水平位移為0.9 mm,發(fā)生在5#橋墩頂部,方向指向壩體側(cè)。

        (3)壩體蓄水對橋梁變形影響

        模擬蓄水水位為校核洪水位。

        圖8為蓄水期壩體沉降分布云圖。圖9為蓄水期壩體水平位移分布云圖。

        圖8 蓄水期壩體沉降分布云圖(單位:m,負號表示向下)

        圖9 蓄水期壩體水平位移分布云圖(單位:m,負號表示指向上游側(cè))

        圖10 壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩豎向位移分布云圖(單位:m,負號表示向下)

        蓄水期受水壓力影響,壩體沉降由竣工期的6.6 mm增加到7.2 mm;最大水平位移由竣工期的3.4 mm減小到0.6 mm。

        圖10為壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩的豎向位移分布云圖(已消除建基面開挖導致的變形);圖11為壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩的水平位移分布云圖(已消除建基面開挖導致的變形)。

        圖11 壩體施工和蓄水共同影響下5#橋墩水平位移分布云圖(單位:m,負號表示指向壩體側(cè))

        壩體蓄水后,5#橋墩最大豎向位移由壩體竣工期的1.5 mm增加到1.9 mm;最大水平位移由壩體竣工期的0.9 mm減小到0.74 mm。

        (4)建基面開挖對橋墩應力分布的影響特性

        壩體施工對橋梁結(jié)構(gòu)的影響,一是要看施工過程中,由于施工荷載影響導致的整體變形,重點需要關(guān)注的是,在施工過程中,建基面開挖、壩體澆筑以及蓄水荷載作用下的結(jié)構(gòu)應力,是否會超過材料的允許應力,這是判斷結(jié)構(gòu)安全的重要依據(jù)。

        圖12 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量分布云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖13 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量分布云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖12為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖;圖13為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖。圖14為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖;圖15為建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖。

        圖14 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎大主應力分布云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖15 建基面開挖導致的5#橋墩及樁基礎小主應力分布云圖(單位:KPa,拉為正)

        由圖12和圖13可知,建基面開挖情況下,5#橋墩整體拉應力增量為0~200 KPa之間,僅在樁基礎上出現(xiàn)800 KPa的拉應力增量;5#橋墩結(jié)構(gòu)壓應力增量整體很小,在0~150 KPa之間。結(jié)合圖14和圖15可知,建基面開挖引起5#橋墩樁基礎的拉應力增量,只是減少了該位置的拉應力,5#橋墩整體應力在橋墩承臺底部位置。

        (5)壩體澆筑對橋墩應力分布的影響特性

        圖16 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖16為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖;圖17為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖。圖18為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖;圖19為壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖。

        圖17 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖18 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖19 壩體澆筑導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖(單位:KPa,拉為正)

        壩體澆筑情況下,5#橋墩及樁基礎絕大部分拉應力增量小于200 KPa;絕大部分壓應力增量也不大于200 KPa;從圖18和19來看,該工況下5#橋墩及樁基礎最大拉應力為3.1 MPa,最大壓應力為7.0 MPa,大小主應力均小于鋼筋混凝土的允許應力。與建基面開挖工況相比,大小主應力分布規(guī)律一致,最大拉應力增加了20 KPa,最大壓應力增加了30 KPa。結(jié)果表明,壩體澆筑引起的5#橋墩主應力極值的變化非常小。

        (6)水庫蓄水對橋墩應力分布的影響特性

        圖20為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖;圖21為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖。圖22為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖;圖23為水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎小主應力云圖。

        圖20 水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力增量云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖21 水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎小主應力增量云圖(單位:KPa,拉為正)

        圖22 水庫蓄水導致的5#橋墩及樁基礎大主應力云圖(單位:KPa,拉為正)

        由圖20、21、22、23可知,水庫蓄水情況下,5#橋墩及樁基礎的拉壓應力增量很??;5#橋墩及樁基礎拉應力增量絕大部分不超過100KPa,壓應力增量絕大部分不超過40KPa;該工況下,5#橋墩及樁基礎的最大拉應力為3.01MPa,壓應力最大值為6.53MPa,小于鋼筋混凝土允許應力;較壩體澆筑工況,拉應力最大值較小了80KPa,壓應力最大值較小了400KPa。水庫蓄水對5#橋墩及樁基礎影響非常小。

        3 結(jié)論與建議

        由于本次計算中基巖的參數(shù)未給出,計算中基巖采用中風化基巖的材料參數(shù),參數(shù)參考武漢大學于2017年4月完成的《碾壓混凝土重力壩三維有限元分析報告》表2.2-3中彈性模量最低的基巖參數(shù)作為本次計算參數(shù)。重力壩采用線彈性模型,計算參數(shù)參考《碾壓混凝土重力壩三維有限元分析報告》表2.2-3。

        受資料所限,本次計算未考慮基巖斷層分布情況,認為基巖為完整連續(xù)的;

        (1)5#橋墩在壩體施工和蓄水共同作用下,發(fā)生的最大豎向位移為1.9 mm;最大水平位移為0.74 mm,變形量很??;

        (2)建議壩體施工過程中,優(yōu)化施工工藝,采取預裂爆破工藝,短進尺、弱爆破,控制最大單段藥量,必要時采用非爆破掘進方式,利用掘進機,減小振動,保證橋梁結(jié)構(gòu)安全,并加強監(jiān)測,防止因爆破擾動導致的局部邊坡失穩(wěn)、臨近橋墩結(jié)構(gòu)的共振等;

        (3)5#橋墩位置與壩體消力池距離過近,壩體泄流導致的水流脈動對5#橋墩會產(chǎn)生不確定的影響,同時橋面車輛的振動荷載也可能會對消力池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不確定性影響,建議調(diào)整消力池位置,防止兩者之間的相互影響。

        4 結(jié)束語

        通過上述分析,Abaqus能為我們提供準確、直觀的量化數(shù)據(jù)分析,對建設方案的選擇及優(yōu)化提供有力支撐,在工程建設上有較好的運用前景,能產(chǎn)生很好社會效益與經(jīng)濟效益。

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