杨德忠

(黔南州交通建设工程质量安全监督处,贵州 都匀 558000)

0 引 言

随着国家交通强国的战略部署，贵州省作为首批交通强国的示范点，将再次迎来路网的加密，公路与公路、公路与铁路等相互交织的建设将极为常见，在与已建通车，尤其是铁路，不论是上跨还是下穿，施工都会对已投入运营的桥梁或隧道产生一定的相互影响，而这种影响是否是在安全范围内就显得极为重要。Abaqus作为一款功能强大、非线性处理能力强、具有丰富的单元库和材料模型库及良好的开放性的通用分析软件，能解决工程中出现的复杂、困难问题。本文针对G210国道旁拟建水库对其桥墩的工程安全影响，应用Abaqus软件进行直观、定量分析，为工程方案的决策和组织实施提供准确的依据。

1 工程概况

某在建G210国道为一级公路标准，设计时速60 km/h；路基宽度采用30 m；桥涵设计荷载采用公路—Ⅰ级。K16+588老鹰壕5#大桥为7×40 m预应力混凝土连续T梁，在其已完工的五号墩南侧50余米有一拟建某水库大坝，水库坝址以上集水面积为11.5 km2，多年平均径流量840万m3，多年平均流量为0.27 m3/s。水库校核洪水位826.76 m，总库容471万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。水库正常蓄水位为824.0 m，相应库容407万m3，死水位782.0 m，相应库容8万m3，兴利库容399万m3。水库工程总布置为：C15碾压混凝土重力坝+泄洪顶孔+左岸取水口+右岸导流洞+灌区输水建筑物。大坝坝轴线长149.15 m，坝顶高程828.00 m，河床建基面高程为759.00 m，最大坝高69.00 m，最大底宽度64.90 m。本文仅对受该水库影响最大的五号桥墩做分析研究。五号桥墩为桩、承台基础，墩身为长7.5 m、宽2.6 m的空心薄壁墩，墩高46.7 m。

2 三维建模分析

2.1 计算模型

根据相关图纸，建立三维有限元模型如图1所示。

图1 整体三维有限元网格图

2.2 计算结果

(1)坝体建基面开挖对桥梁变形影响

图2为建基面开挖后5#桥墩竖向位移分布云图。图3为建基面开挖后5#桥墩水平位移分布云图。

图2 建基面开挖后5#桥墩竖向位移等值线图(单位：m，负号表示向下)

图3 建基面开挖后5#桥墩水平位移等值线图(单位：m，负号表示指向坝体侧)

由于建基面开挖，对基础卸载，导致地基出现回弹，5#桥墩最大向上回弹量为1.4 mm，因为地基变形导致的5#桥墩发生水平位移，底部发生指向坝体侧位移，量值为0.15 mm，5#桥墩顶部发生向坝体下游侧水平位移，量值为1.01 mm。

(2)水库坝体施工对桥梁变形影响

图4为坝体整体竣工期竖向位移分布云图。图5为坝体整体竣工期水平位移分布云图。

图4 竣工期坝体整体竖向位移分布云图(单位：m，负号表示向下)

图5 竣工期坝体整体水平位移分布云图(单位：m，负号表示指向上游)

竣工期坝体最大沉降为6.6 mm，最大水平位移为3.4 mm，发生在溢流坝段顶部位置。由于模拟未考虑坝体分期浇筑，故最大沉降发生在坝顶位置。

图6为坝体施工导致的5#桥墩竖向位移增量云图(已消除建基面开挖导致的变形量)。图7为坝体施工导致的5#桥墩水平位移增量云图(已消除建基面开挖导致的变形量)。

图6 坝体施工导致5#桥墩竖向位移增量云图(单位：m，负号表示向下)

图7 坝体施工导致5#桥墩水平位移增量云图(单位：m，负号表示指向坝体侧)

坝体施工导致5#桥墩发生向下位移最大值为1.5 mm，发生在承台靠近坝体侧；最大水平位移为0.9 mm，发生在5#桥墩顶部，方向指向坝体侧。

(3)坝体蓄水对桥梁变形影响

模拟蓄水水位为校核洪水位。

图8为蓄水期坝体沉降分布云图。图9为蓄水期坝体水平位移分布云图。

图8 蓄水期坝体沉降分布云图(单位：m，负号表示向下)

图9 蓄水期坝体水平位移分布云图(单位：m，负号表示指向上游侧)

图10 坝体施工和蓄水共同影响下5#桥墩竖向位移分布云图(单位：m，负号表示向下)

蓄水期受水压力影响，坝体沉降由竣工期的6.6 mm增加到7.2 mm；最大水平位移由竣工期的3.4 mm减小到0.6 mm。

图10为坝体施工和蓄水共同影响下5#桥墩的竖向位移分布云图(已消除建基面开挖导致的变形)；图11为坝体施工和蓄水共同影响下5#桥墩的水平位移分布云图(已消除建基面开挖导致的变形)。

图11 坝体施工和蓄水共同影响下5#桥墩水平位移分布云图(单位：m，负号表示指向坝体侧)

