基于Midas/GTS的新建桥梁对既有桥梁安全影响分析

（重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074）

基于Midas/GTS的新建桥梁对既有桥梁安全影响分析

付士航

（重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074）

新建桥梁与既有桥梁距离较近时，新建桥梁及其基础必然会影响既有桥梁的安全。本文以某新建匝道桥与其临近既有高架桥为例，通过Midas GTS建立了三维有限元数值模型，探讨了新建匝道桥的桩基开挖与成桥阶段对其临近既有高架桥的影响。可为同类工程的设计与施工提供技术借鉴及理论参考。

新建匝道桥；既有高架桥；数值模型；影响

1 引言

随着我国经济的快速发展，交通基础设施的建设也加快了步伐，在各级路网不断加密的过程中，出现了大量的新建线路与既有线路交叉、并行的情况。在既有桥梁的附近新建桥梁，新建桥梁的施工与运营必然会对既有桥梁造成一定的影响[1,2]。郭震山等[3]以某一主跨310m的独塔斜拉桥扩建工程为背景，研究新建桥梁受邻近既有桥梁影响的规律，研究结果表明既有桥梁对新建桥梁在施工和成桥运营阶段可能会产生十分显著的影响。本文依托某靠近既有桥梁的新建桥梁施工项目，通过有限元分析软件Midas GTS建立了三维数值模型，分析新建桥梁的桩基开挖与成桥阶段对临近既有桥梁造成的影响，为以后类似工程提供了一定的理论参考。

2 概况

新建的某匝道桥为一系列墩梁固结的箱梁桥，既有的某高架桥为等跨简支小箱梁桥。两桥在匝道桥的1#～5#桥墩附近进行拼接，匝道桥的2#桩基与高架桥1#桩基净距最小为7.05m。匝道桥桩基的开挖使邻近土体产生水平位移可能导致既有桩身产生附加弯矩、应力和位移，故其桩基成孔施工可能影响邻近的既有高架桥桥墩桩基的稳定性；此外，在运营阶段，由于新建的匝道桥上部荷载通过桩基传至地基岩土后的扩散作用，匝道桥桩基可能影响邻近既有高架桥桥墩桩基的受力安全。

3 有限元数值模拟

3.1 模型计算条件

（1）计算模型将岩土视为各向同性的理想弹性-塑性材料，并采用莫尔～库伦屈服准则。其材料参数主要包括材料的粘聚力c和内摩擦角φ等。

（2）计算采用的岩土力学参数参照勘察建议值及规范进行选取，见表 1。

表 1 材料物理力学参数表

（3）模型边界条件：底边为竖向位移约束，两侧为水平法向位移约束，模型顶面为自由面。

（4）荷载：a、岩土与结构自重通过有限元软件根据输入的岩土及结构的材料容重自动计算。b、外部荷载，高架桥为简支体系，其支点反力容易得到；匝道桥存在一系列的墩梁固结，其墩顶内力通过MIDASCivil模型计算所得，模拟范围内各个桥墩计算荷载见表 2。

表 2 各个桥墩计算荷载

3.2 有限元模型

通过分析结构物之间的相互影响关系，选取匝道桥1#～3#墩对邻近高架桥1#墩影响范围来建立有限元模型。模型包括岩土结构、桩基墩柱结构、桥墩墩顶荷载等。岩土结构、桩基墩柱结构均以三维实体单元模拟，桥墩墩顶荷载通过将桥墩墩顶单元面节点固结于位于截面质心的一个节点上，再将所有荷载按实际添加到该节点上的方式来模拟。网格划分遵循受力关键部位网格密，非关键部分逐渐稀疏的网格划分原则进行。模型进行了初始状态→桩基开挖→成桥阶段的工况模拟。有限元模型如图 1所示：

图 1有限元模型

3.3 计算结果

在有限元模拟匝道桥施工对高架桥影响的过程中，各施工阶段高架桥1#桥墩墩顶最大位移值统计见表 3。

表 3 各阶段高架桥1#桥墩墩顶位移值统计表

从上述表格数据可见，新建匝道桥引起既有高架桥桥墩墩顶最大水平位移为0.12mm，最大竖向位移为1.0mm。

3.4 计算结论

桥墩过大的墩顶水平位移将引起桥墩倾斜，影响桥墩稳定性。匝道桥桥墩施工和运营对高架桥桥墩墩顶产生的最大水平位移为0.12mm，相对较小。桥墩过大的竖向位移将引起支座沉降，影响上部结构受力。新建匝道桥桥墩施工和运营引起既有高架桥桥墩墩顶最大竖向位移1.0mm，处于支座安装高程偏差限值±5mm以内。又由于高架桥上部结构为一系列简支梁，为静定结构体系，结构受附加位移影响较小，因此认为新建匝道桥不会影响高架桥的安全。

4 结论

由于桩基开挖使附近围岩产生应力重分布，附近基岩因卸载而隆起，造成了临近既有桥墩产生了一系列的位移，同样在成桥施工过程中及运营阶段，由于新建的匝道桥上部荷载通过桩基传至地基岩土后的扩散作用，临近既有桥墩也会受到一定的影响。因此，在施工过程中，应做好实时监控量测，控制好临近既有桥梁上部结构及墩柱倾斜变形，监测对比施工前、施工中及施工后一段时间内桥墩的位移变化情况。在条件允许的情况下，临近既有桥墩的桩孔施工应采用人工成孔，并加强桩孔护壁，避免塌孔和过大的岩土体振动给临近既有结构带来危险。

[1]范么清. 新建桥梁对既有桥梁的影响计算[J]. 城市道桥与防洪,2009,(08):82-85+252.

[2]张洪泽,郭温平. 新建桥梁施工对邻近既有专线桥梁的影响[J]. 经营管理者,2016,(25):438

[3]郭震山,孟晓亮,周奇,朱乐东. 既有桥梁对邻近新建桥梁三分力系数的气动干扰效应[J]. 工程力学,2010,(09):181-186+200.

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