橋梁在洪水狀態(tài)下的失效形式分析

何明星，苑曉鋒

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 200032）

0 引言

跨河橋梁常年遭受河流沖刷，洪水期更甚，超標洪水（重現(xiàn)期大于等于100 a 的洪水）嚴重威脅著橋梁的安全運營。為此，對橋梁結(jié)構(gòu)在洪水狀態(tài)下的失效形式進行研究是非常有必要的。通過計算機有限元軟件模擬遠期超標洪水狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的失效形式和失效概率，從而保證預(yù)報的超標洪水到來前可以及時進行相應(yīng)的臨時加固措施，以保證橋梁在洪水期安全。

1 橋梁洪水狀態(tài)下主要失效形式

大量橋梁水毀實例資料顯示，跨河橋在超標洪水作業(yè)下易出現(xiàn)基礎(chǔ)沖刷掏空導(dǎo)致樁基承載力不足、板式橡膠支座滑移導(dǎo)致橋梁錯位、上部結(jié)構(gòu)直接漂浮滑移、上部結(jié)構(gòu)直接橫移傾覆等橋梁失效形式。其中最常見的是超標洪水導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)直接傾覆。

1.1 基礎(chǔ)沖刷引起樁基承載力不足

對于部分地區(qū)跨河橋梁，由于樁基深度達到基巖難度較大，大部分樁基采取的是摩擦樁。摩擦樁樁基承載力主要由樁側(cè)阻力和小部分樁端阻力構(gòu)成。當(dāng)遇到超標洪水時，橋墩基礎(chǔ)處有效過水?dāng)嗝婷娣e變小，水流流速急劇增大，此時洪水將帶走橋墩處的大量泥砂，樁基外露長度慢慢變大，最終樁側(cè)阻力減小，樁基承載力不足以支撐上部結(jié)構(gòu)荷載，橋梁將出現(xiàn)傾斜甚至坍塌。

1.2 上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移

在跨河橋中，大部分簡支梁橋普遍采用板式橡膠支座，作為連接空心板梁與橋墩結(jié)構(gòu)，傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載，滿足板梁縱、橫向變形要求。當(dāng)遇到超標洪水時，橋梁空心板梁部分或完全被淹沒，水流浮力使板式橡膠支座承受的荷載減小，從而導(dǎo)致板式橡膠支座與空心板梁的摩擦力減弱。當(dāng)超標洪水作用在空心板梁的水平力大于該摩擦力時，空心板梁和橡膠支座將發(fā)生錯位，甚至出現(xiàn)板梁漂移。

橋梁上部結(jié)構(gòu)在超標洪水的水平力作用下，板式橡膠支座將承擔(dān)上部傳來的水平作用力，并產(chǎn)生一定的剪切變形。對于上部結(jié)構(gòu)的水平位移，主要通過支座橡膠的剪切變形來完成，這時作用在橡膠支座上下承壓面的水平反力不受橡膠支座的平面形狀和加勁鋼板的影響[1]。

若使板式橡膠支座在水平力作用下能夠正常工作，則要保證支座與墩臺接觸面和梁體接觸面上不出現(xiàn)相對滑動現(xiàn)象。根據(jù)參考文獻[2]，洪水條件下的橋梁需滿足以下條件：

式中：Rck為結(jié)構(gòu)自重標準值、0.5 倍汽車荷載標準值（計入沖擊系數(shù)）、1.4 倍平均水動升力和靜水浮力引起的支座豎向反力；K滑移為橫向抗滑移安全系數(shù)；FD為平均水動阻力。因為橋梁滑移破壞具有瞬時脆性破壞的特性，必須考慮水動力的脈動，即采用水動力的瞬時最大值進行驗算，瞬時最大水動力取時均值的1.4 倍。

