高陡邊坡下高橋墩受落石沖擊動(dòng)力響應(yīng)分析

文登國，秦陽，肖清華，劉建國

(1.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都610081;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

高陡邊坡下高橋墩受落石沖擊動(dòng)力響應(yīng)分析

文登國1，秦陽1，肖清華2，劉建國2

(1.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都610081;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

震區(qū)高陡邊坡下的橋墩在施工中容易出現(xiàn)落石沖擊現(xiàn)象，極易對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重?fù)p害。本文針對(duì)施工期間高橋墩的力學(xué)特性，提出了高橋墩施工期間的懸臂梁模型，利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了邊坡落石在橋墩施工期間對(duì)橋墩的沖擊效應(yīng)，對(duì)橋墩的沖擊部位和橋墩底部的應(yīng)力狀態(tài)及塑性變形進(jìn)行了分析。沖擊部位的塑性變形為1.467 cm，且影響范圍貫穿墩壁。采用懸臂梁模型相對(duì)于兩端固定梁模型，計(jì)算出的橋墩底部第一主應(yīng)力要高出66.7%，因而，有必要在高橋墩施工期間采取預(yù)防措施，防止橋墩出現(xiàn)局部的結(jié)構(gòu)破壞和耐久性損失。

高橋墩 落石沖擊 應(yīng)變 應(yīng)力 高陡邊坡

在大量修建交通基礎(chǔ)設(shè)施的過程中，由于對(duì)線路的平順性以及展線比的要求逐漸提高，新建的高速公路橋隧比都非常大。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，麻昭高速(麻柳灣到昭通)的橋隧比占到了線路總里程的80%，因而線路上常出現(xiàn)橋隧相連的情況。麻昭高速在老營盤一帶因?yàn)樗淼佬藿ㄓ谏襟w中上部(該處山體從山腳到山頂高達(dá)400多m)，按照設(shè)計(jì)文件需要修建一座高達(dá)102 m的連續(xù)梁橋(從橋墩底部到路面)。該橋墩設(shè)計(jì)高度達(dá)到了90 m，屬于高橋墩。由于該橋墩處于較陡邊坡上(坡度為40°～50°)，如圖1所示。在施工期間極易出現(xiàn)山體落石沖擊情況，存在極大的安全隱患。需要對(duì)落石沖擊的不良影響作出合理的評(píng)估，并據(jù)此采取必要的安全措施。

圖1 橋墩及邊坡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況

關(guān)于橋墩沖擊方面，許多學(xué)者都從各種角度做了大量的研究工作。羅松南等［1］將高橋墩簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，在考慮剪切變形和大位移的影響下，建立了高橋墩動(dòng)力沖擊作用下的非線性動(dòng)力學(xué)方程，并進(jìn)一步求出了與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)力學(xué)控制方程，利用該方程求得了沖擊荷載作用下的高橋墩臨界荷載、位移響應(yīng)曲線以及臨界荷載的各種影響因素。但是該研究的簡(jiǎn)支梁假設(shè)方法與高橋墩的實(shí)際約束情況存在較大差異，是基礎(chǔ)理論性研究。李禮［2］在羅松楠的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少假設(shè)，研究了一端固定，一端簡(jiǎn)支的混凝土高橋墩在三角形以及矩形荷載沖擊下的非線性動(dòng)力屈服問題，并采用雙線性本構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了位移響應(yīng)曲線以及臨界沖擊荷載，對(duì)混凝土高橋墩進(jìn)行了塑性穩(wěn)定性分析。樊文才等［3］根據(jù)歐洲規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，并考慮了材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度以及局部削弱效應(yīng)，對(duì)橋墩撞擊事故中的圓形橋墩的正截面極限承載能力計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)。采用了試驗(yàn)方法，通過對(duì)比分析，得出了所推導(dǎo)公式的準(zhǔn)確性，給出了動(dòng)態(tài)沖擊作用下材料應(yīng)變率的建議值。裴向軍等［4］采用非連續(xù)介質(zhì)法，對(duì)強(qiáng)震區(qū)的橋墩附近山體危巖的破壞模式以及危巖對(duì)橋墩沖擊效果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在崩落巖體的沖擊和擠壓作用下，系梁和橋墩頂部的永久位移最大，并且據(jù)此給出了橋墩邊坡危巖的防治方案。另外還有許多學(xué)者都從各種角度研究了結(jié)構(gòu)的沖擊問題［5-7］。

上述對(duì)沖擊荷載作用下橋墩的動(dòng)力響應(yīng)、變形規(guī)律以及材料應(yīng)變率等方面的研究對(duì)保證橋墩的安全具有重要意義。但是，上述研究成果又只限于對(duì)橋墩運(yùn)營期間的安全評(píng)價(jià)，沒有涉及到施工期間的高橋墩對(duì)沖擊荷載的位移時(shí)程響應(yīng)、應(yīng)力分布規(guī)律以及安全性評(píng)價(jià)。

