擬建跨河鐵路橋?qū)拥赖谭烙绊懙姆治?/h1>
2021-12-01 05:13:38孫葉芝
河北水利 2021年10期
□孫葉芝
河道作為一個城市的靈魂，在城鎮(zhèn)化發(fā)展的進程中，發(fā)揮著紐帶的作用，橋梁作為跨越這一紐帶的唯一方式，在城市河流中作為連接兩岸交通的重要建筑物，不可或缺。然而，不論是新建橋梁還是改擴建橋梁，由于其橋墩支撐在現(xiàn)狀河床及河道堤防范圍內(nèi)，勢必會對現(xiàn)狀河道在結(jié)構(gòu)安全以及過流等方面產(chǎn)生一定程度的影響。尤其是橋梁運行過程中，列車車輛行駛引起的振動，傳遞至橋墩基礎(chǔ)，引起河堤基礎(chǔ)以及填筑材料變形乃至破壞。因此，此文結(jié)合某擬建鐵路橋的具體工程實際，以橋梁運行條件下對現(xiàn)狀河道堤防的結(jié)構(gòu)安全性影響進行了分析。
1.工程概況
河北省境內(nèi)某既有鐵路橋為跨越河道而設(shè)，與河道垂直交匯處，為提升河道行洪能力和沿河生態(tài)環(huán)境，促進兩岸經(jīng)濟發(fā)展，保障行洪安全，橋位處河道擬適當拓寬，現(xiàn)狀8～10m 的簡支梁橋無法滿足河道整治、通航及景觀要求，需對既有跨鐵路橋進行拆除擴建。
擬建橋梁方位大致與原鐵路橋方位相同，與河道規(guī)劃中心線正交，擬建鐵路橋橋墩建設(shè)在規(guī)劃大堤的堤腳處及河道中心處，橋墩基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。擬建鐵路橋典型剖面圖如圖1 中所示，設(shè)計擬采用40m+48m+40m 的三孔簡支槽型梁結(jié)構(gòu)形式，兩側(cè)各設(shè)置4m 的框架橋臺，橋梁全長142.2m，線路主要技術(shù)標準如下：線路等級Ⅳ級、正線數(shù)目單線、行車速度40km/h、機車類型東風(fēng)7G、牽引質(zhì)量2500t。
圖1 擬建鐵路橋剖面圖
2.計算模型及邊界條件
2.1 計算模型
根據(jù)方案設(shè)計圖，考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，為簡化計算，取左側(cè)1/2 的典型河段進行計算分析。模型底部選取地基厚度為樁基底部所在巖層的底部，考慮平面效應(yīng)，順水流模型長度為1m，垂直水流向模型寬度為71.1m，該模型中地基、橋梁等均采用3D 實體四面體及六面體單元，基礎(chǔ)樁基采用線性梁單元。具體相關(guān)模型圖見圖2。
圖2 三維有限元計算模型圖
2.2 材料參數(shù)
結(jié)合地質(zhì)情況，該部分計算模型按照由上到下的順序簡化為4 層，按照埋深遞增順序依次為回填土、粉砂、細砂、粉土，以上土體材料均采用摩爾庫倫模型；橋梁結(jié)構(gòu)為C40 鋼筋混凝土，采用線彈性模型。各種材料的參數(shù)選取如表1 所示。
表1 計算主要材料參數(shù)表
圖5 不同階段小主應(yīng)力云圖（kPa）
2.3 邊界條件
計算時在模型的周邊需要設(shè)置約束以及外部荷載等邊界條件，在該模型的4 個側(cè)面分別施加了垂直側(cè)面的彈性約束，在模型的底部施加了豎直方向的地面彈性約束。在該工程中，主要為研究分析橋面通過列車時地基的受力及變形情況。
在荷載施加方面，主要考慮結(jié)構(gòu)在車輛荷載等外部荷載作用下的動力效應(yīng)。計算中，根據(jù)實際情況在橋梁框架結(jié)構(gòu)的頂部施加移動的車輛荷載，荷載施加情況如圖3 所示，假設(shè)車輛此時按照設(shè)計時速從左向右移動。
圖3 邊界條件施加情況圖
2.4 計算過程
計算過程中，充分考慮結(jié)構(gòu)的特性，分兩步進行分析，首先計算不考慮車輛動力荷載情況下，進行結(jié)構(gòu)的特征值分析，確定結(jié)構(gòu)的特征周期，然后，施加列車車輛荷載，進行移動荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力分析，列車荷載按照其行進方向分為以下幾步：
第一階段：列車駛?cè)肽Ｐ妥髠?cè)堤防頂部位置；
第二階段：列車行駛至堤防頂部位置；
第三階段：列車行駛至左側(cè)邊墩位置；
第四階段：列車行駛至中部中墩位置；
第五階段：列車駛出模型右側(cè)所示區(qū)域。
3.計算結(jié)果對比分析
3.1 位移分析
