某橋墩撞擊狀態(tài)力學(xué)行為分析

章 勇，鄧國(guó)良，王永亮

(1.南昌市政公用投資控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司,南昌 330029；2.青海省高等級(jí)公路建設(shè)管理局，青海 西寧 810008）

某橋墩撞擊狀態(tài)力學(xué)行為分析

章 勇1，鄧國(guó)良1，王永亮2

(1.南昌市政公用投資控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司,南昌 330029；2.青海省高等級(jí)公路建設(shè)管理局，青海 西寧 810008）

以某因撞擊而受損橋墩為工程背景，建立實(shí)體及桿系有限元仿真模型，在研究分析時(shí)采用靜力分析及有限元建模相結(jié)合的方法.在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析基礎(chǔ)上，通過(guò)折減橋墩被撞擊面的壁厚模擬分析橋墩損傷后的剛度變化，分析受損橋墩撞擊狀態(tài)及成橋狀態(tài)的受力行為.計(jì)算結(jié)果表明：橋墩被撞擊時(shí)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在撞擊點(diǎn)，最大拉應(yīng)力在出現(xiàn)在橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧側(cè)面、撞擊點(diǎn)橋墩區(qū)域；受損橋墩裂縫較大處箍筋屈服的概率很大.

撞擊;橋墩;損傷;仿真分析;力學(xué)行為

由于交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁數(shù)量越來(lái)越多，而橋墩因撞造成結(jié)構(gòu)損傷的事故也時(shí)有發(fā)生.外關(guān)于物體撞擊，目前，國(guó)內(nèi)外研究焦點(diǎn)更多集中在物體撞擊橋墩（橋梁）的概率、物體的撞擊動(dòng)能、以及在撞擊過(guò)程中橋梁（橋墩）的應(yīng)力、應(yīng)變等方面，[1]～[4]而對(duì)沖擊時(shí)結(jié)構(gòu)的受力行為研究相對(duì)較少.本文以某鐵路橋橋墩受撞擊損傷為工程實(shí)例，在研究分析時(shí)采用靜力分析及有限元建模相結(jié)合的方法對(duì)橋墩撞擊受力行為進(jìn)行分析研究.

1 工程背景

某在建鐵路橋孔跨形式為6×32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，每孔為4片簡(jiǎn)支梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55.橋墩采用雙線圓端形空心墩，從承臺(tái)至墩頂?shù)母叨葹?4.5m，墩身截面為圓端形，橫斷面尺寸為8.4m×4.0m，壁厚為0.5m，墩身采用C35混凝土.該梁的架設(shè)采用預(yù)制、軌道運(yùn)輸、架橋機(jī)架設(shè)的施工方案，在架設(shè)預(yù)制簡(jiǎn)支梁的過(guò)程中，吊梁天車(chē)鋼絲繩突然斷裂，某片邊梁從橋墩上方掉落至地面上，在墜落過(guò)程中，2#橋墩被墜落梁體撞擊，出現(xiàn)開(kāi)裂、損壞.

2#橋墩被梁體撞擊后存在裂縫，墩身外側(cè)左邊圓弧段的豎向裂縫的最大寬度為4mm～5mm，裂縫長(zhǎng)度13m，；墩身外側(cè)右邊圓弧段的豎向裂縫的最大寬度為2mm，裂縫長(zhǎng)度11m；橋墩內(nèi)壁的豎向裂縫最大寬度為2～3mm，長(zhǎng)度14m.

2 有限元仿真

由于沖擊荷載的破壞性大,沖擊荷載往往成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的控制因素.關(guān)于沖擊力常用的計(jì)算方法有靜力法、能量理論法、動(dòng)力分析法以及數(shù)值分析法等[5]～[8].靜力法盡管忽略了撞擊物與結(jié)構(gòu)的變形,將碰撞中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為勻減速運(yùn)動(dòng)以求解平均沖擊力,但由于簡(jiǎn)便實(shí)用,所以在許多工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用.

2.1 有限元仿真計(jì)算模型

通過(guò)a nsys軟件對(duì)2#橋墩進(jìn)行實(shí)體建模，混凝土采用S o l id45單元模擬，整個(gè)橋墩模型有198927個(gè)混凝土體單元，總共節(jié)點(diǎn)數(shù)為44939個(gè).為確保有限元模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用M I DA S/C i v i l建立2#墩空間梁?jiǎn)卧Ｐ?橋墩模型底部采用固結(jié)約束，墩頂支座、墩身等位置施加內(nèi)力組合.

圖1 2#橋墩有限元分析模型

2.2 計(jì)算參數(shù)及荷載

本次計(jì)算所涉及的材料參數(shù)見(jiàn)表1所示.

表1 材料參數(shù)表

根據(jù)2#橋墩的裂縫位置、長(zhǎng)度和深度等開(kāi)展情況，通過(guò)折減橋墩被撞擊面的壁厚模擬分析橋墩損傷后的剛度變化.本文主要模擬了四種類(lèi)型的截面：（1）完好截面、（2）橋墩撞擊面的壁厚折減50%的“損傷截面1”、（3）橋墩撞擊面的壁厚折減75%的“損傷截面2”、（4）橋墩撞擊面的壁厚折減100%的“損傷截面3”.橋墩不同損傷程度的截面特性見(jiàn)表2.

表2 2#橋墩不同損傷程度的截面特性

圖2 2#橋墩不同損傷程度的截面形狀和尺寸

對(duì)于計(jì)算荷載取值，主要計(jì)算了橋墩撞擊時(shí)的荷載。

(1)橋墩撞擊狀態(tài)的荷載取值

①結(jié)構(gòu)恒載

包括橋墩自重、已架好5片主梁自重.根據(jù)大橋設(shè)計(jì)說(shuō)明，雙線橋單孔主梁自重為5396.4k N，則單片梁自重為5396.4k N/4=1349.1k N.