1 地質(zhì)概況

橋墩底部高程為1 290 m，坡頂高程1 636 m，高差為346 m，斜坡平均坡度為46°。坡面臨近橋墩處表層為第四系崩坡積物，厚度0～12 m，陡坡上部存在多組結(jié)構(gòu)面切割及風(fēng)化形成的危巖。在橋墩基礎(chǔ)施工期間已經(jīng)有部分垮落，該危險(xiǎn)巖體節(jié)理發(fā)育，呈塊狀碎裂結(jié)構(gòu)。邊坡的順層巖體走向150°，傾向?yàn)?0°，傾角46°。坡體的縱剖面圖如圖2所示。

圖2 2#橋墩及坡體地質(zhì)剖面(高程單位:m)

2 高橋墩在施工期間的沖擊力學(xué)分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在不同的階段具有不同的力學(xué)特性，對(duì)于混凝土高橋墩，存在建設(shè)工期較長(zhǎng)的實(shí)際情況，并且施工期間的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征與懸臂梁類似，即:一端固定、一端自由。

施工期間的橋墩可以看做是靜定結(jié)構(gòu)，而完建的橋墩則為超靜定結(jié)構(gòu)?？梢娛┕て陂g的橋墩力學(xué)模型與上述研究［1-7］的力學(xué)模型有本質(zhì)區(qū)別，橋墩上端自由，沖擊荷載作用下，橋墩表現(xiàn)出懸臂梁的特征。因而，施工期間的高橋墩沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題需要采用其他研究方法。為研究落石沖擊過程中橋墩的動(dòng)力響應(yīng)情況以及沖擊位置局部的破壞情況，本文采用了LS-DYNA動(dòng)力顯示分析軟件，對(duì)沖擊過程中橋墩的動(dòng)力響應(yīng)過程進(jìn)行了分析，可以作為山區(qū)類似高橋墩的施工安全評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)控制的參考。

為研究施工期間高橋墩在沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，本文利用有限元軟件建立了高橋墩以及落石模型，其中橋墩高度為90 m，截面底部長(zhǎng)寬分別為7 m和3 m，頂部長(zhǎng)寬分別為6 m和3 m，橋墩壁厚1 m。橋墩模型底部施加剛性約束，上部自由。落石模型用球體模擬，球體直徑0.6 m，模擬中等落石從山體上落下，斜向沖擊橋墩。混凝土材料采用雙線性本構(gòu)模型，模型共78 317個(gè)單元，94 508個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為確定落石的滾落軌跡，首先采用落石軌跡計(jì)算軟件Rock fall確定落石的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而計(jì)算出落石接觸到橋墩時(shí)的初速度。根據(jù)Rockfall軟件的計(jì)算結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)勘察實(shí)際情況，確定出落石沖擊部位為橋墩20 m高程處，落石以水平20 m/s，豎向15 m/s的速度沖擊橋墩。計(jì)算時(shí)間為0.5 s，LS-DYNA軟件一共求解了102步。分析過程主要考慮橋墩應(yīng)力、橋墩變形及沖擊局部的塑性變形情況。

3.1 橋墩受沖擊部位局部變形及受力分析

通過LS-DYNA的后處理工具，將整個(gè)計(jì)算過程中的所有信息進(jìn)行提取。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橋墩在受沖擊部位的局部最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別達(dá)到了21.1 MPa和－10.3 MPa，混凝土雙線性塑性本構(gòu)模型中的屈服應(yīng)力13 MPa，說明混凝土已經(jīng)發(fā)生了屈服。在撞擊部位，橋墩表面混凝土出現(xiàn)了1.467 cm塑性變形，而且塑性變形區(qū)基本影響了橋墩的整個(gè)薄壁，最內(nèi)側(cè)的單元塑性變形也達(dá)到了2.9 mm。這表明在橋墩受到落石沖擊時(shí)，不僅會(huì)在表面產(chǎn)生可以直接觀察到的表面破壞，如混凝土局部剝離、凹坑等，還會(huì)對(duì)墩壁內(nèi)部產(chǎn)生較大損傷，出現(xiàn)貫穿性損傷。由于橋墩壁深層的損傷難以修復(fù)，勢(shì)必會(huì)對(duì)其安全性和耐久性造成較大影響。落石沖擊時(shí)表面的沖擊力在沖擊瞬間達(dá)到最大值1 283 kN，在此之后落石反彈表面壓力迅速衰減至零，沖擊力時(shí)程曲線為一瞬時(shí)脈沖。

