既有橋墩護筒保護技術探究

（云南展旭工程咨詢有限公司，云南 曲靖 655000）

一、工程概況

本文擬建道路為城市次干路，標準路幅寬度為24m，設計速度為30km/h，橋墩距離道路外邊線為14m。受道路標高的控制，需對橋下開展回填處理，最大回填高度約12m，道路建成后與橋梁路面間高差約14m。現狀橋墩為雙墩結構，墩間距10.5m，橋墩直徑2.5m，采用C30鋼筋混凝土護筒防護，壁厚50cm，護筒與橋墩間的安全距離為50cm。

二、有限元模型建立及分析

（一）有限元數值分析簡介

有限元分析是指將研究對象分散成一定數量的單元，每個單元之間是互相聯系的，可以將其看作由一定數量的單元構成的整體，通過整體分析各單元得出工程所需的研究結果。巖土工程常用的有限元分析軟件較多，本文選取Midas GTS三維數值有限元軟件分析鋼、鋼筋混凝土護筒的變形及受力。

（二）護筒形式及安全距離

本文選取常用的鋼筋混凝土護筒及鋼護筒展開對比分析。對于護筒與橋墩間的安全距離取值，通過查閱相關工程案例，得知安全凈距最大為80cm、最小為50cm，暫選50cm安全凈距作為護筒有限元分析的前提條件。

（三）護筒單元劃分

對比分析圓形護筒，有限元模型的圓形結構通常采用由直代曲的形式建立。若護筒各單元劃分尺寸太大，易造成計算結果與工程實際不符，影響分析判斷；若單元尺寸較小，則易造成數據過大，影響研究進度。此處選取護筒單元為1m作為單元劃分標準。

表1 模型參數取值表

（四）材料參數

對于鋼、鋼筋混凝土護筒、橋墩采用線彈性本構模型，其余巖土材料均采用摩爾-庫倫本構模型，相關材料參數如表1所示。

（五）施工階段模擬

圖1 有限元分析模型

建立有限元分析模型如圖1所示。護筒防護下的新建路基回填模擬可以大致分為初始位移清零、護筒施工和路基分層填筑（護筒施工2m后填筑一次）三個步驟。

三、有限元結果分析

本文選取橋墩直徑為1.5m，路基回填高度為5m、8m和12m，在其余工況相同的前提下，對比分析鋼筋混凝土護筒和鋼護筒的位移及應力。

（一）鋼筋混凝土護筒

當鋼筋混凝土護筒壁厚為20cm時，各填土高度（從左到右為5m、8m和12m）下護筒產生的位移及應力分布情況如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，填土越高對護筒產生的水平位移、應力越大。當路基回填高度為12m時，鋼筋混凝土護筒（壁厚20cm）的最大水平位移為2.2cm，小于標準要求5cm，最大應力為23.1MPa，已大于其抗壓強度設計值14.3MPa，因此壁厚20cm不能滿足工程要求。

（二）鋼護筒

當鋼護筒壁厚為2.4cm時，各填土高度（從左到右為5m、8m、12m）下護筒產生的位移及應力分布情況如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，當路基回填高度為12m時，鋼護筒（壁厚2.4cm）的最大水平位移為2.3cm，小于標準要求5cm，最大應力為201.5MPa，小于鋼材強度設計值215MPa，護筒位移和應力均滿足工程需求。

圖2 護筒位移云圖

圖3 護筒應力云圖

通過對比分析圖2～圖5可知，當填土高度為12m時，兩種材料護筒所產生的最大水平位移為2.4cm和2.3cm，相差不大；護筒產生的應力差異較大，鋼筋混凝土護筒最大應力已超過材料設計值。因此，橋墩護筒防護應優先采用鋼護筒結構。

（三）護筒最小壁厚及與橋墩間安全凈距

當路基回填土高度為5m～12m時，各壁厚下鋼筋混凝土護筒產生的最大水平位移及應力如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，當橋下路基回填高度小于等于8m時，鋼筋混凝土護筒最小厚度為20cm；當橋下路基回填高度8m＜h≤11m時，鋼筋混凝土護筒最小厚度為30cm；當橋下路基回填高度小于11m＜h≤12m時，鋼筋混凝土護筒最小厚度為40cm；護筒與橋墩間的最小安全距離為10cm。

圖4 護筒位移云圖

圖5 護筒應力云圖

當路基回填土高度為5m～12m時，各壁厚下鋼護筒產生的最大水平位移及應力如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，當橋下路基回填高度小于等于8m時，鋼護筒最小厚度為6mm；當橋下路基回填高度8m＜h≤11m時，鋼護筒最小厚度為18mm；當橋下路基回填高度小于11m＜h≤12m時，鋼筋混凝土護筒最小厚度為24mm；護筒與橋墩間的最小安全距離為30cm。

（四）工程實例分析

本文所依托項目回填土高度為12m，采用50cm鋼筋混凝土防護。根據上述分析得出，鋼筋混凝土護筒壁厚40cm即可滿足工程所需，當壁厚為40cm時護筒最大水平位移為4.2cm，最大應力為6.4MPa，均滿足規范控制標準。

圖6 不同壁厚最大位移（鋼筋混凝土護筒）

圖7 不同壁厚最大應力（鋼筋混凝土護筒）

圖8 不同壁厚最大位移（鋼護筒）

圖9 不同壁厚最大應力（鋼護筒）

四、結語

本文結合工程示例，通過有限元分析軟件，對比分析兩種材料護筒得出3項結論。

路基回填越高，對護筒產生的影響越大。鋼筋混凝土結構抵抗位移能力強，但承載能力稍遜于鋼結構，橋墩護筒防護應優先選取鋼護筒，對于護筒位移控制要求較高的情況下建議選取鋼筋混凝土護筒。

針對不同路基回填高度的護筒防護，應結合護筒位移及應力影響，根據回填高度選取相應的護筒最小壁厚，確保工程經濟、可靠，不應盲目增加壁厚保障工程安全。

不同的護筒材料，其抵抗位移的情況有所不同，應根據材料的特征選取最優護筒-橋墩安全保護凈距，在節約造價的同時縮短工程周期。