地铁施工对连续刚构桥的病害影响研究

李 毅

（广东省公路建设有限公司，广东 广州 510699）

0 引言

随着城市现代化进程的加速，城市人口不断增多，因而城市对交通设施建设的需求也在不断地增加[1]。而地铁作为城市交通基础设施的重要组成部分，因其在解决城市空间容量不足、交通拥堵、环境污染等问题上的优势，受到了广泛的关注，世界上各大城市都先后修建了地铁。然而地铁施工大多都在地下，地铁施工引起的地面沉陷将有可能危及周围建筑物的安全，因而地铁施工对邻近建筑物的影响研究已成为地铁工程中的重点和难点[2-4]。

目前国内外学者主要针对地铁隧道施工对建筑物桩基承载力、桩基变形及受力状态、桩土相互作用关系等方面进行了研究[5-7]。国内也有针对地铁施工对邻近建筑物的安全影响研究，提出安全风险评估方法、安全管理的程序和内容以及一般保护措施[8-15]。然而对于地铁施工引起的不均匀沉降对桥梁病害影响的研究较少[16]。

本文针对地铁施工对连续刚构桥的病害影响进行了分析和研究。根据实际工程检测，获得地铁施工过程中对其邻近桥梁产生的不均匀沉降，通过Midas Civil有限元软件建立不同沉降工况下的有限元模型进行对比分析。研究结果表明，地铁施工导致的不均匀沉降是产生桥梁病害的主要原因之一，此外，地铁施工引起的不均匀沉降会导致多跨连续桥梁结构相邻墩柱内力增大。

1 工程概况

该桥第一联上部结构为先简支后结构连续刚构，成桥后体系转换为连续刚构体系，为多次超静定结构。该桥跨布置为4×30 m的四跨连续T梁刚构桥，斜交角65°，桥宽9 m，横向布置4片T梁，桥梁立面布置图见图1，地铁穿越该互通匝道桥的鸟瞰图如图2所示。

图1 桥梁立面图（单位：cm）

图2 地铁穿越桥梁鸟瞰图

地铁施工过程中，根据检测结果显示，该匝道桥出现了较明显的沉降，其中2号墩沉降3 mm、3号墩沉降19.7 mm、4号墩沉降3.4 mm，沉降差最大值为16.7 mm。此外，检查发现1～3号墩墩顶两侧梁端腹板出现有斜向裂缝，个别裂缝最大宽度达0.25 mm且裂缝分布较为普及；4号墩左侧柱底部出现1条长度为48cm的竖向裂缝，最大宽度为0.2mm。

2 数值模拟

2.1 计算模型

2.1.1 模型参数

该桥主梁采用50号混凝土，墩柱采用30号混凝土，桩基采用25号混凝土。预应力钢束采用φs15.2 mm抗拉强度为1860 MPa的钢铰线，张拉控制应力为1405 MPa。主梁结构混凝土自重恒载取26 kN/m3，沥青混凝土桥面铺装容重取24 kN/m3，防撞护栏重量按10 kN/m加载在边梁，车道荷载为公路-I级，根据下部墩台实测数据，考虑支座沉降差效应。

2.1.2 有限元模型

全桥有限元模型采用Midas Civil 2012建立，共有节点1222个，单元1708个，根据斜梁受力特点，上部结构采用正交横梁进行梁格划分，下部桩基按照m法根据实际地质土层情况采用桩土点弹簧支承进行模拟，具体有限元模型和边界条件如图3和图4所示。

图3 全桥有限元模型

图4 上部梁格划分示意图

为了对比研究地铁施工导致的沉降对桥梁病害的影响，模型考虑两种工况，工况一按设计阶段预计的沉降值5 mm考虑；工况二为按实际测量的沉降数据，考虑3号墩不均匀沉降16.7 mm，对比分析实际沉降与设计阶段预计的沉降效应差值。

2.2 结果分析

图5为两种工况下主梁截面下缘拉应力对比图。根据对比结果可知，过大的沉降导致墩顶主梁截面应力增大近一倍。

图5 主梁截面下缘拉应力对比(单位:MPa)

图6为两种工况下墩柱截面应力对比图。根据对比结果可知，墩柱沉降过大会导致相邻跨墩柱内力增加。因而有必要对相邻跨墩柱进行加固措施，防止出现进一步的病害。

图6 墩柱截面应力对比（单位：MPa）

表1汇总了不同作用效应下3号墩顶中梁和边梁截面下缘拉应力值，根据表1的结果可知，促使主梁和墩柱开裂病害的主要原因有混凝土徐变、收缩、梯度温度等，过大的沉降也是产生开裂病害的主要原因之一，且不均匀沉降对中梁和边梁影响差异不大。过大的不均匀沉降使边梁截面应力增大0.947 MPa。

表1 3号墩顶中梁和边梁截面下缘拉应力值 MPa

3 结论

a）过大的沉降导致墩顶主梁截面应力增大近一倍，且会导致相邻跨墩柱内力增加，因而有必要对相邻跨墩柱采取加固措施，防止出现进一步的病害。

b）上部结构为先简支后结构连续刚构，成桥后体系转换为连续刚构体系，为多次超静定结构，徐变、温度、沉降等作用会引起次效应。徐变、梯度温度、沉降等作用会在主梁支点附近截面产生较大拉应力，是产生斜裂缝的主要因素。

c）通过各墩不均匀沉降差5 mm和3号墩不均匀沉降差16.7 mm两种沉降工况对比分析可知，超限的沉降会对墩顶附近范围的主梁拉应力增加0.947 MPa。超限沉降是产生裂缝的因素之一。