技术领域
[0001] 本申请涉及桥梁施工技术领域，尤其涉及一种区域划分方法及装置。
相关背景技术
[0002] 近年来，随着城市建设的发展，工程安全问题至关重要。在桥墩近旁临时堆载时会对既有桥梁产生影响，威胁桥墩附近的施工人员的生命安全，因此为保障安全施工，开展临时堆载近接既有桥墩的研究成为必要。
具体实施方式
[0043] 下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
[0044] 下面结合附图来描述本申请实施例的区域划分方法及装置。
[0045] 图1是根据本申请一个实施例的区域划分方法的流程示意图。如图1所示，本申请实施例的区域划分方法具体可包括以下步骤：
[0046] S101，获取桥墩近旁堆载的高度。
[0047] 具体的，堆载可以为桥墩附近基坑工程挖掘后来不及运走的渣土等。在堆载与桥墩之间的近接距离固定时，堆载的高度不同会对既有桥梁产生不同程度的影响，因此通过获取桥墩近旁堆载的高度H来进行桥墩近旁区域的安全等级的划分。例如获取桥墩近旁堆载的高度H为H2＝16米(m)。
[0048] S102，获取预先存储的区域划分规则，区域划分规则包括多个不同安全等级的区域下堆载与桥墩之间的近接距离与高度需满足的条件。
[0049] 具体的，预先建立区域划分规则，并存储该区域划分规则。作为一种可行的实施方式，多个不同安全等级的区域具体可包括安全等级逐渐增加的第一安全等级的区域、第二安全等级的区域和第三安全等级的区域，安全等级越高，对应区域的安全性越低。第一安全等级的区域是指对既有构筑物不会产生明显影响的施工区域。第二安全等级的区域是指会对既有构筑物产生不利沉降、变形的施工区域，应在施工过程中实时监测邻近构筑物的沉降、变形，必要时应对既有构筑物采取相应保护措施。第三安全等级的区域是指应避免进行施工的区域，可能导致既有构筑物产生较大沉降、倾斜甚至倾覆破坏，若无法避开，应对邻近构筑物采取可靠的保护措施。
[0050] 堆载与桥墩之间的近接距离B0即堆载与桥墩之间的垂直距离。第一安全等级的区域和第二安全等级的区域对应的近接距离B0的临界值，具体可为第二安全等级的区域和第三安全等级的区域对应的近接距离B0的临界值的2倍。例如，如图2所示，第一安全等级的区域(Ⅰ)下近接距离B0与高度H需满足的条件为：B0＞H，第二安全等级的区域(Ⅱ)下近接距离B0与高度H需满足的条件为：H/2＜B0≤H，第三安全等级的区域(Ⅲ)下近接距离B0与高度H需满足的条件为：B0≤H/2。第一安全等级的区域和第二安全等级的区域对应的近接距离B0的临界值H，为第二安全等级的区域和第三安全等级的区域对应的近接距离B0的临界值H/2的2倍。
[0051] S103，根据高度和区域划分规则，确定多个不同安全等级的区域下近接距离需满足的条件。
[0052] 具体的，根据步骤S101获取的高度H和步骤S102获取的区域划分规则，确定多个不同安全等级的区域下近接距离需满足的条件。以堆载高度H为16m的情况为例，则第一安全等级的区域下近接距离B0需满足的条件为：B0＞16m，第二安全等级的区域下近接距离B0需满足的条件为：8m＜B0≤16m，第三安全等级的区域下近接距离B0需满足的条件为：B0≤8m。
[0053] 本申请实施例的区域划分方法，获取桥墩近旁堆载的高度，获取预先存储的区域划分规则，区域划分规则包括多个不同安全等级的区域下堆载与桥墩之间的近接距离与高度需满足的条件，根据所述高度和所述区域划分规则，确定所述多个不同安全等级的区域下所述近接距离需满足的条件。通过划分桥墩近旁区域的安全等级，保障了安全施工。
[0054] 进一步的，如图3所示，上述步骤S102中的“区域划分规则”具体可通过以下步骤生成：
[0055] S301，构建桥墩近旁堆载计算模型。
[0056] 具体的，如图4所示，假设桥梁设计荷载为城—A，T形桥墩高11.8m，桥墩基础采用桩基础，桥墩下的承台为8×4.5×2m的矩形混凝土块体，埋深为2m，承台下有六根桥桩，桩基构造图如图5所示，桩基础采用混凝土灌注桩，桩径为1m，桩长为9m，受力形式为摩擦—端承型桩，桩体穿过素填土层和粘土层，桩底嵌固在中风化土层中。
[0057] 模型范围内土层归结为3层，按深度排列由上到下依次是表层素填土、黏土、中风化土层，各土层的工程参数如表1所示：
[0058] 表1土层的工程参数
