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基于BIM与数值仿真的道路下穿高铁桥梁施工影响分析

日期:2024年11月29日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:51
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202411262053577348 论文字数:48744 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文以赣州市赣南大道下穿赣深高铁工程为依托,使用有限元分析软件对其施工及后期运营进行了数值模拟,并通过综合考虑相关规范对高铁基础的变形要求,确定了赣深高铁墩台变形的限值、警戒值和预警值,据此对高铁桥基进行安全评估。

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

随着下穿高速铁路的道路交通[1]和轨道交通等工程日益增多,下穿高铁既有结构工程建设已成为高铁线路运营安全的重要影响因素。目前,在《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[48]“3 基本规定 3.0.3”中已明确给出在下穿高铁工程中既有桥梁墩台顶的位移限值,其中,无砟轨道桥梁墩台顶部的位移限值应<2 mm;有砟轨道桥梁墩台顶部的位移限值应<3 mm[2]。为确保下穿高铁工程施工过程中线路运营安全,亟需对影响既有线路运营安全的影响因素展开研究,避免设计人员在施工过程中对于风险控制的盲目分析。根据高铁相关运营规则与设计规范规定可知,轨道结构的平顺性为影响高铁运营安全最直接的因素[3]。影响既有轨道结构平顺性的因素有很多,但目前关于各个因素对轨道结构平顺性的影响敏感程度以及因素之间的交叉影响反应尚未有一套明确的指导理论。

交通运输部自2018年起有序开展了一批智慧公路及国家交通网试点,旨在实现交通工程的可视化与智能评估。为了适应新形势,运用互联网为下穿工程的施工建设和质量评估创建数字化平台,促进岩土工程智能化建设成为近年来岩土学者的研究热潮[4]-[6]。BIM 技术具备参数化建模[7]、施工模拟[8]、数据库[9]-[11]、项目管理[12]等功能,能够构建道路与桥梁结构的数字模型,为工程建设提供多维可视化的管理平台,还能够利用数据库和项目管理等功能赋予所有组件感知能力和生命力,为道路工程的养护维修、施工改建的信息化提供条件,将建筑结构的运行维护上升为智慧建筑的高效运转。而在现存的BIM与有限元结构分析功能联结技术中尚存许多的问题漏洞,这对于BIM的全周期理念以及结构分析技术数字化的发展都是亟待解决的重要问题。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 下穿工程施工对既有结构扰动的研究现状

目前国内外学者在下穿工程领域对不同的施工工法、不同荷载下的结构受力分析、邻近桩-土结构的受力分析、不同土层组合下的结构受力分析、不同的结构设计方案等因素进行了既有结构变形、变形影响区域和施工及工后风险评估等方面的研究,均取得了一定的成果。

杨晓杰等[13]利用FLAC 3D有限元分析软件对隧道近接桩基的施工过程进行模拟,从桩侧摩阻力、桩端总抗力和桩底端轴力3个指标出发,研究了浅埋暗挖隧道近接既有桩基穿越施工对桩基承载力的影响。

韩秋石[14]结合有限元模拟和理论分析方法,从不同掘进阶段、不同相对位置和不同围岩条件等因素出发,探究了盾构隧道下穿既有桥梁施工对于既有桥梁桩基和地层变形的影响。但是,此文仅对盾构隧道施工产生的各扰动区作了定性描述,并未给出可量化的分区方法,无法精确定义施工扰动区,定性描述较为笼统,不具普适性。

李宁等[15]研究了隧道下穿施工对周围土体和既有桩基的变形影响,对不同位置的单桩和桩-土作用的相互作用进行了探讨,研究结果表明:隧道下穿施工会引起既有桩基两侧明显的沉降位移差,继而产生较大的负摩阻力。隧道下穿施工有桩侧向洞内的水平位移小于无桩侧,这一差异随桩长增加而增大。根据新建隧道对既有桩基变形的影响对隧洞周围土体划分了影响分区。

杨菲[16]结合Plaxis与ABAQUS构建桩板与空心板梁结构下穿高铁桥梁的有限元数值模型,依据近接段桥墩的竖横纵三项位移对比了两种施工方案对既有线路稳定性的影响。但是,此文只根据墩底位移衡量方案的优劣较为片面,还应考虑相邻桥墩的位移沉降差、既有桩基的内力变化以及工程造价等方面的的因素。

第二章 赣南大道下穿段既有高铁桥梁墩台变形影响分析

2.1 工程概况

2.1.1 设计方案

赣南大道改扩建工程与赣深高铁交叉处铁路里程为DK8+914.805,道路从赣深高铁章水特大桥51#~53#桥墩间下穿,综合管线设置于道路两侧,分别从铁路桥51#~52#和52#~53#桥墩间下穿,交叉处地理位置如图2-1所示。

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2.2 高速铁路变形控制标准的界定

在评价近接施工影响性时通常有位移准则、刚度准则、应力准则、塑性准则和强度准则几种评价标准,通常情况下常采用位移准则对近接施工影响分区进行评断。位移准则是指以既有结构物变形程度划分影响区域的准则,本章将结合《高速铁路设计规范》与《高速铁路无砟轨道线路维修规则》的要求对赣深高铁下部结构变位的限值、警戒值与预警值进行界定。

