橋梁主墩橫向承載力分析

仲南艷 秦學(xué) 趙眈崴

摘 要：文章結(jié)合工程實例，從力學(xué)角度出發(fā)，利用有限元模型，一方面分析了在給定撞擊力作用下的橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；另一方面研究了橋墩基礎(chǔ)在橫向荷載作用下的內(nèi)力響應(yīng)，并與船舶撞擊荷載計算值進行對比分析。通過研究為是否建設(shè)防撞設(shè)施提供了理論依據(jù)，文章的研究對深化橋梁防撞分析具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：橋墩 撞擊力 承載力

在江海河湖等的跨航橋梁工程中，對于內(nèi)河限制性航道，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014）和《運河通航標(biāo)準(zhǔn)》（JTS 180-2-2011）均規(guī)定，跨航橋梁應(yīng)一跨過河；而對于水域較寬天然河流及大江大河，橋梁則難以一跨過河，往往需在水中設(shè)墩，否則橋梁造價將非常大，建造難度也非常大，會造成經(jīng)濟和社會成本的不必要浪費。但是，出于保障船舶通航和橋梁安全性角度考慮，對于水中設(shè)墩的跨航橋梁，一般均需設(shè)置防撞墩等防撞設(shè)施，以確保一旦發(fā)生船舶撞擊事故，防撞墩將先被撞，且防撞墩一般均可承受限定范圍內(nèi)的船舶橫向撞擊力而不被破壞，從而可確保橋梁自身不受到任何撞擊而出現(xiàn)損壞。實際中，對于橋梁自身的結(jié)構(gòu)恒載以及車輛、人行等引起的活載方面的縱向承載能力分析研究較多，而對于橋梁下部樁基、墩柱以及承臺等結(jié)構(gòu)的橫向承載能力的研究則相對較少。文章結(jié)合工程實例，先是對橋梁自身的極限承載力與撞擊力進行了比較研究，而后對既有撞擊力作用下橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分別進行了分析研究，以此進一步復(fù)核既有設(shè)計條件下橋梁的橫向承載能力。文章研究可為今后深化橋梁的防撞分析提供一定的借鑒作用。

1.工程概況

浙江省河網(wǎng)密集，水道縱橫，北部為內(nèi)河限制性航道貫通成網(wǎng)，南部為天然河流，獨立成線。曹娥江就是浙江省東中部地區(qū)一條天然河流，自南而北，由磐安經(jīng)新昌、嵊州、上虞、柯橋，經(jīng)紹興三江口繼續(xù)以下過曹娥江大閘最終注入杭州灣，干流全長約200公里。曹娥江江面相對寬闊，汛期和連續(xù)降雨則水流流速較快；非汛期等其他時間則水流相對平緩。曹娥江也是浙江省的內(nèi)河骨干航道之一，更是紹興地區(qū)貨物外運的重要水運主通道，下游段已按天然四級航道建成，為更好發(fā)揮全線的航運效益，以進一步服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，上游段擬按天然四級航道標(biāo)準(zhǔn)進行整治。近期，航道梯級整治工程中包括新建500噸級船閘一座、一座二級公路橋及整治沿線的航道，以滿足兩岸交通溝通需求。橋梁所在位置江面寬闊，達400余米寬，主橋橋墩及部分引起橋墩均置于河道中，此處橋梁按照1000t級防撞標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，在主墩處設(shè)置了3個1000t級防撞墩。橋梁區(qū)域鉆孔地質(zhì)地質(zhì)情況大體可分為粉土層、卵石層和中風(fēng)化凝灰?guī)r持力層，中風(fēng)化凝灰?guī)r埋深較深，在50～60m左右。

主橋采用66m+110m+66m的變截面三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主橋主墩采用柱式墩加矩形承臺1188×738m的結(jié)構(gòu)型式，矩形承臺為1188×738m，承臺下部采用6根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，直徑均為1.8m，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)深入中風(fēng)化凝灰?guī)r持力層。墩身混凝土采用C40，承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

2.給定撞擊力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

主要原理：（1）建立MIDAS結(jié)構(gòu)有限元仿真模型，分析給定撞擊力下的橋墩最不利構(gòu)件的最大內(nèi)力；（2）根據(jù)設(shè)計確定的橋墩尺寸、配筋等，依照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）偏心受壓構(gòu)件正截面極限承載能力，計算軸力對應(yīng)下的極限彎矩；（3）比較上述兩者差異，確定橋墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.1利用MIDAS模型計算一定撞擊力下水中橋墩最不利構(gòu)件的內(nèi)力值