坝体蓄水后，5#桥墩最大竖向位移由坝体竣工期的1.5 mm增加到1.9 mm；最大水平位移由坝体竣工期的0.9 mm减小到0.74 mm。

(4)建基面开挖对桥墩应力分布的影响特性

坝体施工对桥梁结构的影响，一是要看施工过程中，由于施工荷载影响导致的整体变形，重点需要关注的是，在施工过程中，建基面开挖、坝体浇筑以及蓄水荷载作用下的结构应力，是否会超过材料的允许应力，这是判断结构安全的重要依据。

图12 建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础大主应力增量分布云图(单位：KPa，拉为正)

图13 建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础小主应力增量分布云图(单位：KPa，拉为正)

图12为建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础大主应力增量云图；图13为建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础小主应力增量云图。图14为建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础大主应力云图；图15为建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础小主应力云图。

图14 建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础大主应力分布云图(单位：KPa，拉为正)

图15 建基面开挖导致的5#桥墩及桩基础小主应力分布云图(单位：KPa，拉为正)

由图12和图13可知，建基面开挖情况下，5#桥墩整体拉应力增量为0～200 KPa之间，仅在桩基础上出现800 KPa的拉应力增量；5#桥墩结构压应力增量整体很小，在0～150 KPa之间。结合图14和图15可知，建基面开挖引起5#桥墩桩基础的拉应力增量，只是减少了该位置的拉应力，5#桥墩整体应力在桥墩承台底部位置。

(5)坝体浇筑对桥墩应力分布的影响特性

图16 坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础大主应力增量云图(单位：KPa，拉为正)

图16为坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础大主应力增量云图；图17为坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础小主应力增量云图。图18为坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础大主应力云图；图19为坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础小主应力云图。

图17 坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础小主应力增量云图(单位：KPa，拉为正)

图18 坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础大主应力云图(单位：KPa，拉为正)

图19 坝体浇筑导致的5#桥墩及桩基础小主应力云图(单位：KPa，拉为正)

坝体浇筑情况下，5#桥墩及桩基础绝大部分拉应力增量小于200 KPa；绝大部分压应力增量也不大于200 KPa；从图18和19来看，该工况下5#桥墩及桩基础最大拉应力为3.1 MPa，最大压应力为7.0 MPa，大小主应力均小于钢筋混凝土的允许应力。与建基面开挖工况相比，大小主应力分布规律一致，最大拉应力增加了20 KPa，最大压应力增加了30 KPa。结果表明，坝体浇筑引起的5#桥墩主应力极值的变化非常小。

(6)水库蓄水对桥墩应力分布的影响特性

图20为水库蓄水导致的5#桥墩及桩基础大主应力增量云图；图21为水库蓄水导致的5#桥墩及桩基础小主应力增量云图。图22为水库蓄水导致的5#桥墩及桩基础大主应力云图；图23为水库蓄水导致的5#桥墩及桩基础小主应力云图。

图20 水库蓄水导致的5#桥墩及桩基础大主应力增量云图(单位：KPa，拉为正)

图21 水库蓄水导致的5#桥墩及桩基础小主应力增量云图(单位：KPa，拉为正)

图22 水库蓄水导致的5#桥墩及桩基础大主应力云图(单位：KPa，拉为正)

由图20、21、22、23可知，水库蓄水情况下，5#桥墩及桩基础的拉压应力增量很小；5#桥墩及桩基础拉应力增量绝大部分不超过100KPa，压应力增量绝大部分不超过40KPa；该工况下，5#桥墩及桩基础的最大拉应力为3.01MPa，压应力最大值为6.53MPa，小于钢筋混凝土允许应力；较坝体浇筑工况，拉应力最大值较小了80KPa，压应力最大值较小了400KPa。水库蓄水对5#桥墩及桩基础影响非常小。

3 结论与建议

由于本次计算中基岩的参数未给出，计算中基岩采用中风化基岩的材料参数，参数参考武汉大学于2017年4月完成的《碾压混凝土重力坝三维有限元分析报告》表2.2-3中弹性模量最低的基岩参数作为本次计算参数。重力坝采用线弹性模型，计算参数参考《碾压混凝土重力坝三维有限元分析报告》表2.2-3。

受资料所限，本次计算未考虑基岩断层分布情况，认为基岩为完整连续的；

(1)5#桥墩在坝体施工和蓄水共同作用下，发生的最大竖向位移为1.9 mm；最大水平位移为0.74 mm，变形量很小；

(2)建议坝体施工过程中，优化施工工艺，采取预裂爆破工艺，短进尺、弱爆破，控制最大单段药量，必要时采用非爆破掘进方式，利用掘进机，减小振动，保证桥梁结构安全，并加强监测，防止因爆破扰动导致的局部边坡失稳、临近桥墩结构的共振等；

(3)5#桥墩位置与坝体消力池距离过近，坝体泄流导致的水流脉动对5#桥墩会产生不确定的影响，同时桥面车辆的振动荷载也可能会对消力池结构产生不确定性影响，建议调整消力池位置，防止两者之间的相互影响。

4 结束语

通过上述分析，Abaqus能为我们提供准确、直观的量化数据分析，对建设方案的选择及优化提供有力支撑，在工程建设上有较好的运用前景，能产生很好社会效益与经济效益。