某橋墩船撞受損病害分析及維修加固

摘 要：文章以某橋墩船撞受損為例，在無法確定撞擊橋墩船的噸位和速度等具體參數情況下，從病害特征分析入手，建立適當的模型，通過對模型分析與檢測結果驗證，給出維修加固方案。

關鍵詞：橋船碰撞；病害分析；維修加固

1 工程概況

某大橋建造于1998年，橋長610m，橋寬8.6m，橋面布置為0.5m（護欄）+7.6m（行車道）+0.5m（護欄）；設計荷載汽-20；主橋上部結構布置為9×30m+6×40m+3×30m，18跨預應力混凝土簡支T梁、I型梁結構，其中40m橋跨為T梁結構類型，30m橋跨為I型梁結構類型。下部為樁柱式墩臺結構，基礎采用混凝土灌注樁基礎。該橋在大橋定期檢查過程中發現，該橋右幅11#墩處立柱端部發生了較大偏位；另外，立柱與系梁相接處出現較寬的裂縫，立柱側面（下游側）存在明顯的撞擊痕跡。

2 病害統計

2.1 船撞位置

橋墩下游側立柱存在明顯的碰撞痕跡，由此判斷該橋立柱受到來自下游方向的船只橫橋向正面撞擊，撞擊區域距離樁頂1.8m～2.5m，橋墩立柱和樁頭都經受了船只碰撞，樁頭的混凝土遭到剪切破壞，立柱側面遭到碰撞擦傷。

2.2 系梁病害

橋墩兩根立柱間的下系梁與立柱交接部位存在明顯的裂縫，其中受撞擊一側（下游）的立柱與系梁裂縫特點為下部裂縫寬，上部裂縫窄，裂縫由下朝上延伸。而上游的立柱與系梁裂縫特點為下部裂縫窄，上部裂縫寬，裂縫由上朝下延伸，而且系梁頂面也存在較寬的裂縫。

2.3 墩殘余偏位

墩受船只撞擊作用（由下游往上游撞擊，其中東側為下游，西側為上游）后，立柱發生偏位，因撞擊過程屬于瞬間作用，上部結構橫向偏位較小，而蓋梁向上游順勢偏位較為明顯，通過測量蓋梁頂面支座墊石與T梁中心的相對位置數據，可知偏位數據的平均值為9.1cm，橋墩被船撞擊后，蓋梁橫橋向殘余的位移為9.1cm左右。

3 計算分析

3.1 樁土作用模擬

根據我國公路橋涵地基與基礎設計規范（JTG D63-2007）用的“m法”確定土的地基系數C，再由其算出土彈簧的水平剛度。“m法”僅適用于樁土位移較小情況，當樁土位移過大時，土體進入塑性破壞階段，因此本次計算時，需要將土體對樁基礎到側向約束剛度進行折減，以便貼近樁土間的真實作用。

3.2 荷載模擬

實際上船只撞擊橋梁時產生的撞擊力取決于船只載重量、船只類型、船首的形狀和構造、船首壓艙情況和撞擊速度等多個因素。對于橋梁防撞設計和評估分析而言，能夠基本把握船撞橋的碰撞力和結構動力反應的簡化分析方法很有實際意義，目前簡化分析方法可以分為幾類：

（1）等效船撞力方法[1]～[2]。這種典型的計算方法分別為各國規范所采用，例如我國的《鐵路橋涵設計基本規范》。通過能量理論、試驗研究和數值計算，將船碰撞時產生的作用力用靜力荷載來代替。這些公式簡單易用，但計算得到的結果與實際有些偏差。

（2）質點彈簧系統方法[3]。質點彈簧系統模擬計算船舶撞擊作用，在已有的研究成果中，對外部撞擊動力學的處理均是將船舶看成剛體或質點，把橋墩處理成剛體或變形體，附連水的作用較為復雜而多采用附加質量處理，或者增加了附加阻尼或浮力；在內部撞擊動力學中，用代表撞擊力與變形關系的彈簧或非線性恢復力模型連接船體與橋墩結構模擬，代替復雜的碰撞接觸過程。

（3）時程荷載方法。用碰撞計算所得撞擊力時程作為荷載輸入分析結構動力反應，同濟大學土木工程防災國家重點實驗室做過這方面到研究。采用撞擊力時程代替接觸過程作為輸入，分析結構反應，這種撞擊力時程本身亦是通過碰撞接觸計算得到的，并沒有從根本上簡化船撞分析方法。采用時程荷載方法進行簡化分析，關鍵在于如何確定這種時程荷載。