1.3 上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆

大量橋梁被洪水沖垮實例表明，超標洪水作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆也是一種較為常見的破壞形式。對于被洪水淹沒的跨河橋梁，洪水浮力與上部結(jié)構(gòu)的部分荷載抵消，有效重量減小，橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩減小。隨著橋梁部分淹沒后阻水面積的變大，其橫向傾覆力矩增大，在洪水水平?jīng)_力作用下，橋梁易被翻動推移，即傾覆破壞。若洪水水平作用力足夠大，甚至能將上部結(jié)構(gòu)主梁漂走。

梁橋在洪水作用下，上部結(jié)構(gòu)變形很小，一般只可能出現(xiàn)剛體失衡破壞。因此，模擬橋梁在洪水作用下計算時不考慮上部結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力，按剛體靜力平衡條件，對上部結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性驗算。水流作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆計算受力簡圖如圖1 所示。

圖1 洪水狀態(tài)下上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞受力

根據(jù)參考文獻[2]，若要保證上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生傾覆破壞，則傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足下式要求：

式中：K 為傾覆穩(wěn)定系數(shù)；K傾為抗傾覆安全系數(shù)；M穩(wěn)為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定力矩，由結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)有效重量以支座背水邊為旋轉(zhuǎn)軸所求的力矩；M傾為結(jié)構(gòu)傾覆力矩，由水流阻力和升力以支座背水邊為旋轉(zhuǎn)軸所求的力矩；b 為箱梁中心距離支座背水邊距離；FD為平均水動阻力；FL為流速豎向升力合力；l 為升力合力點偏心距（考慮水動力情況下，洪水對橋梁上部結(jié)構(gòu)的升力各處均不同，需通過CFD 技術(shù)模擬得到的橋梁不同位置的升力系數(shù)，便可計算得到升力合力的偏心距）。

根據(jù)橋梁不同位置的水動力參數(shù)，便可計算得到不同水流速度下結(jié)構(gòu)的傾覆力矩，從而評估橋梁在洪水狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性。此外，因為橋梁傾覆破壞具有瞬時脆性破壞的特性，必須考慮水動力的脈動，即采用水動力的瞬時最大值進行驗算。因此，瞬時最大水動力取時均值的1.4 倍。

2 重點跨河橋梁洪水狀態(tài)下失效形式分析

本文對合肥市南淝河上25 座橋梁中4 座重點跨河橋梁進行洪水狀態(tài)下失效形式進行分析，主要內(nèi)容包括橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測分析、上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移分析、上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆分析3 種失效形式安全分析，各破壞模式均考慮安全系數(shù)。其中，橫向滑移安全系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB l0002—2017）[3]取1.3，抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）[4]取1.05，橫向抗傾覆安全系數(shù)按《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）[5]要求應(yīng)大于2.5。基于“結(jié)構(gòu)傾覆破壞不先于構(gòu)件承載力破壞”的原則，本次研究基于安全考慮，將橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆安全系數(shù)取4.0。

2.1 橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測分析

為了解洪水對樁基沖刷引起的橋墩基礎(chǔ)承載力的損失程度，采用水下機器人和多波速無人船對橋墩樁基沖刷進行探測分析。實際探測的樁基的覆土高程和樁徑與竣工時樁基埋深和樁徑進行比對，可計算分析樁基的承載力損失情況和后期可能的超標洪水對橋墩基礎(chǔ)沖刷提供安全富余量。本次檢測發(fā)現(xiàn)4 座重點跨河橋梁基礎(chǔ)未見明顯沖刷。

2.2 上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移分析

通過對比分析4 座重點橋梁上部結(jié)構(gòu)最低點高程與100 a 一遇洪水位，在不考慮橋址處雍水高度情況下，只有宋斗灣橋滿足100 a 一遇防洪設(shè)計標準。4座重點橋梁防洪狀態(tài)對比分析見表1。

