淺談橋墩抗撞設(shè)計

楊元錦

[摘要]通航內(nèi)河上修建的橋梁，橋梁橋墩需考慮船舶的撞擊作用。橋墩的抗撞與防撞設(shè)計關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。不同的船舶撞擊工況對橋墩的撞擊力不同，鐵路與公路中對船舶撞擊力的計算方法亦不同，我們需根據(jù)不同的情況進行分析。結(jié)合工程實例，分析橋墩防撞設(shè)計的要點。

[關(guān)鍵詞]內(nèi)河通航；航速；橋墩；撞擊力；位移；裂縫 文章編號：2095-4085（2017）02-0055-03

內(nèi)航河上修建橋梁，其水上設(shè)墩時，需考慮船舶的撞擊可能性，需設(shè)置防撞措施或驗算橋墩的防撞能力。上海地區(qū)河道眾多，其中較多為通航河。航道等較低的河上修建橋梁時，通常情況下橋墩不設(shè)置防撞措施。因無防撞措施，船舶撞擊橋墩時，兩者剛度均較大，橋墩抗撞能力對橋梁結(jié)構(gòu)的安全顯得尤為重要。本文結(jié)合工程實例對橋墩抗撞進行簡要分析。

1船舶碰撞分析

船舶與橋墩碰撞時不同的撞擊角度其撞擊作用力是不相同的，需分析船舶撞擊角度，以便對橋墩抗撞擊能力進行分析。

（1）情況一：船舶正對著橋墩相撞，相撞后頂住不動，船舶全部動能與橋墩交換（圖1所示）。船舶撞擊力主要為橫橋向的作用力。

（2）情況二：船舶與橋墩成一定交角碰撞。撞擊力分為橫橋向與順橋向。其中船舶與橋墩成交角碰撞時又分為船頭與橋墩碰撞與船身與橋墩碰撞兩種情況。一般情況設(shè)定船頭與橋墩碰撞后，船的全部動能由橋墩來承受（圖2所示）；船身與橋墩碰撞時（圖3所示），橋墩承受的碰撞動能較與船頭碰撞的動能小。

（3）橫橋向橋墩驗算時，最不利工況為工況一，此工況為設(shè)計時考慮的主要工況。驗算橋梁橫橋向與順橋向共同撞擊作用力時，選取情況二中船頭與橋墩成交角碰撞的工況分析。

2撞擊力計算方法

規(guī)范中對船舶撞擊力的計算一般采用“靜力法”，其假定船舶作用于墩臺上的有效動能全部轉(zhuǎn)化為碰撞力所做的靜力功來計算。規(guī)范中對撞擊力進行了簡化計算，省略其次要因素保留其主要因素，能較為準確地反應(yīng)實際的碰撞力。目前國內(nèi)設(shè)計時注意參考以下三種設(shè)計規(guī)范。

（1）公路規(guī)范，在《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG-2015）中，漂流物橫橋向撞擊力設(shè)計值計算公式為：漂流物的撞擊作用點假定在計算通航水位線上橋墩寬度的中點。

其將船舶撞擊作為一種偶然荷載來分析。如缺乏實際調(diào)查資料時，可參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG-2015）中4.4章節(jié)中關(guān)于不同等級航道船舶的撞擊作用力設(shè)計值進行的規(guī)定（表1）。

規(guī)范中規(guī)定：內(nèi)河船舶的撞擊作用點，假定為計算通航水位線以上2 m的橋墩寬度或者長度的中點。

（3）美國規(guī)范，《美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范》（AASHTO—1994）中，其對于水深超過0.6 m處的橋墩，一律按最小撞擊力設(shè)計。最小撞擊力按一個標準底卸式內(nèi)河駁船計算，大于標準底卸式內(nèi)河駁船的，其撞擊力根據(jù)駁船的寬度之比進行修正。計算公式為：P_s=6.0×10⁶+16000α_B（α_B≥100 mm）及P_s=6.0×10⁴+1600α_B（α_B≥100 mm），其撞擊力考慮了駁船的排水量、撞擊速度、水動力質(zhì)量系數(shù)、撞擊能量等綜合因素，其方法計算明確，綜合考慮因素能較為準確的計算出實際船舶碰撞時產(chǎn)生的撞擊力。

（4）對于國內(nèi)的中小河，其通航等級較低，通航的船舶噸位亦較小，因此對于低等級的通航內(nèi)河，橋墩抗撞設(shè)計時通常參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG-2015）中的相關(guān)規(guī)定來對橋墩的抗撞能力進行驗算。

3內(nèi)河航道通航速度

船舶以不同的航速發(fā)生撞基時，撞擊的能量是不同的。對橋梁抗撞進行分析時，首先應(yīng)分析航道內(nèi)船舶的通航速度。根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》（DG/TJ08-2116-2012）中3.3節(jié)中的3.3.

