山區高速公路橋梁橋墩漂石撞擊機理及防護措施探究

宋俊杰 汪煦飚 白皓 唐浩

（四川高速公路建設開發集團有限公司，四川 成都 610041）

在暴雨與洪水作用下，橋墩墩身及樁基礎因泥沙磨蝕及漂石撞擊易發生混凝土脫落與鋼筋外露等問題，在反復磨蝕撞擊下將更加嚴重。此類問題直接影響橋墩安全性及耐久性，隨著山區高速公路更多涉水橋梁的修建，該病害將越發突出。因此，對橋墩受漂石撞擊的破壞機理及防護措施的研究顯得尤為重要。

一、漂石撞擊工況研究

（一）河道堆積物粒徑分析

漂石和沙土是河床堆積物的主要分類，對橋墩均具有磨蝕作用，漂石對橋墩還有撞擊作用。因此，對漂石的粒徑分析是橋墩防護范圍與撞擊能量統計的必要步驟。山體在內動力與外動力情況下發生解體作用產生塊石。在外動力作用下，河床形成的漂石粒徑大部分為20cm～50cm；內動力作用產生的漂石粒徑相對較大，滾落至河床的漂石粒徑大部分為20cm～120cm。

（二）漂石撞擊分析

漂石在洪水作用下，貼著河床底部交替往復做“彈跳”運動。漂石粒徑d1與最大彈跳高度d2決定漂石撞擊橋墩的最大撞擊高度D（D=d1+d2，其中0.1≤d2/d1≤1）。“d2/d1”比值主要由洪水深度、流速及漂石重量決定，其中與洪水深度、流速成正相關關系，與漂石重量成反相關關系。根據對山區溝谷橋墩受損情況調查，一般情況下，橋墩受損位置為河床底部向上2m范圍內，除極個別水流落差大的特殊情況，受損位置達到河床底部向上3m位置。為確定漂石撞擊能量，需統計漂石質量及撞擊速度，根據多年研究經驗，推出漂石運動速度公式為：

式中，V為漂石運動速度；dmax為流體中最大漂石粒徑；a為常數，綜合考慮摩擦系數、流體容重、流域比降及石塊比重等得出，一般取值范圍為3.5～4.5，平均值取4.0；t為沖擊時間，漂石剛性撞擊為0.001s～0.002s,碰撞能量等級小于5kJ時取0.001s,碰撞能量等級為10kJ～20kJ時取0.002s。如式1所示，分別計算較為常見粒徑漂石的速度，并根據漂石速度與質量計算漂石能量。

由此可知，1.2m直徑漂石的最大運動速度為4.3m/s，為統計不同墩徑漂石的撞擊能量，分別對不同墩徑漂石分別按照1m/s、2m/s、3m/s及4m/s四種速度進行能量計算，其能量圖如圖1所示。

圖1 不同漂石粒徑下的能量圖（J）

為確定漂石撞擊力，參考《鐵路橋涵設計基本規范》（TB10002.1-2005）并結合動量定理，可得漂石撞擊力為：

二、橋墩防護整體有限元模擬

（一）河道沖擊工況選取

根據上文研究，山區河道橋墩破壞形式主要以漂石撞擊為主。結合雅康、汶馬及綿九高速相關山區河道漂石統計，河道中90%漂石粒徑小于120cm，根據撞擊能量分析，漂石撞擊能量小于20kJ（大部分小于10kJ）。工況模擬能量等級分別選取5kJ、10kJ、15kJ、20kJ。漂石粒徑按照粒徑平均值取70cm，對應質量為630kg，試驗工況如表1所示。

表1 工況模擬表

（二）有限元模型分析

采用有限元分析軟件Abaqus對橋墩剛性碰撞分析模擬，其中橋墩為直徑1.8m的C30級混凝土圓墩，選取3D實體單元，單元總數為1287513。混凝土彈性模量取3.0×1010Pa，考慮混凝土材料損傷塑性，膨脹角取35，偏心率取0.1，“fb0/fc0”取1.16，k取0.666，黏性參數取0，壓縮損傷和拉伸損傷數據如表2所示。漂石采用0.7m剛性小球，選取3D實體單元，單元總數為3374，漂石彈性模量取3.0×1010Pa。

表2 混凝土壓縮損傷與拉伸損傷數據表

1.未防護下橋墩碰撞分析

按照表1中工況，對橋墩剛性碰撞分析模擬，模擬中橋墩按照1.8m直徑圓墩考慮，通過模擬剛性碰撞，得到剛性碰撞后橋墩局部應力，模擬結果如表3所示。

表3 剛性碰撞模擬結果

根據上文研究內容，漂石撞擊裸墩，撞擊時間為0.001s～0.002s，且根據撞擊力公式可得，瞬間撞擊力峰值不超過1687kN。由此可得以下結論：撞擊反力小于橋墩整體抗力且作用時間短，河道漂石不會對橋墩整體造成危害；考慮模擬剛性碰撞，碰撞局部應力達到800MPa以上，但真實值應小于碰撞材料最大破壞應力，所以在剛性碰撞下碰撞應力為800MPa與材料破壞應力中的較小值；漂石撞擊橋墩過程中，雖不對橋墩整體構成危害，但考慮橋墩材質破壞應力低于800MPa，橋墩局部極易發生破壞；漂石撞擊橋墩時，為保護橋墩局部免受破壞，需采用外剛內柔的防護措施，由此降低漂石撞擊橋墩的作用應力。

2.防護下橋墩分析

結合上文結論，防護裝置采用外剛內柔設計，對于1.8m直徑C30級橋墩，考慮防護裝置外部采用一定剛性外殼，具備部分散力作用，故其防護厚度可以相應減低，整體裝置分析采用防護厚度為5cm和10cm兩種厚度，模擬結果如表4所示。

表4 防護下碰撞模擬結果

由此可得，通過具備一定剛性殼體作為防護裝置外殼，可將撞擊力作用面積分散，大幅降低撞擊作用應力；防護裝置采用柔性緩沖結構，可有效降低撞擊反力從而減低作用應力；防護裝置在上述工況中強度不應低于9MPa，且外殼需要一定剛度。

三、結語

山區溝谷類漂石碰撞能量等級一般在10kJ內，設計時無防護特殊說明，按照10kJ采取防護設計；防護裝置外殼應選用剛度較大材料，內部選用緩沖材料，發生撞擊時由外殼材料擴散撞擊作用范圍，并通過緩沖材料降低撞擊作用力；在河道反復沖擊作用下，防護裝置具有變形可恢復能力，防護材料建議采用彈性、超彈性或復合纖維材料。