表1 4 座重點跨河橋梁防洪狀態(tài)對比分析

由表1 可知，除宋斗灣橋在100 a 一遇洪水位時未被淹沒外，其余橋梁在100 a 一遇洪水位時均淹沒至上部結(jié)構(gòu)。考慮到橋梁結(jié)構(gòu)形式和邊界條件等因素，計算其在橫向滑移和漂浮失穩(wěn)的失效形式下的穩(wěn)定系數(shù)，具體計算結(jié)果詳見表2。

表2 橫向滑移和漂浮失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

由表2 分析可知，由于宋斗灣橋梁底高程較高，不存在淹沒風(fēng)險，故無橫向滑移和漂浮失穩(wěn)的可能。而另外3 座重點跨河橋在橫向滑移和漂浮失穩(wěn)的失效形式下的穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果均大于安全系數(shù)，故可判斷4 座重點跨河橋在超標洪水作用下不會出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)漂移滑移的失效形式。

2.3 上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆分析

通過查詢4 座重點跨河橋梁的水文設(shè)計資料可知：橋址處洪水重現(xiàn)期為100 a 時的洪水流速計算值范圍為1.67～2.48 m/s。為偏于安全考慮，上部結(jié)構(gòu)橫向傾覆破壞計算時，計算流速統(tǒng)一按照上述橋址處最大計算流速的乘以2 倍安全系數(shù)，即4.96 m/s。此外，因為橋梁橫向滑移和傾覆破壞具有瞬時脆性破壞的特性，必須考慮水動力的脈動，即采用水動力的瞬時最大值進行驗算。因此，瞬時最大水動力取時均值的1.4 倍。

考慮水動力下的上部結(jié)構(gòu)橫向傾覆破壞的穩(wěn)定系數(shù)見表3。

表3 橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)計算結(jié)果，淮河路橋和孝肅橋在100 a 一遇的超標洪水水位下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于抗傾覆安全系數(shù)，即在100 a 一遇洪水的超標洪水下，淮河路橋和孝肅橋易發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體橫向傾覆破壞。銅陵路橋在100 a 一遇的超標洪水水位下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)遠大于抗傾覆安全系數(shù)，即在100 a 一遇的超標洪水下，銅陵路橋不易發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體橫向傾覆破壞。宋斗灣橋由于梁底高程較高，不存在淹沒風(fēng)險，故在100 a 一遇超標洪水位下不會產(chǎn)生橫向傾覆破壞。

3 結(jié)語

通過跨河橋梁在超標洪水狀態(tài)下主要失效形式總結(jié)，結(jié)合合肥市南淝河25 座橋梁中上4 座重點跨河橋進行分析，確定了目標計算模式，同時確定了各失效形式的安全系數(shù)參考值。然后對4 座橋進行了風(fēng)險排查和各種失效形式下的計算分析，具體結(jié)果如下：

（1）橋梁在洪水狀態(tài)下的失效形式主要考慮基礎(chǔ)沖刷引起樁基承載力不足、上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移和上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞3 種失效形式。

（2）南淝河上4 座重點跨河橋梁洪水狀態(tài)下安全性分析主要進行橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測、漂浮滑移計算分析和傾覆破壞計算分析，并確定各破壞模式的安全系數(shù)。

（3）南淝河上4 座重點跨河橋橋梁在100 a 一遇超標洪水作用下均不會產(chǎn)生橫向滑移破壞和漂浮失穩(wěn)破壞。其中，淮河路橋和孝肅橋在100 a 一遇的超標洪水下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于抗傾覆安全系數(shù)，即在100 a 一遇的超標洪水下，淮河路橋和孝肅橋可能發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體橫向傾覆破壞。

對跨河橋梁在超標洪水下進行失效形式分析，能有效識別橋梁防洪風(fēng)險，及時進行橋梁防洪保護措施，降低超標洪水對橋梁產(chǎn)生破壞的概率。今后需進一步采用洪水期實測數(shù)據(jù)進行必要的驗證分析，從而為類似的跨河橋梁的防洪安全設(shè)計提供防范思路。