通過數(shù)值計算，可以得到不同時間點建筑物整體的位移云圖如圖中所示，圖中箭頭大小和方向表示地基土的移動位移大小和方向。由圖中可知，河道堤防基礎(chǔ)中，樁基及其周邊土沉降量最大，隨著車輛荷載從左向右的移動，樁基周圍的位移從最初的1.7mm 逐步增加到2.9mm。就河道底部而言，在第一階段，河道底部的沉降基本均勻，整體基本無位移；在第二階段，河底沉降量增加，并且樁基周圍出現(xiàn)一定程度的不均勻沉降，河道左岸車輛底部位置位移量明顯增大；在第三階段及第四階段，伴隨著車輛荷載的移動，樁基不均沉降的趨勢更加明顯；在第五階段伴隨著列車的駛出，堤防底部的位移逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)。不同階段位移云圖見圖4。
圖4 不同階段位移云圖（m）
3.2 應(yīng)力分析
通過數(shù)值計算，可以得到不同時間點建筑物整體的小主應(yīng)力云圖如圖中所示，圖中箭頭大小和方向表示地基土的應(yīng)力大小和方向。由圖中可知，河道堤防基礎(chǔ)中，樁基及其周邊土小主應(yīng)力最大，隨著車輛荷載從左向右的移動，樁基周圍的位移從最初的1.23 逐步增加到2.17。就河道底部而言，在第一階段，河道底部的應(yīng)力基本均勻，整體基本無應(yīng)力增量；在第二階段，河底應(yīng)力增加，并且樁基周圍出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，河道左岸車輛底部位置應(yīng)力增量明顯增大；在第三階段及第四階段，伴隨著車輛荷載的移動，樁基應(yīng)力不均勻的趨勢更加明顯；在第五階段隨著列車的駛出，堤防及橋梁的應(yīng)力逐漸降低恢復(fù)到無荷載的狀態(tài)。不同階段小主應(yīng)力云圖見圖5。
4.結(jié)論
鐵路橋作為一種主要的跨河建筑物，其正常運行狀態(tài)下列車車輛行駛引起的振動，傳遞至橋墩基礎(chǔ)，容易引起河堤基礎(chǔ)以及填筑材料變形乃至破壞。此文結(jié)合工程實際，借助三維有限元軟件，對某擬建鐵路橋的列車移動荷載作用下基礎(chǔ)的動力反應(yīng)進行了分析，分析結(jié)果表明：車輛荷載作用下，樁基周圍的位移相對較大，樁基附近位移差異明顯；同時，樁基周圍的應(yīng)力相對較大，樁基附近的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象明顯。但總體而言，車輛荷載作用下，堤防基礎(chǔ)的位移及應(yīng)力增加值均相對較小，綜合分析結(jié)論為上述荷載對基礎(chǔ)影響不大。
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□孫葉芝
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河北省境內(nèi)某既有鐵路橋為跨越河道而設(shè)，與河道垂直交匯處，為提升河道行洪能力和沿河生態(tài)環(huán)境，促進兩岸經(jīng)濟發(fā)展，保障行洪安全，橋位處河道擬適當拓寬，現(xiàn)狀8～10m 的簡支梁橋無法滿足河道整治、通航及景觀要求，需對既有跨鐵路橋進行拆除擴建。
擬建橋梁方位大致與原鐵路橋方位相同，與河道規(guī)劃中心線正交，擬建鐵路橋橋墩建設(shè)在規(guī)劃大堤的堤腳處及河道中心處，橋墩基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。擬建鐵路橋典型剖面圖如圖1 中所示，設(shè)計擬采用40m+48m+40m 的三孔簡支槽型梁結(jié)構(gòu)形式，兩側(cè)各設(shè)置4m 的框架橋臺，橋梁全長142.2m，線路主要技術(shù)標準如下：線路等級Ⅳ級、正線數(shù)目單線、行車速度40km/h、機車類型東風(fēng)7G、牽引質(zhì)量2500t。
圖1 擬建鐵路橋剖面圖
2.計算模型及邊界條件
2.1 計算模型
根據(jù)方案設(shè)計圖，考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，為簡化計算，取左側(cè)1/2 的典型河段進行計算分析。模型底部選取地基厚度為樁基底部所在巖層的底部，考慮平面效應(yīng)，順水流模型長度為1m，垂直水流向模型寬度為71.1m，該模型中地基、橋梁等均采用3D 實體四面體及六面體單元，基礎(chǔ)樁基采用線性梁單元。具體相關(guān)模型圖見圖2。
圖2 三維有限元計算模型圖
2.2 材料參數(shù)