3.2 橋墩底部及頂部應(yīng)力變形分析

沖擊荷載作用下，橋墩整體動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)與懸臂梁類似，即橋墩頂部沒有約束，整體相對(duì)于已經(jīng)建成的橋梁橋墩而言，在沖擊荷載作用下更容易發(fā)生較大的變形以及在混凝土中產(chǎn)生較大的應(yīng)力。研究中采用了兩種計(jì)算模型，即:橋墩頂部與底部剛性約束和僅底部剛性約束，其余參數(shù)一致。兩種計(jì)算模型的頂部和底部典型單元第一主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，采用懸臂梁模型時(shí)，也即是在高橋墩施工期間，受到邊坡落石沖擊情況下，最大主應(yīng)力達(dá)到了7.80 MPa;而施工完成之后受到相同落石沖擊時(shí)，其最大主應(yīng)力為4.68 MPa，施工期間比完建之后受到相同落石沖擊的主應(yīng)力大了66.7%，說明施工期間橋墩在落石沖擊下，底部混凝土更容易受到損傷，出現(xiàn)拉裂縫。在采用兩端固定梁模型計(jì)算時(shí)，橋墩頂部單元也出現(xiàn)了較大的第一主應(yīng)力，達(dá)到了3.12 MPa，小于底部單元應(yīng)力。而且采用懸臂梁模型計(jì)算時(shí)，相同的頂部單元?jiǎng)t幾乎未出現(xiàn)較大應(yīng)力，最大也僅有0.1 MPa左右。說明完建后的橋墩受到?jīng)_擊荷載時(shí)，橋墩兩端均承受沖擊產(chǎn)生的彎矩，而施工期間則只有橋墩底部承受沖擊彎矩。兩種計(jì)算模型中，底部第一主應(yīng)力均超過了C30混凝土的抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)樵谟?jì)算中沒有考慮鋼筋的作用，僅對(duì)素混凝土橋墩進(jìn)行了沖擊模擬，用以研究橋墩在沖擊作用下最有可能出現(xiàn)破壞的位置以及破壞的程度。

由此可見，針對(duì)山區(qū)高橋墩的沖擊動(dòng)力響應(yīng)問題，在橋墩設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)加以考慮，同時(shí)在施工期間應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。尤其在目前西部山區(qū)大量新建高速公路和鐵路的背景下，大量高橋墩在施工期間的落石沖擊是一個(gè)不容忽視的質(zhì)量和安全問題。

圖3 兩種模型墩底和墩頂?shù)谝恢鲬?yīng)力時(shí)程曲線

4 沖擊防治措施

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)橋墩在施工期間若受到落石沖擊，會(huì)在沖擊部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力，造成橋墩沖擊部位的局部損壞，以及橋墩底部可能因?yàn)閼?yīng)力水平超過混凝土抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)裂縫，對(duì)橋墩的耐久性造成影響。因而，需要在橋墩施工期間對(duì)邊坡采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。

沖擊防護(hù)措施一般包括三類:一是消除沖擊源，即清理或加固邊坡上的危險(xiǎn)巖體;二是在危巖的滾落路徑上設(shè)置防護(hù)網(wǎng)等，但是此類措施的防護(hù)效果具有較大的不確定性，所以較少采用;三是在橋墩靠邊坡側(cè)設(shè)置緩沖材料，以緩沖材料的變形來吸收沖擊能量，從而達(dá)到保護(hù)橋墩的目的。在本橋墩施工過程中，主要采取了第一類也就是加固危巖的方法，用錨索將危巖錨固在邊坡上，見圖1照片。

5 結(jié)論

震區(qū)高橋墩施工中的落石沖擊問題對(duì)橋墩及橋的安全性和耐久性具有很大影響，本文通過動(dòng)力顯示計(jì)算方法，對(duì)落石沖擊過程中橋墩典型位置的加速度、速度以及軸向應(yīng)力進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論:

1)施工期間的高橋墩與完建后的高橋墩在計(jì)算理論上有著本質(zhì)區(qū)別，前者一般為懸臂梁模型，而后者可以近似采用兩端固定梁模型。在計(jì)算施工期間橋墩沖擊動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，采用懸臂梁模型更為合理。

2)橋墩受到?jīng)_擊作用時(shí)，瞬間會(huì)在沖擊部位產(chǎn)生較大的沖擊力，本研究中的沖擊力達(dá)到了1 283 kN，使沖擊部位的混凝土產(chǎn)生了1.467 cm的塑性變形，且塑性變形的影響范圍貫穿了整個(gè)墩壁，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性有較大影響。

3)通過對(duì)懸臂梁和兩端固定梁兩種橋墩模型的數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)懸臂梁模型的計(jì)算結(jié)果中，橋墩底部第一主應(yīng)力要比兩端固定梁模型計(jì)算結(jié)果大66.7%。說明在施工期間橋墩受到落石沖擊時(shí)，更容易在底部產(chǎn)生拉裂紋，影響橋墩耐久性。

4)本文對(duì)高橋墩完建后所采用的計(jì)算模型是兩端固定梁模型，實(shí)際上完建后的橋墩頂部并非完全固結(jié)，也具有一定的自由度，自由度的大小和橋梁的整體動(dòng)力響應(yīng)有關(guān)。因而，關(guān)于完建后橋墩受到落石沖擊作用的計(jì)算模型還有待進(jìn)一步研究。

［1］羅松南，李禮，周慧，等.沖擊荷載下兩端簡(jiǎn)支高橋墩的動(dòng)力屈曲［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28(12):1-3.

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［4］裴向軍，黃潤秋，李世貴.強(qiáng)震崩塌巖體沖擊橋墩動(dòng)力響應(yīng)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(增2):3995-4001.

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(責(zé)任審編趙其文)

U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.09

1003-1995(2015)06-0031-03

2014-11-05;

2015-03-18

文登國(1972—)，男，四川成都人，高級(jí)工程師。