[0059]
[0060] 为探究堆载对近旁既有桥梁的影响机理，需要构建桥墩近旁堆载计算模型。上述步骤S301“构建桥墩近旁堆载计算模型”具体可包括以下步骤：采用实体单元模拟所述桥墩近旁堆载计算模型中的堆载模型和桥墩模型；采用梁单元模拟所述桥墩近旁堆载计算模型中的承台模型；采用线型单元模拟所述桥墩近旁堆载计算模型中的桥桩模型；采用接触单元模拟所述桥墩近旁堆载计算模型中的桥桩‑土摩擦截面。其中，所述堆载模型的坡脚构建为预设坡度，所述预设坡度的取值范围为30度至60度。例如所述预设坡度为45度。所述堆载模型采用表层素填土。
[0061] 首先构建固定近接距离的桥墩近旁堆载计算模型，例如近接距离为2m的桥墩近旁堆载计算模型。考虑模型尺寸对计算结果的影响，建立78*14.5*30m岩土模型，如图6、图7所示，图6为桥墩近旁堆载计算模型的立面图，图7为桥墩近旁堆载计算模型的侧视图。由于研究并不关注堆载右侧反应，且模型受力主要来自堆载的压力，右侧可以按对称建模处理，堆载取一半建模，右侧断面仅约束x方向(横向)自由度，在距离既有桥墩2m的位置建立坡脚为的堆载模型，堆载高度H2＝20m，堆载模型采用实体单元模拟，堆载模型预定为表层素填土，工程参数与岩土层表面素填土层相同。
[0062] 桥墩模型采用实体单元模拟，承台模型采用梁单元模拟，依据桩基构造图图5赋予承台模型尺寸。桩简化为线型，桥桩模型采用线型单元模拟，截面形状等条件作为单元属性赋予线型单元中，桥墩模型采用强度为c30的混凝土，弹性模量Ec＝30GPa，密度为ρc＝25KN/3
m ，采用弹性本构模型。桥桩‑土摩擦截面采用接触单元模拟，具体建模情况如图8‑图10所示。图8为桥桩‑承台模型的轴测图，图9为桥桩‑承台模型的立面图，图10为桥桩‑承台模型的侧面图。
[0063] 如图11所示，对桥墩近旁堆载计算模型进行网格划分：采用映射法手动生成网格，网格尺寸为2×1×2m的六面体岩土单元，为取得较为精确的结果，桥桩和承台部位网格局部加密。
[0064] 构建不同近接距离的桥墩近旁堆载计算模型，只需设定不同的近接距离即可，其他条件不变。
[0065] S302，根据桥墩近旁堆载计算模型，模拟生成桥墩偏移量、高度和近接距离三者之间的对应关系。
[0066] 具体的，堆载过程分为五步进行，每一次堆载高度为4m，最高的堆载高度为20m。
[0067] 以近接距离为2m的桥墩近旁堆载计算模型为例，提取计算后的桥墩近旁堆载计算模型变形图如图12‑图18所示，图12为堆载前桥墩近旁堆载计算模型的变形云图，图13‑图17依次为堆载高度为4m、8m、12m、16m、20m时桥墩近旁堆载计算模型的变形云图，图18为堆载高度为20m时桥墩近旁堆载计算模型的位移矢量图。为观测方便，将形变增大3倍，同时比较堆载增加过程桥墩偏移量变化的过程，可知：
[0068] a、桥墩近旁堆载计算模型最大变形发生在堆载模型及其下方的土体，最大位移70厘米(cm)。
[0069] b、堆载对近旁既有桥墩的主要影响为桥墩在背向堆载的方向发生的偏移，随堆载土方量的不断增加，既有桥墩偏移量不断增大，最大偏移量为8.975cm。
[0070] 提取各近接距离下既有桥墩的偏移量(偏移量)，得到图19所示的近接距离—桥墩的偏移量关系图。分析可知：随近接堆载土方量的增大，既有桥墩的偏移量不断增大，堆载高度H2＝20m时，最大偏移量为δmax＝8.975cm，且通过研究堆载高度H2与桥墩的侧移量δ之间的关系，可以发现，桥墩的侧移量随堆载高度的化呈线性增长。
[0071] 既有桥墩侧移量δ随堆载高度H2的变化关系依据如下关系进行变化：
[0072]
[0073] 可认为在强度范围内，堆载行为对桥墩受力及形变产生线性影响，因此对于近接范围的划定也应该是线性的；对于危险距离及堆载的关系应呈正相关关系，即：
[0074] 危险近接距离B0∝堆载高度H
[0075] 现行《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002·1—99)(以下简称“桥规”)中，关于墩台顶帽面垂直桥梁轴线方向水平位移有如下规定：Δ≤5L(Δ以mm计)。基本思路是通过静力计算方法限定桥墩的横向位移，以确保线路平顺，列车运行安全。这对于以前的客车速度120km/h是适应的，对于客车提速至160km/h，上述规定是否合理，应进行适当的研究。