2.2.1《高速铁路设计规范》相关要求

工后沉降是指铺轨工程施工完成后到变形情况相对稳定时的沉降量。规范中要求高铁墩台的工后沉降量不能超出表2-1规定的限值。

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赣深高铁的轨道类型为无砟轨道,因此该研究需将墩台均匀沉降量控制在20mm以内,相邻墩台沉降差控制在5mm以内。

另外,对于采用无砟轨道的桥梁梁端的竖向折角会导致钢轨的上拔和下压现象,梁端折角示意如图2-5所示。当结构不均匀沉降导致上拔力大于钢轨扣件的扣压力时会导致钢轨脱离原位,而当压力过大时会将垫板破坏。因此《规范》中规定了无砟轨道桥梁梁端折角不大于1.0‰rad,梁端折角限值如表2-2所示。

第三章 基于 BIM 和 Midas 的道路下穿模型数据交互方法........... 31

3.1 开发工具 ............................... 31

3.1.1 Revit二次开发工具 ...................... 31 

3.1.2 Midas GTS/NX 模型转化工具 ............. 32

第四章 基于 AHP-CRITIC 与 TOPSIS 的路基下穿高铁桥梁施工工法评价 ..................... 47

4.1 AHP-CRITIC 法与 TOPSIS 法综合评价模型的特别适用性分析 ............................... 47

4.2 基于 AHP-CRITIC 和 TOPSIS 的多因素多水平综合评价模型 .............................. 48

第五章 路基下穿高铁桥梁工程影响因子敏感度评价 ........................ 62

5.1 单因素分析 .................................... 62

5.1.1 单因素试验方案设计 ........................... 62

5.1.2 近接距离对既有桥梁的影响分析 ....................... 64

第五章 路基下穿高铁桥梁工程影响因子敏感度评价

5.1 单因素分析

5.1.1 单因素试验方案设计

5.1.1.1 主要影响因素的确定

采用路基方式下穿高铁桥梁时,施工过程中以及工后的路面结构层荷载、填土荷载和运营荷载都会通过地基将附加应力作用于高铁桥梁基础结构,使铁路桩基发生变形,从而威胁到轨道的平顺性。因此,《规定》中已明确表示只有在地质条件良好、浅挖或少填,并与高速铁路桥梁有足够距离情况下才考虑采用路基结构[48]。因此,本文将近接距离、路基开挖参数、路基填筑参数和施工工法作为变量,进行近接工程施工方案影响因子敏感度评价。

在路基开挖参数选取方面,《规定》中的路基下穿方式要求表明,若采用开挖施工应尽量浅挖,因此,开挖深度是路堑下穿施工时影响既有高铁桥平顺性的重要因素。开挖宽度也是重要影响因素,但当宽度变量取值加宽到一定程度时坡脚会侵入高铁桥梁的下部结构,致使既有结构稳定性受到严重威胁,因此开挖宽度变量在选取试验水平时将十分受限,将开挖宽度作为变量的研究意义不大,本文将选取开挖深度作为路基开挖参数变量。

在路基填筑参数选取方面,在《规定》中提出当高铁桥下净空满足通行高度,地基土基本承载力大于180kPa且路基填筑高度不大于1m时,可采用路基方式下穿,因此,在极为有限的填筑高度限制条件下,将填筑高度作为影响既有高铁桥梁稳定性的变量意义不大,本文将选取填筑宽度作为路基填筑参数变量。

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第六章 结论与展望

6.1 主要结论

本文以赣州市赣南大道下穿赣深高铁工程为依托,使用有限元分析软件对其施工及后期运营进行了数值模拟,并通过综合考虑相关规范对高铁基础的变形要求,确定了赣深高铁墩台变形的限值、警戒值和预警值,据此对高铁桥基进行安全评估。除此之外,为探究近接距离、开挖参数、填筑参数和施工工法对于既有结构的影响敏感度,首先,利用C#语言对Revit进行二次开发,解决了影响因子敏感度分析时对不同工况的大批量翻模和BIM软件的结构分析功能缺陷问题。然后,构建了适用于路基下穿高铁桥梁工程的多因素多方案横向定量评价模型,对下穿施工工法进行了优劣排序。最后,在原施工方案的基础上将近接距离、路基开挖深度和路基填筑宽度作为变量设计了单因素对比试验,剖析了各因素的变化对墩台变形的影响规律,探讨了近接距离、开挖参数和填筑参数变量取值的水平区间。又结合不同施工工法对于既有高铁桥梁的影响设计了显著性分析试验,梳理了影响高铁桥梁墩台变形各因素之间的主次要关系,对该近接工程影响因子敏感度进行了规律总结,为类似工程施工提供了一套安全风险控制方案。得到的主要结论如下: 

(1)利用Midas GTS/NX对路基施工后的桥梁墩台变形情况进行了模拟检测。数据表明,桥墩顶部顺桥向和横桥向的水平位移量、梁端折角值以及相邻桥墩沉降差值均在预警值范围之内,满足列车安全通行的要求。试验点的沉降量大部分在预警值范围之内,仅有52#桥墩的沉降量在警戒值范围之内但超过了预警值。因此,在施工过程中应