地下水变化对桥梁结构的影响分析

近年来由于超量开采地下水等人为活动，我国华北和长三角地区出现了较多的地面沉降区域及漏斗区。多条高速铁路经过地面沉降区域，受区域沉降和漏斗区的影响，部分桥梁墩（台）出现了较大沉降，其中相邻桥墩（台）的差异沉降已超过规范限值，差异沉降使底座板产生纵向附加力，进而影响桥上纵连轨道结构的安全性和耐久性；尤其对于连续梁，差异沉降引起结构内力重分配，影响结构的使用功能，产生一系列结构安全问题，给高速铁路运营安全带来隐患。以下主要分析地下水变化引起沉降对连续梁受力的影响。

本构模型：桥梁采用三维实体模型，计算时采用线弹性本构关系来描述混凝土的受力情况，为减少计算时间，计算模型截取128 m 长的桥梁进行分析，桥上铺设博格无砟轨道板。模型的主要参数如表5.2-5所示。

边界条件：模型在桥截面底部每隔32 m（即桥墩位置处）沿径向和竖向位移均被约束，模型两侧截面采用沿线路方向对称设置。

表5.2-5　模型主要参数

分析过程分为两步，第一步为自重应力及桥面上覆荷载，第二步为在墩台设置位移，支座下沉量分别取1 mm、5 mm、10 mm 和20 mm，计算两个分析步骤下的梁体底部所受的最大拉应力，分析支座下沉量增加的拉应力占梁体自重及上覆荷载引起的比例。

有限元模型和桥梁底部由支座下沉引起的最大拉应力云图如图5.2-15所示。

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图5.2-15　有限元模型

对支座下沉量分别为1 mm、5 mm、10 mm 和20 mm 时梁体底部最大拉应力增量与自重及上覆荷载引起的拉应力比较，最大拉应力增大的百分比与支座下沉量关系如图5.2-16所示。

图5.2-16　梁体最大拉应力增大百分比与支座下沉量关系

可以看出，支座处下沉量引起的梁体最大拉应力增量占其在自重及上覆荷载作用下的拉应力比值与支座下沉量关系基本呈线性关系，当支座下沉量为5 mm 时，百分比约为4.2%。