5中對通航內(nèi)河航速進行了相關(guān)分析（表2）。

4工程實例分析

4.1工程概況

上海某路跨越規(guī)劃為7級的通航河，其規(guī)劃河口寬28 m，通航凈寬要求不小于16 m，通航孔梁底控制標高≥6.0（m），其設(shè)計最高通航水位為3.2（m）。因道路為市政道路，道路標高受周邊建筑物地形限制，新建橋梁需盡量降低橋面標高，因此新建橋梁采用10（m）+20（m）+10（m）三跨簡支布置。橋梁上部采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼接空心板梁，下部橋墩采用樁柱式橋墩，橋臺采用扶壁式橋墩?；A(chǔ)采用0800 mm的鉆孔灌注樁。

航道通航等級較低，通常情況下橋墩不設(shè)置防撞措施。設(shè)計時需考慮橋墩的抗撞能力，其應(yīng)滿足橋墩受船舶撞擊時。撞擊作用力下：橋墩基礎(chǔ)應(yīng)滿足其變形在允許范圍內(nèi)，橋墩其承載力滿足撞擊作用力要求（圖4）。

4.2橋墩最大抗撞力分析

由于本項目的通航等級較低，可根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG-2015）中相關(guān)規(guī)定進行簡化計算。對于Ⅶ級航道，一般航段設(shè)計時，如采用公路規(guī)范，采用最大航速13 km/h計算最大橫向撞擊力為183.67 kN；限制航速6 km/h計算最大橫向撞擊力為85.03 kN。

采用鐵路規(guī)范，采用最大航速13 km/h計算得最大撞擊力為246.25 kN；限制航速6 km/h計算最大橫向撞擊力為116.28 kN。根據(jù)鐵路規(guī)范中計算結(jié)果偏差大于根據(jù)公路規(guī)范計算的結(jié)果。因兩者計算偏差值不是很大，對于低等級航道，根據(jù)實際情況采用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定進行驗算橋梁的抗撞能力即可。

4.2.1基本假定

（1）橋墩抗撞驗算時：橫橋向撞擊作用力為150（kN），順橋向撞擊作用力為125（kN）。根據(jù)最高設(shè)計通航水位來計算撞擊作用力位置，作用點標高為5.2（m）處的橋墩蓋梁處。

（2）驗算橋墩立柱的承載力時，承臺下鉆孔灌注樁設(shè)定為彈性支撐。

4.2.2橋墩基本參數(shù)

蓋梁尺寸：寬1.75 m，平均高1.3 m，長22.6 m；材料為C40鋼筋砼。

立柱：φ800 mm，高1.6 m；材料為C40鋼筋砼。

承臺：寬1.6 m，高1.5 m，長22.6 m；材料為CA0鋼筋砼。

樁基：φ800 mm，樁間距為3.0 m，樁長為45 m；材料為水下C30鋼筋砼。

4.2.3基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)資料

土層標高0 m～-13 m處為淤泥質(zhì)粘土層，其m值約為4500；標高-13 m～-27 m處為粘土層，其m值約為7000 kN/m⁴；標高-27m～-47m處為粉質(zhì)粘土層，其m值約為11000 kN/m⁴。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63-2007）中的附錄P中介紹的m法計算，地基的加權(quán)平均m值為9528 kN/m⁴。

經(jīng)計算順橋向a=0.43；橫橋向a=0.50。

根據(jù)“m法”計算樁基剛度系數(shù)計算過程較為繁瑣，利用《橋梁博士》3.2基礎(chǔ)設(shè)計功能計算基礎(chǔ)剛度系數(shù)（坐標系設(shè)定，橫橋向為x，順橋向為y；轉(zhuǎn)角方向為按右手螺旋法則，與坐標軸正方向一致為正）。經(jīng)計算本項目樁基剛度系數(shù)為：

4.2.4橋墩抗撞驗算

計算橋墩蓋梁、立柱、承臺在撞擊作用力下的承載能力及裂縫寬度，可采用MIDAS Civil2015有限元分析軟件建立橋墩模型進行分析。橋墩有限元分析模型如圖5。

把樁基設(shè)定為一般彈性支撐，輸入上述計算所得的剛度系數(shù)。橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載均布加載于蓋梁上，船舶撞擊力點作用于蓋梁上。

經(jīng)邁達斯有限元分析軟件的驗算，橋墩滿足抗撞設(shè)計要求（表3）。

5結(jié)語

橋梁進行抗撞驗算時首先分析其可能存在的碰撞情況，根據(jù)不同的情況進行分析。公路規(guī)范與鐵路規(guī)范對船舶撞擊力計算結(jié)果有一定的偏差。對于低等級航道計算時，根據(jù)鐵路規(guī)范計算的撞擊力偏大于公路規(guī)范。通航等級較低的情況下，根據(jù)實際情況，采用公路規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進行橋墩的抗撞能力驗算即可。對橋墩進行抗撞驗算時，主要分析其在撞擊作用力下的位移與裂縫是否滿足要求。