摘要 針對(duì)大跨度樁板結(jié)構(gòu)小角度上跨既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能引發(fā)的局部應(yīng)力集中問(wèn)題，文章依托軟土地區(qū)某典型大跨度樁板結(jié)構(gòu)工點(diǎn)，使用大型商業(yè)軟件SAP2000對(duì)樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，研究樁板結(jié)構(gòu)小角度上跨地鐵隧道時(shí)的受力與變形情況，分析了樁板結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件（主要包括梁、板、樁等）的應(yīng)力值，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，樁板結(jié)構(gòu)的主要梁板樁結(jié)構(gòu)剪力、彎矩和軸力均在混凝土結(jié)構(gòu)安全承載的合理范圍內(nèi)，大跨度樁板結(jié)構(gòu)小角度上跨既有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案可行。文章的研究成果不僅為同類工程的設(shè)計(jì)提供了參考思路，還提出了有效的計(jì)算方法，有助于提升此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與安全性。

關(guān)鍵詞 樁板結(jié)構(gòu)；大跨度；受力分析；上跨；小角度

中圖分類號(hào) TU432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0134-04

0 引言

隨著陸路交通建設(shè)的快速發(fā)展及地下空間的逐步開(kāi)發(fā)利用，新建項(xiàng)目上跨既有地下建筑或結(jié)構(gòu)越來(lái)越常見(jiàn)。上跨結(jié)構(gòu)的土建施工和運(yùn)營(yíng)需將上部荷載傳遞到下部土體，導(dǎo)致地層位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化，并在既有結(jié)構(gòu)上附加荷載，容易導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)上浮、下沉甚至結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，影響既有結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全。

上跨設(shè)計(jì)需要保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理且減少對(duì)下部結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，樁板結(jié)構(gòu)是介于橋梁與傳統(tǒng)路基之間的一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，具有強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好、沉降小等特點(diǎn)[1]，且相比橋梁造價(jià)低。因此，樁板結(jié)構(gòu)常用于土質(zhì)較軟的路基上跨設(shè)計(jì)方案中，其設(shè)計(jì)方法包括近似結(jié)構(gòu)計(jì)算和有限元分析等。在有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，楊紅春[2]以新建道路穿越京滬高鐵橋梁段為例，分析了樁板結(jié)構(gòu)方案和路基方案對(duì)既有高鐵橋墩和樁基的影響；楊菲[3]以丹陽(yáng)市區(qū)至濱江新城快速通道下穿京滬高速鐵路張巷特大橋工程為背景，研究了樁板及空心板梁橋下穿高鐵橋梁方案施工對(duì)京滬高鐵的影響；廖超[4]以新建鐵路動(dòng)車跨越既有運(yùn)營(yíng)地鐵工程為背景，分析了該工點(diǎn)樁板結(jié)構(gòu)的埋入深度，對(duì)比分析了常用兩種形式的樁板結(jié)構(gòu)對(duì)該工程的適用性。除了對(duì)方案進(jìn)行研究，姜廣州[5]為減少軟土路基的沉降量，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)改變樁間距和板厚及樁本身布置情況，研究樁板結(jié)構(gòu)對(duì)該路基影響，得出板厚、樁間距及布置情況與沉降量的變化規(guī)律。這些研究均基于各自工點(diǎn)情況進(jìn)行方案研究和計(jì)算，但一般路基樁板結(jié)構(gòu)難以滿足小角度上跨既有結(jié)構(gòu)的工程需求，有必要通過(guò)有限元計(jì)算大跨度樁板結(jié)構(gòu)小角度上跨既有結(jié)構(gòu)，以獲取樁板結(jié)構(gòu)的受力情況，為特殊方案設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和支持。

該文以新建寧宣鐵路DK13+417附近路基下穿南京地鐵2號(hào)線為研究背景，通過(guò)大型通用有限元數(shù)值分析軟件SAP2000對(duì)樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分析樁板結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的受力情況，并依據(jù)受力情況進(jìn)行配筋計(jì)算。

1 數(shù)值模型

1.1 工程概況

線路方案在DK12+425～DK13+120段預(yù)留紫金山東站，受豎向標(biāo)高限制，在DK13+528～DK13+756段以路基形式上跨南京地鐵2號(hào)線。在平面上，線路方案受控于預(yù)留紫金山東站布置、金馬路橋墩、滬蓉高速橋墩與橋臺(tái)，導(dǎo)致寧宣鐵路只能以小角度上跨南京地鐵2號(hào)線；在縱斷面上，受控于預(yù)留紫金山東站寧蕪鐵路加地面站臺(tái)條件、金馬路橋下凈空、滬蓉高速公路橋下凈空，該段線路縱斷面無(wú)法抬高。因此，該段寧宣鐵路只能以路塹形式小角度上跨南京地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道，線路方案具有唯一性。

新建寧宣鐵路與南京地鐵2號(hào)線的平面位置關(guān)系如圖1所示。其中，南京地鐵二號(hào)線標(biāo)示左線、右線隧道位置，寧宣鐵路標(biāo)示線路位置。

1.2 工程地質(zhì)條件

地形地貌：坳谷地貌，受人類活動(dòng)影響，原始地貌被破壞，線路右側(cè)人工堆填厚層雜填土，地形有一定的起伏，相對(duì)高差約2～8 m。

地層巖性參數(shù)：新建寧宣鐵路與南京地鐵2號(hào)線的交叉位置參數(shù)如表1所示。

1.3 平縱設(shè)計(jì)方案

寧宣鐵路上跨南京地鐵2號(hào)線曲線段的最小角度約14°，在小角度條件下，即交叉角度相對(duì)較小的情況下，鐵路路基樁板結(jié)構(gòu)的跨越設(shè)計(jì)，應(yīng)力求在保持系統(tǒng)強(qiáng)度的前提下，最大限度地減小對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響。根據(jù)鉆孔樁的空位布置，跨越樁板結(jié)構(gòu)可以按照平行地鐵的縱向托梁方案展開(kāi)設(shè)計(jì)，如圖2～3所示。

