船舶撞擊下的橋墩樁基受力分析

船舶撞擊下的橋墩樁基受力分析

1橋梁結(jié)構(gòu)形式近年來，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，橋梁數(shù)量不斷增加，水上運(yùn)輸業(yè)變得越來越繁忙。由于船舶交通量的持續(xù)增長,船舶撞擊橋墩事件時(shí)有發(fā)生。我國對橋梁受船舶撞擊作用的研究一般重點(diǎn)關(guān)注于大跨徑橋梁的主墩防撞、船舶撞擊概率和撞擊力等方面,但對于大量的跨越較低等級航道的橋梁中普遍使用的樁柱式下部結(jié)構(gòu)能否滿足船舶撞擊要求亦是橋梁設(shè)計(jì)人員必須考慮的問題。本文以浙江省某8車道高速公路中跨越6級航道的1座橋梁為研究對象。該橋處于浙江省杭嘉湖沖湖積平原區(qū),地形平坦開闊,地質(zhì)表部為沖湖積粉質(zhì)粘土層,下臥層為海積流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、軟塑狀粉質(zhì)粘土層。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用30m跨徑的先簡支后連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu),橋面寬20.5m;下部結(jié)構(gòu)采用4柱式樁柱結(jié)構(gòu)橋墩,橋墩橫向軸線沿水流方向設(shè)置。樁徑1.5m,樁間距5.25m,樁基長約40.0m,樁頂設(shè)置橫系梁(120cm×100cm),柱徑1.3m,柱頂設(shè)置蓋梁(160cm×160cm)。樁基和橫系梁采用C25混凝土,Ec=2.8×104MPa,立柱采用C30混凝土,Ec=3.0×104MPa。橋墩一般構(gòu)造見圖1。2模型的建立按《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中規(guī)定的船撞力,采用有限元軟件ANSYS對橋墩進(jìn)行船撞分析。分別建立1個(gè)4柱式橋墩的三維實(shí)體有限元模型和一聯(lián)三跨的全橋空間桿系有限元模型(圖2)。全橋空間桿系有限元模型的作用,一是考察船撞擊作用下立柱、橫系梁、樁基等下部構(gòu)造的彎矩和內(nèi)力,二是得到蓋梁各支座處的位移或支反力,并將此位移或支反力作為邊界條件施加給橋墩三維實(shí)體有限元模型。在滿足計(jì)算需要的基礎(chǔ)上,對空間桿系模型的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化。橋墩三維實(shí)體模型單元總數(shù)為9620,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為11456,樁基、立柱、橫系梁、蓋梁采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid45,在個(gè)別銜接處和形狀復(fù)雜部位采用20節(jié)點(diǎn)六面體高次單元Solid95,這2種單元的節(jié)點(diǎn)均為3個(gè)自由度(Ux,Uy,Uz)。全橋空間桿系模型單元總數(shù)為1365,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1290,上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均采用2節(jié)點(diǎn)空間梁單元Beam4,每節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(Ux,Uy,Uz,Rx,Ry,Rz)。采用1個(gè)空間梁單元Beam4與1個(gè)單向受壓接觸單元Contac52串聯(lián)的形式來近似模擬每塊板式橡膠支座,這種方法既可以模擬出支座的豎向剛度和水平剛度,又可以模擬支座的單向受力特性。橋位處地質(zhì)以粘土為主,樁土效應(yīng)比較明顯,在空間桿系模型和三維實(shí)體模型中,樁與土之間均采用單向受壓的接觸單元Contac52,接觸單元的彈簧剛度按樁周土的模量來換算,樁基底部則施加固端約束。船舶對樁基的撞擊力按《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.4.2條表4.4.2-1中的規(guī)定來考慮。對6級內(nèi)河航道,代表的船舶噸級為100t,橫橋向撞擊作用取250kN,順橋向撞擊作用取200kN(折減50%,最終取100kN)。撞擊點(diǎn)假定為計(jì)算通航水位以上2m處,撞擊力按集中力作用在1號橋墩立柱上(圖3)。為研究船舶橫橋向撞擊和順橋向撞擊下的橋墩受力以及樁頂設(shè)置橫系梁與否對橋墩受力的影響,共考慮4個(gè)工況。工況1:樁頂設(shè)置橫系梁,橫橋向撞擊;工況2:樁頂不設(shè)置橫系梁,橫橋向撞擊;工況3:樁頂設(shè)置橫系梁,順橋向撞擊;工況4:樁頂不設(shè)置橫系梁,順橋向撞擊。在對樁頂不設(shè)置橫系梁的工況進(jìn)行計(jì)算時(shí),依然采用上述模型,只需將模型中橫系梁部分的單元去掉即可。