橋梁主墩橫向承載力分析

仲南艷 秦學 趙眈崴

摘 要：文章結合工程實例，從力學角度出發(fā)，利用有限元模型，一方面分析了在給定撞擊力作用下的橋墩結構的穩(wěn)定性；另一方面研究了橋墩基礎在橫向荷載作用下的內(nèi)力響應，并與船舶撞擊荷載計算值進行對比分析。通過研究為是否建設防撞設施提供了理論依據(jù)，文章的研究對深化橋梁防撞分析具有借鑒意義。

關鍵詞：橋墩 撞擊力 承載力

在江海河湖等的跨航橋梁工程中，對于內(nèi)河限制性航道，《內(nèi)河通航標準》（GB 50139-2014）和《運河通航標準》（JTS 180-2-2011）均規(guī)定，跨航橋梁應一跨過河；而對于水域較寬天然河流及大江大河，橋梁則難以一跨過河，往往需在水中設墩，否則橋梁造價將非常大，建造難度也非常大，會造成經(jīng)濟和社會成本的不必要浪費。但是，出于保障船舶通航和橋梁安全性角度考慮，對于水中設墩的跨航橋梁，一般均需設置防撞墩等防撞設施，以確保一旦發(fā)生船舶撞擊事故，防撞墩將先被撞，且防撞墩一般均可承受限定范圍內(nèi)的船舶橫向撞擊力而不被破壞，從而可確保橋梁自身不受到任何撞擊而出現(xiàn)損壞。實際中，對于橋梁自身的結構恒載以及車輛、人行等引起的活載方面的縱向承載能力分析研究較多，而對于橋梁下部樁基、墩柱以及承臺等結構的橫向承載能力的研究則相對較少。文章結合工程實例，先是對橋梁自身的極限承載力與撞擊力進行了比較研究，而后對既有撞擊力作用下橋梁結構的穩(wěn)定性分別進行了分析研究，以此進一步復核既有設計條件下橋梁的橫向承載能力。文章研究可為今后深化橋梁的防撞分析提供一定的借鑒作用。

1.工程概況

浙江省河網(wǎng)密集，水道縱橫，北部為內(nèi)河限制性航道貫通成網(wǎng)，南部為天然河流，獨立成線。曹娥江就是浙江省東中部地區(qū)一條天然河流，自南而北，由磐安經(jīng)新昌、嵊州、上虞、柯橋，經(jīng)紹興三江口繼續(xù)以下過曹娥江大閘最終注入杭州灣，干流全長約200公里。曹娥江江面相對寬闊，汛期和連續(xù)降雨則水流流速較快；非汛期等其他時間則水流相對平緩。曹娥江也是浙江省的內(nèi)河骨干航道之一，更是紹興地區(qū)貨物外運的重要水運主通道，下游段已按天然四級航道建成，為更好發(fā)揮全線的航運效益，以進一步服務區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，上游段擬按天然四級航道標準進行整治。近期，航道梯級整治工程中包括新建500噸級船閘一座、一座二級公路橋及整治沿線的航道，以滿足兩岸交通溝通需求。橋梁所在位置江面寬闊，達400余米寬，主橋橋墩及部分引起橋墩均置于河道中，此處橋梁按照1000t級防撞標準設計，在主墩處設置了3個1000t級防撞墩。橋梁區(qū)域鉆孔地質地質情況大體可分為粉土層、卵石層和中風化凝灰?guī)r持力層，中風化凝灰?guī)r埋深較深，在50～60m左右。

主橋采用66m+110m+66m的變截面三跨預應力混凝土連續(xù)箱梁。主橋主墩采用柱式墩加矩形承臺1188×738m的結構型式，矩形承臺為1188×738m，承臺下部采用6根鉆孔灌注樁基礎，直徑均為1.8m，鉆孔灌注樁基礎深入中風化凝灰?guī)r持力層。墩身混凝土采用C40，承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

2.給定撞擊力下的結構穩(wěn)定性分析

主要原理：（1）建立MIDAS結構有限元仿真模型，分析給定撞擊力下的橋墩最不利構件的最大內(nèi)力；（2）根據(jù)設計確定的橋墩尺寸、配筋等，依照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362-2018）偏心受壓構件正截面極限承載能力，計算軸力對應下的極限彎矩；（3）比較上述兩者差異，確定橋墩結構的穩(wěn)定性。

2.1利用MIDAS模型計算一定撞擊力下水中橋墩最不利構件的內(nèi)力值

2.1.1撞擊力計算及撞擊點位分析

（1）船舶撞擊力計算：《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）取消了2004年版規(guī)范所規(guī)定的三級及以上航道相應噸級船舶撞擊作用標準值取值，建議按專題研究確定船舶撞擊力。