結(jié)合地質(zhì)情況，該部分計算模型按照由上到下的順序簡化為4 層，按照埋深遞增順序依次為回填土、粉砂、細砂、粉土，以上土體材料均采用摩爾庫倫模型；橋梁結(jié)構(gòu)為C40 鋼筋混凝土，采用線彈性模型。各種材料的參數(shù)選取如表1 所示。
表1 計算主要材料參數(shù)表
圖5 不同階段小主應(yīng)力云圖（kPa）
2.3 邊界條件
計算時在模型的周邊需要設(shè)置約束以及外部荷載等邊界條件，在該模型的4 個側(cè)面分別施加了垂直側(cè)面的彈性約束，在模型的底部施加了豎直方向的地面彈性約束。在該工程中，主要為研究分析橋面通過列車時地基的受力及變形情況。
在荷載施加方面，主要考慮結(jié)構(gòu)在車輛荷載等外部荷載作用下的動力效應(yīng)。計算中，根據(jù)實際情況在橋梁框架結(jié)構(gòu)的頂部施加移動的車輛荷載，荷載施加情況如圖3 所示，假設(shè)車輛此時按照設(shè)計時速從左向右移動。
圖3 邊界條件施加情況圖
2.4 計算過程
計算過程中，充分考慮結(jié)構(gòu)的特性，分兩步進行分析，首先計算不考慮車輛動力荷載情況下，進行結(jié)構(gòu)的特征值分析，確定結(jié)構(gòu)的特征周期，然后，施加列車車輛荷載，進行移動荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力分析，列車荷載按照其行進方向分為以下幾步：
第一階段：列車駛?cè)肽Ｐ妥髠?cè)堤防頂部位置；
第二階段：列車行駛至堤防頂部位置；
第三階段：列車行駛至左側(cè)邊墩位置；
第四階段：列車行駛至中部中墩位置；
第五階段：列車駛出模型右側(cè)所示區(qū)域。
3.計算結(jié)果對比分析
3.1 位移分析
通過數(shù)值計算，可以得到不同時間點建筑物整體的位移云圖如圖中所示，圖中箭頭大小和方向表示地基土的移動位移大小和方向。由圖中可知，河道堤防基礎(chǔ)中，樁基及其周邊土沉降量最大，隨著車輛荷載從左向右的移動，樁基周圍的位移從最初的1.7mm 逐步增加到2.9mm。就河道底部而言，在第一階段，河道底部的沉降基本均勻，整體基本無位移；在第二階段，河底沉降量增加，并且樁基周圍出現(xiàn)一定程度的不均勻沉降，河道左岸車輛底部位置位移量明顯增大；在第三階段及第四階段，伴隨著車輛荷載的移動，樁基不均沉降的趨勢更加明顯；在第五階段伴隨著列車的駛出，堤防底部的位移逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)。不同階段位移云圖見圖4。
圖4 不同階段位移云圖（m）
3.2 應(yīng)力分析
通過數(shù)值計算，可以得到不同時間點建筑物整體的小主應(yīng)力云圖如圖中所示，圖中箭頭大小和方向表示地基土的應(yīng)力大小和方向。由圖中可知，河道堤防基礎(chǔ)中，樁基及其周邊土小主應(yīng)力最大，隨著車輛荷載從左向右的移動，樁基周圍的位移從最初的1.23 逐步增加到2.17。就河道底部而言，在第一階段，河道底部的應(yīng)力基本均勻，整體基本無應(yīng)力增量；在第二階段，河底應(yīng)力增加，并且樁基周圍出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，河道左岸車輛底部位置應(yīng)力增量明顯增大；在第三階段及第四階段，伴隨著車輛荷載的移動，樁基應(yīng)力不均勻的趨勢更加明顯；在第五階段隨著列車的駛出，堤防及橋梁的應(yīng)力逐漸降低恢復(fù)到無荷載的狀態(tài)。不同階段小主應(yīng)力云圖見圖5。
4.結(jié)論
鐵路橋作為一種主要的跨河建筑物，其正常運行狀態(tài)下列車車輛行駛引起的振動，傳遞至橋墩基礎(chǔ)，容易引起河堤基礎(chǔ)以及填筑材料變形乃至破壞。此文結(jié)合工程實際，借助三維有限元軟件，對某擬建鐵路橋的列車移動荷載作用下基礎(chǔ)的動力反應(yīng)進行了分析，分析結(jié)果表明：車輛荷載作用下，樁基周圍的位移相對較大，樁基附近位移差異明顯；同時，樁基周圍的應(yīng)力相對較大，樁基附近的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象明顯。但總體而言，車輛荷載作用下，堤防基礎(chǔ)的位移及應(yīng)力增加值均相對較小，綜合分析結(jié)論為上述荷載對基礎(chǔ)影響不大。
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