本次被撞橋墩的肇事船只無法確認，其船只噸位、排水量、撞擊速度等參數無法獲取，樁柱在船體碰撞過程中得撞擊力難以確定，但是橋墩蓋梁頂部支座墊石中心相對梁體中心的橫橋向偏位殘留值9cm左右。因此本次計算分析時根據目前常用的撞擊力計算公式，先初步擬定一個可能的等效靜力撞擊力，通過計算橋墩頂部位移量，迭代撞擊時的等效撞擊靜力荷載。本橋交通量小，撞擊時僅考慮船只撞擊橫向作用、上下部結構自重。船只撞擊力作用點為系梁以上1.8m～2.5m之間。

3.3 計算結果

（1）根據理論分析在橫向力作用下對樁基的影響深度為從樁頂以下25m范圍，根據JTG D63-2007《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，對樁柱圓形截面鋼筋混凝偏心受壓構件進行承載力驗算：立柱承載能力滿足設計要求，但是系梁和部分樁身不滿足其承載能力要求，會出現開裂病害。

（2）被撞擊的立柱，其撞擊部位的彎矩還沒超出立柱的承載能力，實際現場檢查也表明撞擊部位的立柱未出現明顯裂縫。

（3）系梁與立柱連接處彎矩較大，已超出其承載能力。這與系梁開裂病害特征相符合。

（4）本次計算時，為便于計算和分析，不考慮土體的塑性變形導致墩頂出現較大的橫向殘余位移，僅僅考慮墩柱的彈性變形，當立柱發生9cm的彈性變形時，樁身所承受的撞擊力已經超出其承載能力。而實際情況是，目前樁身橫向變位的殘余變位已經達到9cm，由此可見實際撞擊過程中蓋梁頂端橫向變位遠遠超過9cm，樁身承受的撞擊作用已經遠超出其承載能力。

4 病害檢測驗證與分析

4.1 病害檢測

事故發生后，橋位處水位處于高水位階段，江水渾濁、流速較大，難以通過水下檢測方式對墩柱水下部進行檢測，但是計算表明，樁基礎存在嚴重的受損斷面，為此對橋面和橋下采取了交通管制措施。經過與附近水文觀測站溝通，檢測方在枯水期落潮時段，待系梁下方1m左右的樁基礎露出水面后，采用高壓水槍清洗樁基礎表面，對下部結構進行了表觀檢測。檢測表明，系梁下方的樁基礎存在嚴重的受損裂縫，裂縫位置與理論分析基本一致。其中直接受船撞擊作用的下游樁身裂縫長度較長，最長接近樁身周長的3/4，寬度較大，上游樁身裂縫長度較小，寬度較小。

4.2 病害分析

理論分析表明樁身存在兩處斷裂面：一處在系梁下方；另外一處在樁頂往下的16m處，且該處病害較為嚴重。目前樁頂與系梁相接部位病害通過檢測已經得到了驗證，說明計算模型合理。通過該模型也能推定樁頂往下的16m處存在嚴重斷裂面。考慮到河床深處的樁身病害難以檢測，本次不再作深入檢測，僅依據理論分析結果對其進行處治。

通過理論分析與檢測驗證，可見撞擊作用已遠遠超出樁身承載能力，此樁基已失去了再次承受橫向撞擊的能力，因此有必要采取措施來增強該橋墩的橫向抗彎承載能力。

5 基樁維修加固方案

通過現場實際詳細勘察和病害理論分析結果，橋墩基樁嚴重受損，已不能保證正常的安全運營。現采取如下維修加固方案，相關要點如下：（1）在墩上下游（西、東側）各新設一排鉆孔灌注樁，每排樁2根，新老樁端部澆筑在新設的三角形承臺內。（2）舊樁繼續承擔上部結構傳遞的豎向荷載，新樁輔助老樁承擔水平荷載。

參考文獻

[1]黃志斌.橋墩碰撞力的力學模型與計算方法研究[D].廣州：廣東工業大學，2009.

[2]曾鵬，羅旗幟，陳玉驥.橋墩碰撞在多參數影響下的水平位移[J].佛山科學技術學院學報，2013，31（3）：11-17.

[3]Highways Agency Contract Reports. Computer simulation of heavy vehicle collisions with bridges[R]. Ove Arup and Partners，1997.

[4]陳誠.橋梁設計船撞力及損傷狀態仿真研究[D].同濟大學，2007.

作者簡介：羅文林（1980-），男，碩士，工程師，長期從事橋梁檢測、維修加固等養護方面的工作。