[0076] 日本和欧洲各国规范主要采用墩台横向水平位移差所引起的相邻结构物轴线间水平折角作为桥墩横向水平位移限值，但各国规范对水平折角的限值规定有一定差别，参见表2。日本规范中，水平折角计算仅考虑列车活载作用，其折角限值为：当V＝160km/h时，按跨度分类为4‰(L≥30m)和3·5‰(L<30m)。欧盟规范明确指出：包括上部结构和下部结构(桩、基础和桥墩)产生的横向水平折角，其荷载组合包括考虑动力系数的活载、风荷载、横向摇摆力、离心力和上部结构两侧温差，当120km/h160km/h区段不得超过1‰。确定水平折角的荷载组合为：带有离心力的活荷载，横向摇摆力，桥墩，梁体和车上的风荷载，桥墩和梁体结构的温度差，由于地基位移造成的转动等。
[0077] 表2各国规范对水平折角的限值规定
[0078]
[0079] 根据表2可知，日本规范及欧盟规范都有对应160km/h左右速度的桥墩顶横向水平位移限值。日本规范横向水平位移限制要求较宽，对应于客车速度160km/h相邻结构物轴线间水平折角限值为3·5‰～4‰，其相应的墩顶位移值均远大于我国规范的5L的限值要求。
[0080] 因此按照最不利因素考虑，应选择我国的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002·1—99)关于墩台顶帽面垂直桥梁轴线方向水平位移的规定：Δ≤5L(Δ以mm计)。本申请实施例中的一跨长度为10m，则Δ≤5cm。
[0081] 如图20‑图21所示，改变临时堆载与近旁桥墩之间的近接距离，设定近接距离D0分别为D0＝0m、4m、8m、12m、16m、20m、24m、28m、32m、36m，其他条件不变，研究不同近接距离近接堆载对既有桥墩的影响机理及规律。
[0082] 提取各近接距离、各堆载高度下既有桥墩的偏移量，绘制如图22所示的近接距离‑高度‑桥墩偏移量变化关系图。分析可知：随近接距离的增大，近接堆载对既有桥墩的影响不断减小，最大偏移发生在B0＝0m，第四次堆载时，最大侧移量为δmax＝7.3cm。
[0083] S303，根据对应关系生成区域划分规则。
[0084] 具体的，作为一种可行实施方式，该步骤具体可包括：获取桥墩偏移量的规定上限值，根据对应关系和规定上限值生成区域划分规则。
[0085] 对图22所示的近接距离‑高度‑桥墩偏移量变化关系图分析可知，影响桥墩偏移量与堆载高度在距离较近时呈现线性关系。由上限值Δ＝5cm可知，当堆载高度为16m的情况下，较危险的距离为近接8m，以一倍危险距离为安全冗余的情况下，安全距离可设为16m；当堆载高度为12m的情况下，较危险的距离为8‑4m之间，由于安全距离的线性特征，可线性内插取6m为危险距离，以一倍危险距离为安全冗余的情况下，安全距离可设为12m。
[0086] 因此，当近接距离B0＝H/2时位移大于Δ，处于危险状态；之后随近接距离的减少逐渐趋于安全，以2倍的危险距离为安全距离考虑，安全近接距离则为B0≥H，据此生成上述实施例中的区域划分规则。
[0087] 本领域技术人员可以理解，如图23‑图24所示，本申请实施例中1.1.3桥墩近旁堆载对桥墩的影响的机理如下：桥桩上部与承台固结，桩端嵌固在地底基岩中，可视为铰支座，在堆土工况下，桥桩的基本变形模式为桥桩连同上部承台及桥墩结构向背向土堆一侧偏移。固定堆载影响可以看做半自由无限范围土体上的剪切板破坏过程，根据Prandl提出的地基破坏模式，在堆载发生初期荷载下塑性区仅仅发展到地基某一范围内，土中滑动面并不延伸到地面，基础两侧地面微微隆起，没有出现明显的裂缝。此时两侧的土体移动导致了桥梁的侧移，然而，由于桥梁桩端的嵌固作用使得桥梁基础的底部相当于具有初始位移的铰支座，限制了桩底部位移的从而引起力桩身弯减变形和建立和弯矩内力的增加。
[0088] 为清楚说明本申请实施例的区域划分方法，下面结合图25进行详细说明。图25为根据本申请另一个实施例的区域划分方法的流程示意图。如图25所示，本申请实施例的区域划分方法具体可包括以下步骤：
[0089] S251，获取桥墩近旁堆载的高度。
[0090] S252，采用实体单元模拟桥墩近旁堆载计算模型中的堆载模型和桥墩模型。
[0091] S253，采用梁单元模拟桥墩近旁堆载计算模型中的承台模型。