1.4 三維數(shù)值模型

分別建立簡(jiǎn)化后的以桿件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的樁板結(jié)構(gòu)三維分析模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和彎矩。模型以沿線路方向?yàn)閄軸，垂直線路方向?yàn)閅軸，見(jiàn)圖4所示。模型采用桿單元模擬樁和梁，使用殼單元模擬承載板，材料均為混凝土。根據(jù)樁側(cè)土體類型，設(shè)置彈簧約束，樁底地層為硬塑粉質(zhì)黏土層，樁底約束三個(gè)方向的平動(dòng)。

樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，以及所承擔(dān)的荷載，按最不利組合工況進(jìn)行計(jì)算。本工點(diǎn)為非埋板，設(shè)計(jì)荷載見(jiàn)表2所示。同時(shí)，進(jìn)行荷載組合，實(shí)現(xiàn)各種荷載作用下最不利工況的求解。根據(jù)規(guī)范要求，列車脫軌荷載只與主力恒載組合，不與主力活載和其他附加荷載組合。根據(jù)以上主力、附加力及特殊力等多種荷載，在軟件中分別定義荷載工況。

2 受力分析

2.1 樁受力分析

在各種工況組合作用下，樁的內(nèi)力最大值包絡(luò)圖以樁局部坐標(biāo)系展示，其中1軸為桿件方向，2軸為整體坐標(biāo)系X軸，即為線路方向，3軸根據(jù)右手螺旋法則確定。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5～7所示。

2.2 梁受力分析

在各種工況組合作用下，梁的內(nèi)力最大值包絡(luò)圖以局部坐標(biāo)系展示，其中1軸為桿件方向，2軸為整體坐標(biāo)系Z軸，3軸根據(jù)右手螺旋法則確定。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8～9所示。

2.3 板受力分析

在各種工況組合作用下，板的內(nèi)力最大值包絡(luò)圖以整體坐標(biāo)系展示。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10～11所示。

由彎矩剪力云圖分布可以看出，部分角點(diǎn)位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以非應(yīng)力集中部分承載板的彎矩剪力值展開(kāi)，并在應(yīng)力集中的邊角處進(jìn)行配筋的局部加強(qiáng)。

樁合成彎矩最大值為2 571 kN·m，合成剪力最大值為477 kN，合成彎矩最大對(duì)應(yīng)軸力為1 956 kN，樁頂最大軸力為3 937 kN；梁繞2軸最大正彎矩為1 614 kN·m，繞2軸的最大負(fù)彎矩為1 700 kN，沿3軸的最大剪力416 kN，繞3軸的最大正彎矩7 824 kN·m，繞3軸的最大負(fù)彎矩4 724 kN·m，沿2軸的最大剪力為4 083 kN；繞Y軸的最大正彎矩為742 kN·m，繞Y軸的最大負(fù)彎矩為904 kN，XZ平面沿著Z軸方向的最大剪力1 709 kN，繞X軸的最大正彎矩592 kN·m，繞X軸的最大負(fù)彎矩1 025 kN·m，YZ平面沿著Z軸的最大剪力為3 247 kN。

2.4 結(jié)構(gòu)配筋

經(jīng)過(guò)SAP2000有限元軟件計(jì)算，并導(dǎo)出樁、板、梁結(jié)構(gòu)的最大包絡(luò)彎矩、剪力和軸力數(shù)值，如圖10所示。對(duì)樁、板和梁進(jìn)行配筋正截面和斜截面的承載力驗(yàn)算，使配筋滿足最大裂縫限值、最小配筋率等要求。最終配筋結(jié)果如表3所示。

3 結(jié)論

（1）新建寧宣鐵路受限于周邊已有工程建筑和結(jié)構(gòu)的影響，必須采用路基上跨形式，且地基為軟土，需要進(jìn)行加固。在常用的地基加固措施中，樁板結(jié)構(gòu)為比較合適的處理方式。

（2）通過(guò)計(jì)算分析，大跨度樁板結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎矩、剪力和軸力均在混凝土結(jié)構(gòu)允許的承受范圍內(nèi)，且其樁基距離地鐵管道具有施工的可行性，采用縱梁大跨度樁板結(jié)構(gòu)小角度上跨地鐵方案可行。

參考文獻(xiàn)

[1]劉家兵.深厚軟土地基上跨淺埋地鐵樁板結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2013（7）：16-19.

[2]楊紅春.新建道路下穿高速鐵路橋梁對(duì)高鐵橋墩和樁基影響的分析[J].中國(guó)市政工程， 2016（2）：7-9+110-111.

[3]楊菲.樁板及空心板梁橋結(jié)構(gòu)下穿軟土區(qū)高鐵橋梁的數(shù)值模擬研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017（5）：12-20.

[4]廖超.上跨地鐵的鐵路路基樁板結(jié)構(gòu)選型研究[J].路基工程， 2018（4）：188-191.

[5]姜廣州.樁板結(jié)構(gòu)在公路軟土地基處理中的應(yīng)用研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021（4）：38-42.

收稿日期：2024-09-26

作者簡(jiǎn)介：胡耀芳（1993—），女，碩士研究生，工程師，從事鐵路工程路基設(shè)計(jì)及研究工作。