2.1.1撞擊力計算及撞擊點位分析

（1）船舶撞擊力計算：《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）取消了2004年版規(guī)范所規(guī)定的三級及以上航道相應(yīng)噸級船舶撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值取值，建議按專題研究確定船舶撞擊力。

鑒于實際航行的情況，可參照漂流物橫橋向撞擊力公式，見式（1），考慮船舶超載、航速因素，可將水流速度替換為船舶航速計算船舶撞擊力。

式（1）中：F-漂流物橫橋向撞擊力，kN；W-漂流物重力，kN，根據(jù)河道中漂流物情況，可按實際調(diào)查確定，取（1700×9.81）kN；V-水流速度，m/s，取3m/s；T-撞擊時間，s，在無實際資料時，可用1s；g-重力加速度，m/s2，取9.8m/s2。

經(jīng)計算，得最大撞擊力F為5100 kN。

（2）撞擊點位置確定：因航道設(shè)計最高、最低通航水位下橋梁被撞位置均為橋墩區(qū)域，且最高通航水位下最為不利，故根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）“內(nèi)河船舶的撞擊作用點，假定為計算最高通航水位線以上2m的橋墩寬度或長度的中點”，取最不利工況，即最高通航水位線以上2m為橋梁橋墩被撞擊點。

2.1.2單元模擬及邊界條件假定

（1）單元模擬：假定墩柱、承臺、樁基均為一維線性梁單元。

（2）邊界模擬：自上而下，橋梁為連續(xù)梁橋，上下結(jié)構(gòu)水平向約束較弱，不考慮約束；承臺為剛性體，承臺與樁基為剛性連接；樁基為嵌巖樁，樁基于端部土體視為剛性連接，樁基與側(cè)向土體采用等代土彈簧來模擬。

（3）彈簧的剛度由土介質(zhì)的m值計算，m值根據(jù)實測的地質(zhì)資料，按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D60-2015）地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)取值。等代土彈簧剛度利用式（2）計算。

式（2）中：a-各土層厚度，m；b1-樁計算寬度，m；m-地基土的比例系數(shù)，kN/m4；z-各土層中點與地面的距離，m。

2.1.3 MIDAS模型及結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

建立主墩MIDAS模型。給定撞擊力下5100kN下，計算最不利構(gòu)件樁基的內(nèi)力，根據(jù)彎矩圖和軸力圖可知，最大彎矩6735 kN？m，此處軸力為13700kN。

2.2根據(jù)偏心受壓構(gòu)件正截面極限承載能力公式計算極限承載能力

圓截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件正截面抗壓承載力計算公式，見式（3）～式（5）。

根據(jù)式（3）～式（5），計算得到截面極限承載力13700kN，8750kN？m。

2.3最大內(nèi)力與極限承載能力比較分析

在同軸力值下，截面的彎矩承載力為8750k N？m，大于受力6735 kN？m。因此，在給定撞擊力5100kN下，主墩結(jié)構(gòu)不受破壞。

3.橋墩防撞能力分析

（1）利用已建立的MIDAS模型，計算結(jié)構(gòu)在水平撞擊力F=1作用下的內(nèi)力值（軸力NO，彎矩MO）；

根據(jù)以上思路，計算得到本橋梁主墩結(jié)構(gòu)的最大防撞力為8500kN。

4.主要結(jié)論

通過上述有限元計算分析可以得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)偏心受壓構(gòu)件正截面極限承載能力公式及MIDAS有限元模型計算，均得到橋梁主墩結(jié)構(gòu)最大防撞力約為8500～8750kN，大于按照漂流物計算公式分析，1000t級船舶在3m/s航速下產(chǎn)生的的最大撞擊力5100kN。即本橋梁主墩結(jié)構(gòu)可保持穩(wěn)定不受破壞。

（2）考慮到主橋結(jié)構(gòu)在本工程中的重要性，以及若發(fā)生船撞橋事故可能產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會影響，本工程在設(shè)計中仍然設(shè)置3個防撞墩，且防撞墩機構(gòu)自身能抵抗船舶的撞擊作用，因此，可起到雙重保險作用，以避免橋梁自身主墩結(jié)構(gòu)受到任何外觀形式上的撞擊損傷。

5結(jié)束語

綜上所述，對于跨大江、跨大河的非限制性航道中建設(shè)的各類橋梁，不可避免會經(jīng)常發(fā)生在水中設(shè)橋墩的情況，以合理控制工程造價和技術(shù)難度。因而，橋墩防撞問題日益成為每次橋梁設(shè)計過程中以及建設(shè)中的重點研討內(nèi)容之一。通過文章的研究，可為今后深化橋梁防撞分析提供一定的理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗。

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