鑒于實際航行的情況，可參照漂流物橫橋向撞擊力公式，見式（1），考慮船舶超載、航速因素，可將水流速度替換為船舶航速計算船舶撞擊力。

式（1）中：F-漂流物橫橋向撞擊力，kN；W-漂流物重力，kN，根據(jù)河道中漂流物情況，可按實際調(diào)查確定，?。?700×9.81）kN；V-水流速度，m/s，取3m/s；T-撞擊時間，s，在無實際資料時，可用1s；g-重力加速度，m/s2，取9.8m/s2。

經(jīng)計算，得最大撞擊力F為5100 kN。

（2）撞擊點位置確定：因航道設計最高、最低通航水位下橋梁被撞位置均為橋墩區(qū)域，且最高通航水位下最為不利，故根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）“內(nèi)河船舶的撞擊作用點，假定為計算最高通航水位線以上2m的橋墩寬度或長度的中點”，取最不利工況，即最高通航水位線以上2m為橋梁橋墩被撞擊點。

2.1.2單元模擬及邊界條件假定

（1）單元模擬：假定墩柱、承臺、樁基均為一維線性梁單元。

（2）邊界模擬：自上而下，橋梁為連續(xù)梁橋，上下結構水平向約束較弱，不考慮約束；承臺為剛性體，承臺與樁基為剛性連接；樁基為嵌巖樁，樁基于端部土體視為剛性連接，樁基與側向土體采用等代土彈簧來模擬。

（3）彈簧的剛度由土介質的m值計算，m值根據(jù)實測的地質資料，按照《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG D60-2015）地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)取值。等代土彈簧剛度利用式（2）計算。

式（2）中：a-各土層厚度，m；b1-樁計算寬度，m；m-地基土的比例系數(shù)，kN/m4；z-各土層中點與地面的距離，m。

2.1.3 MIDAS模型及結構內(nèi)力分析

建立主墩MIDAS模型。給定撞擊力下5100kN下，計算最不利構件樁基的內(nèi)力，根據(jù)彎矩圖和軸力圖可知，最大彎矩6735 kN？m，此處軸力為13700kN。

2.2根據(jù)偏心受壓構件正截面極限承載能力公式計算極限承載能力

圓截面鋼筋混凝土偏心受壓構件正截面抗壓承載力計算公式，見式（3）～式（5）。

根據(jù)式（3）～式（5），計算得到截面極限承載力13700kN，8750kN？m。

2.3最大內(nèi)力與極限承載能力比較分析

在同軸力值下，截面的彎矩承載力為8750k N？m，大于受力6735 kN？m。因此，在給定撞擊力5100kN下，主墩結構不受破壞。

3.橋墩防撞能力分析

（1）利用已建立的MIDAS模型，計算結構在水平撞擊力F=1作用下的內(nèi)力值（軸力NO，彎矩MO）；

根據(jù)以上思路，計算得到本橋梁主墩結構的最大防撞力為8500kN。

4.主要結論

通過上述有限元計算分析可以得到以下結論：

（1）根據(jù)偏心受壓構件正截面極限承載能力公式及MIDAS有限元模型計算，均得到橋梁主墩結構最大防撞力約為8500～8750kN，大于按照漂流物計算公式分析，1000t級船舶在3m/s航速下產(chǎn)生的的最大撞擊力5100kN。即本橋梁主墩結構可保持穩(wěn)定不受破壞。

（2）考慮到主橋結構在本工程中的重要性，以及若發(fā)生船撞橋事故可能產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會影響，本工程在設計中仍然設置3個防撞墩，且防撞墩機構自身能抵抗船舶的撞擊作用，因此，可起到雙重保險作用，以避免橋梁自身主墩結構受到任何外觀形式上的撞擊損傷。

5結束語

綜上所述，對于跨大江、跨大河的非限制性航道中建設的各類橋梁，不可避免會經(jīng)常發(fā)生在水中設橋墩的情況，以合理控制工程造價和技術難度。因而，橋墩防撞問題日益成為每次橋梁設計過程中以及建設中的重點研討內(nèi)容之一。通過文章的研究，可為今后深化橋梁防撞分析提供一定的理論基礎和工程經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]郭杰鋒.高樁基礎防撞試驗及防撞設計新方法研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[2]王召兵.航道等級提升后橋梁船撞風險分析及防撞措施研究[D].重慶：重慶交通大學，2015.

[3]張志國，禚一.某橋墩抗撞、防撞措施設計及分析[J].鐵道工程學報，2013，30（12）： 46-50.