山區橋梁雙柱式高墩受滾石撞擊的影響分析

張佳寧 解 珂 陽 波 胡錦鵬 周 鵬（重慶科技學院建筑工程學院，重慶401331）

近年來，為平衡地區經濟發展，國家大力開發西部山區交通基礎設施建設，大量高等級公路、鐵路、橋梁等大型基礎設施向山區挺近，而山區地形復雜，有很多的河谷和深溝且不良地質比較發育的地帶，為了連接各個交通路段，同時考慮到保護西部自然生態環境和山區有限的耕地資源，山區在修建公路時會采用許多非規則橋梁以跨越河谷和深溝。橋梁往往架在陡坡上，下部為雙柱式高墩，且墩高相差懸殊。

采用雙柱式橋墩可以減小材料用量，減少橋墩重量[1]。而且施工也較為方便，造型美觀，工程進度快。但是這類橋墩的剛度差、抗撞擊能力差。近年來已發生多次由于撞擊造成的重大橋梁損害事故，橋墩防撞問題也引起了人們的重視，特別是橋墩的防船舶撞擊。但在西部山區，大多數橋梁并不存在船舶撞擊的問題，而更多的是面臨地震、山洪爆發、崩塌、滑坡或其他因素引起的滾石撞擊問題。且我國西部山區又處在地震高發地帶上，多高山、多峽谷、碎石資源豐富，屬于滾石災害高發地區，使得山區橋梁橋墩部位受滾石撞擊的問題越來越突出。雖然滾石撞擊造成的損傷沒有船舶劇烈，但是滾石的沖擊作用很大[2]。滾石災害的發生將會影響到山區橋梁的使用狀況[3]。一旦橋梁受滾石撞擊影響損壞，尤其是橋墩部位，將嚴重威脅到山區交通路線的安全運營以及人員活動安全。然而針對滾石撞擊橋墩，公路橋梁領域尚無規范可查[4]。所以研究山區橋梁雙柱式高墩受滾石撞擊的動力響應，提高山區橋梁雙柱式高墩抗滾石撞擊性能，對保證山區交通運營安全有著十分重要的意義。

本文基于ANSYS 有限元軟件，以某典型大橋為原型，建立了雙柱式高墩有限元模型，并模擬了滾石撞擊橋墩的全過程，分析其在滾石撞擊作用下的動力反應，以期為今后類似的山區橋梁抗滾石撞擊設計，提供一定意義的理論參考。

1 工程背景

本文以某典型大橋為具體研究對象，橋墩形式為雙柱式橋墩，橋墩高度（含蓋梁）40m，橋墩截面為圓形，截面半徑長為1.15m；橋墩縱向配置的受力鋼筋數為48 根，縱向鋼筋直徑大小為28mm，箍筋的直徑為12mm，間距200mm；滾石球體形狀的花崗巖。

2 材料模型

2.1 混凝土材料

2.2 鋼筋材料

本文中的鋼筋材料本構采用隨動強化雙線性彈塑性模型，本文中的鋼筋材料本構模型部分參數選取如表1 所示。

表1 鋼筋材料本構模型參數

2.3 滾石材料

3 滾石撞擊橋墩模擬分析

本文采用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件，建立橋墩、滾石、鋼筋有限元模型，其中橋墩混凝土采用SOLID164 單元進行模擬，鋼筋采用LINK160 單元進行模擬。關于滾石與橋墩相互接觸時的相互作用，本文在進行分析時，采用了自動面- 面接觸來分析模塊。滾石模型同樣采用的是SOLID164 單元。

本文的研究不考慮墩高、樁基深度對橋墩動力響應的影響，橋墩底面用固結代替撞擊對橋墩的約束作用，按照滾石初始速度和撞擊位置的不同工況建立模型進行分析。滾石不同的撞擊速度、不同的撞擊位置工況參數詳見表2 所示。

表2 不同工況參數

4 橋墩動力響應分析

經過顯示動力學計算，滾石撞擊橋墩的瞬間，橋墩被撞區域的應力值瞬間變大到一個峰值，然后迅速減小達到一個新的應力峰值，而后續出現的應力峰值均小于首次應力峰值，見圖2。對比分析不同工況下橋墩的應力變化，從圖2 中可以看出，工況1、2 條件下，橋墩被撞擊瞬間等效應力的變化值大小變化情況呈現為，工況2＞工況1；工況3、4 條件下，橋墩被撞擊瞬間等效應力的變化值大小變化情況呈現為，工況4＞工況3，可以看出，滾石撞擊初始速度越大，橋墩等效應力的變化值越大。對比分析工況1 和工況3，可以看出，等效應力變化值大小變化情況呈現為，工況1＞工況3；對比工況2 和工況4，可以看出，等效應力變化值大小變化情況呈現為，工況2＞工況4。可以看出，相同的滾石撞擊初始速度、不同撞擊位置的條件下，橋墩應力變化的最大值不同，距離橋墩上部結構底面H/3 情況下的應力變化最大值比H/2 情況下的應力變化最大值要大。撞擊位置距離橋墩底部越近，橋墩等效應力變化最大值越小。

圖1 橋墩應力變化對比分析

從以上分析中可以看出，本文模擬的滾石撞擊橋墩過程，在滾石不同初始速度、不同撞擊位置的工況條件下，橋墩應力變化呈現的規律為，被撞擊瞬間達到應力變化的最大值；橋墩應力變化最大值的大小與滾石撞擊初始速度有關，滾石撞擊初始速度越大，橋墩應力變化最大值越大；橋墩應力變化最大值的大小還與滾石的撞擊位置有關，撞擊位置距離橋墩底部越近，橋墩應力變化最大值越小。

5 結論

為了提高橋墩的抗滾石撞擊性能，減輕橋墩受滾石撞擊的影響程度，本文在有限元模擬分析的基礎上分析了橋墩結構在滾石撞擊作用下的應力變化情況，對比分析了橋墩結構在不同位置、不同初始速度的滾石撞擊下的動力響應，最后本文得到以下主要結論：

5.1 橋墩被撞擊區域應力的變化與滾石撞擊初始速度有關，橋墩被撞擊區域應力變化最大值隨滾石撞擊初始速度增加而增加。

5.2 橋墩應力變化最大值的大小還與滾石的撞擊位置有關，應力變化最大值隨著撞擊位置距離橋墩底部越近，應力變化最大值越小。

5.3 本研究未考慮土層因素對橋墩動力響應的影響，要想更加清楚的了解橋墩受到滾石撞擊時的動力響應，還需考慮土體對橋墩底部的約束、樁基深度等多因素影響。