各模型和計(jì)算結(jié)果中,彎矩和內(nèi)力的符號按圖2、圖3所示的整體坐標(biāo)系服從右手法則,應(yīng)力以拉為正,壓為負(fù)。3橫系梁對橋墩彎矩的影響在工況1、工況2下橋墩的彎矩分布見圖4。由圖4可知,工況2下,被直接撞擊的1號橋墩的柱頂和蓋梁銜接處的負(fù)彎矩達(dá)到-482.68kN·m,撞擊點(diǎn)處的柱身正彎矩達(dá)到422kN·m。而2~4號橋墩的立柱和樁基的彎矩均很小,且分布規(guī)律及彎矩值近乎相等,都在±100kN·m以內(nèi)?？梢姶暗淖矒袅救勘恢苯幼矒舻臉蚨?即1號橋墩)承擔(dān)。在工況1下,1號橋墩中的彎矩明顯減小,且彎矩沿標(biāo)高方向的整體形態(tài)發(fā)生顯著變化。柱頂處的負(fù)彎矩減小為-202.54kN·m,為工況2時(shí)的42%,撞擊點(diǎn)處的柱身彎矩減小為290.23kN·m,為工況2時(shí)的60%。與此同時(shí),2~4號橋墩的立柱中的彎矩依然較小,但各根樁樁頂處的彎矩卻顯著增大,達(dá)到170~221kN·m?？梢?在橫橋向的船舶撞擊作用下,橫系梁起到了對橋墩的立柱和樁基的彎矩重分配作用,被直接撞擊的橋墩的立柱和樁基的彎矩大幅降低,其他樁基中的彎矩則顯著增加,橫系梁把各橋墩的立柱和樁基連接成一個(gè)框架,共同受力,橫橋向的撞擊力通過橫系梁傳遞給其他樁基來共同承擔(dān)。工況1、工況2下橋墩三維實(shí)體模型,沿橋墩橫橋向中心面的剖面豎向正應(yīng)力見圖5。工況1、工況2下,在立柱和樁基范圍內(nèi)的最大應(yīng)力均為13.3MPa,都發(fā)生在撞擊力作用部位,但這個(gè)高應(yīng)力區(qū)域在墩身橫截面上的分布范圍有限,僅為5~10cm,超出此范圍后應(yīng)力值即衰減至正常水平?？梢姍M系梁設(shè)置與否對撞擊處的墩身橫截面的應(yīng)力最大幅值無明顯影響。但設(shè)置橫系梁后,1號橋墩除撞擊點(diǎn)以外的其他區(qū)域的應(yīng)力均有所降低,高應(yīng)力區(qū)域明顯減少,墩身最大位移也大幅降低(表1),而其他幾根橋墩的應(yīng)力略有增加。4橫系梁對各橋墩彎矩的影響工況3、工況4下橋墩的彎矩分布見圖6。由圖6可知,工況4下,被直接撞擊的1號橋墩的柱頂和蓋梁銜接處的負(fù)彎矩為-103.33kN·m,撞擊點(diǎn)處的柱身正彎矩為217.12kN·m。2~4號橋墩的立柱和樁基的彎矩基本很小,在±100kN·m以內(nèi)依次減小?？梢姶暗淖矒袅χ饕恢苯幼矒舻?號橋墩所承擔(dān),而2~4號橋墩受到的影響依次減小。在工況3下,1~4號橋墩中的彎矩有些變化,但變化不大。被直接撞擊的1號橋墩的墩頂處負(fù)彎矩為-64.92kN·m,為工況4時(shí)的63%,撞擊點(diǎn)處的柱身彎矩為198.73kN·m,為工況4時(shí)的92%,墩身在橫系梁處的彎矩出現(xiàn)一個(gè)小臺階。2~4號橋墩的立柱和樁基中的彎矩基本沒變化,僅鄰近的2號橋墩的墩身在工況3下的彎矩比工況4下的略微增大,且彎矩分布規(guī)律有少許變化?？梢?在順橋向的船舶撞擊作用下,橫系梁起到的作用有限,設(shè)置橫系梁與否,對各橋墩的彎矩影響不大。雖然橫系梁把各橋墩的立柱和樁基連接成框架,但這個(gè)框架平面與順橋向的船舶作用力相垂直,所以框架未能起到顯著的內(nèi)力重分配的作用。相比之下,橫橋向撞擊時(shí),這個(gè)框架平面與撞擊力在同一個(gè)平面上,所以框架的內(nèi)力重分配效應(yīng)顯著。工況3、工況4下橋墩三維實(shí)體模型沿著被撞擊的1號橋墩順橋向中心面的剖面豎向正應(yīng)力見圖7。工況3、工況4下,在立柱和樁基范圍內(nèi)的最大應(yīng)力均為5.3MPa,都發(fā)生在撞擊力作用部位,但這個(gè)高應(yīng)力區(qū)域在墩身橫截面上的分布范圍有限,僅為3~5cm,超出此范圍后應(yīng)力值即衰減至正常水平。此外,在設(shè)置橫系梁后,各橋墩的立柱和樁基中的應(yīng)力幅值和分布規(guī)律與不設(shè)置橫系梁時(shí)相比,無顯著變化。但1號橋墩的最大位移略有降低,但降低的幅度有限,僅為8.7%(表2)?？梢娫陧槝蛳蜃矒糇饔孟?橫系梁起到的作用很小,與空間桿系分析得出的結(jié)論相一致。5橫系梁設(shè)置的影響(1)從計(jì)算的情況來看,樁基尺寸擬定比較合理,能滿足現(xiàn)行規(guī)范中所規(guī)定船撞力的撞擊要求。但在設(shè)計(jì)中,為避免橋墩受撞擊后局部受損,在撞擊范圍內(nèi)建議局部配筋加強(qiáng)。(2)橋墩橫系梁的設(shè)置對下部結(jié)構(gòu)提高橫向抗撞能力很有必要。在橫橋向船舶撞擊作用下,設(shè)置橫系梁可使橋墩的立柱和樁基組成框架,共同受力,對各橋墩的立柱和樁基的彎矩起到重分配作用。被直接撞擊的橋墩的立柱和樁基彎矩大幅減小,其他樁基中的彎矩則顯著增加。橫橋向撞擊力通過橫系梁傳遞給其他樁基來共同承擔(dān)。橫系梁設(shè)置對撞擊處的墩身橫截面的應(yīng)力最大幅值無明顯影響。但設(shè)置橫系梁后,被直接撞