[0092] S254，采用线型单元模拟桥墩近旁堆载计算模型中的桥桩模型。
[0093] S255，采用接触单元模拟桥墩近旁堆载计算模型中的桥桩‑土摩擦截面。
[0094] S256，根据桥墩近旁堆载计算模型，模拟生成桥墩偏移量、高度和近接距离三者之间的对应关系。
[0095] S257，获取桥墩偏移量的规定上限值。
[0096] S258，根据对应关系和规定上限值生成区域划分规则。
[0097] 本申请实施例的区域划分方法，获取桥墩近旁堆载的高度，获取预先存储的区域划分规则，区域划分规则包括多个不同安全等级的区域下堆载与桥墩之间的近接距离与高度需满足的条件，根据所述高度和所述区域划分规则，确定所述多个不同安全等级的区域下所述近接距离需满足的条件。通过划分桥墩近旁区域的安全等级，保障了安全施工。
[0098] 为了实现上述实施例，本申请实施例还提出一种区域划分装置，该区域划分装置可实现上述任一实施例的区域划分方法。如图26所示，本申请实施例提出的区域划分装置具体可包括：第一获取模块261、第二获取模块262和确定模块263。其中：
[0099] 第一获取模块261，用于获取桥墩近旁堆载的高度。
[0100] 第二获取模块262，用于获取预先存储的区域划分规则，区域划分规则包括多个不同安全等级的区域下堆载与桥墩之间的近接距离与高度需满足的条件。
[0101] 确定模块263，用于根据高度和区域划分规则，确定多个不同安全等级的区域下近接距离需满足的条件。
[0102] 进一步的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，第二获取模块262还用于：构建桥墩近旁堆载计算模型；根据桥墩近旁堆载计算模型，模拟生成桥墩偏移量、高度和近接距离三者之间的对应关系；根据对应关系生成区域划分规则。
[0103] 进一步的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，第二获取模块262具体用于：获取桥墩偏移量的规定上限值；根据对应关系和规定上限值生成区域划分规则。
[0104] 进一步的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，第二获取模块262具体用于：采用实体单元模拟桥墩近旁堆载计算模型中的堆载模型和桥墩模型；采用梁单元模拟所述桥墩近旁堆载计算模型中的承台模型；采用线型单元模拟桥墩近旁堆载计算模型中的桥桩模型；采用接触单元模拟桥墩近旁堆载计算模型中的桥桩‑土摩擦截面。
[0105] 进一步的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，堆载模型的坡脚构建为预设坡度，所述预设坡度的取值范围为30度至60度。
[0106] 进一步的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，预设坡度为45度。
[0107] 进一步的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，桥墩模型采用强度为c30的混凝土。
[0108] 进一步的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，多个不同安全等级的区域包括安全等级逐渐增加的第一安全等级的区域、第二安全等级的区域和第三安全等级的区域；第一安全等级的区域和第二安全等级的区域对应的近接距离的临界值，为第二安全等级的区域和第三安全等级的区域对应的近接距离的临界值的2倍。
[0109] 需要说明的是，前述对区域划分方法实施例的解释说明也适用于该实施例的区域划分装置，此处不再赘述。
[0110] 本申请实施例的区域划分装置，获取桥墩近旁堆载的高度，获取预先存储的区域划分规则，区域划分规则包括多个不同安全等级的区域下堆载与桥墩之间的近接距离与高度需满足的条件，根据所述高度和所述区域划分规则，确定所述多个不同安全等级的区域下所述近接距离需满足的条件。通过划分桥墩近旁区域的安全等级，保障了安全施工。
[0111] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0112] 尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