②架橋機(jī)自重

根據(jù)施工方提供資料，施工過(guò)程采用TJ180架橋機(jī)吊梁，該架橋機(jī)重為136t，在支撐在2#撞擊墩的荷載約為68t.

③梁體墜落撞擊力

由于規(guī)范缺少梁體墜落撞擊力的相關(guān)說(shuō)明，而該事故中梁體墜落撞擊力(可分解為豎向分力與水平分力,本文偏保守的僅考慮水平分力)與橋墩受船只或排筏與墩臺(tái)撞擊時(shí)的撞擊力具有相似性，本文將此次撞擊類(lèi)比如河流中船只或排筏對(duì)橋墩的撞擊，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料及相關(guān)描述，梁體墜落過(guò)程與橋梁結(jié)構(gòu)撞擊按以下情況計(jì)算：主梁一端掉落至1#墩地面，另一端撞擊2#墩墩身距墩頂約9.9m位置（下落高度約11.7m）；根據(jù)梁體的墜落高度，用重力勢(shì)能與動(dòng)能守恒的原理，先求出撞擊速度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[9]中關(guān)于橋墩臺(tái)撞擊力公式，撞擊力可按公式（1）計(jì)算：

撞擊力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表所示.

表3 梁體墜落豎向撞擊力計(jì)算結(jié)果

參考《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[9]～[10]，本次計(jì)算考慮到實(shí)際情況，將撞擊力乘以1.3倍的動(dòng)力系數(shù)，即撞擊力F=2545× 1.3＝3309k N.

④2#墩墩頂支座水平摩阻力

在被撞擊的2#墩頂處，2#墩～3#墩跨已經(jīng)架設(shè)了4片梁，2#墩～1#墩跨已經(jīng)架設(shè)了1片梁，在計(jì)算分析時(shí)2#墩墩頂?shù)闹ёψ枇樗搅Γёψ枇τ?jì)算公式為F=μW，式中：W為作用于支座上由上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)（即船只或排筏重量）；μ為支座摩擦系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，取0.06.因此，F(xiàn)=μW= 0.06×（1349.1×5）/2=202.4k N

3 結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果

3.1 應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，橋墩被撞擊時(shí)橋墩的應(yīng)力分布及變形圖具體見(jiàn)圖3～圖4所示。

圖3 2#橋墩被撞狀態(tài)應(yīng)力云圖（單位:MPa）

圖4 2#橋墩被撞狀態(tài)變形云圖（單位:mm）

計(jì)算結(jié)果表明，在橋墩被撞擊時(shí)：

（1）橋墩被撞擊點(diǎn)主壓應(yīng)力極值達(dá)-28.9M P a，大于鐵規(guī)中規(guī)定的C35混凝土軸心抗壓強(qiáng)度-23.5 M P a，其中超過(guò)C35容許應(yīng)力-11.8M P a的區(qū)域面積約1.5m×1.5m.

（2）橋墩外表面主拉應(yīng)力基本在0.0～4.5M P a之間，其中橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧側(cè)面、墩底部拉應(yīng)力值較大，極值約4.5M P a，超過(guò)C35抗拉應(yīng)力2.5M P a的區(qū)域面積分別為3m×4m及3m×5m.橋墩內(nèi)部與撞擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域主拉應(yīng)力極值達(dá)16.5M P a，超過(guò)2.5M P a的區(qū)域面積達(dá)3m×5m.由于這些區(qū)域均超出了C35混凝土軸心抗拉應(yīng)力，因而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂.

（3）橋墩順橋向水平應(yīng)力值在0～3.75M P a之間，超過(guò)2.5M P a的區(qū)域面積約1m×4m，均出現(xiàn)在橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧側(cè)面.

（4）撞擊時(shí)，橋墩順橋向最大變形為12.40mm，出現(xiàn)在墩頂位置；橫橋向最大變形為0.64mm，出現(xiàn)在橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧側(cè)面.

總體上，橋墩被撞擊時(shí)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在撞擊點(diǎn)，最大拉應(yīng)力在出現(xiàn)在橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧側(cè)面、撞擊點(diǎn)橋墩區(qū)域.根據(jù)應(yīng)力及橫向變形計(jì)算結(jié)果，總體上與橋墩被撞擊后的實(shí)際病害較為一致：即撞擊點(diǎn)混凝土破碎、橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧面及撞擊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)較大面積的裂縫等.

3.2 裂縫寬度與鋼筋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對(duì)橋墩的豎向裂縫寬度和主鋼筋拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系、橫向水平裂縫寬度和箍筋拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了試算，計(jì)算結(jié)果表5.表中計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）當(dāng)墩身豎向裂縫寬度達(dá)到0.62mm時(shí)，箍筋的鋼筋應(yīng)力達(dá)到236M P a；（2）當(dāng)墩身橫向裂縫寬度達(dá)到0.44mm時(shí)，豎向主筋的鋼筋應(yīng)力達(dá)到了335M P a.墩身的撞擊后產(chǎn)生的豎向裂縫最大寬度為4mm～5mm.據(jù)試算結(jié)果推斷，裂縫寬度大于0.62mm處的箍筋已屈服.橋墩豎向的三條主要裂縫的最大寬度均在2mm以上，裂縫較大處箍筋屈服的概率很大.

表5 2#橋墩的箍筋鋼筋應(yīng)力和裂縫驗(yàn)算寬度的變化關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)折減橋墩被撞擊面的壁厚模擬分析橋墩損傷后的剛度變化，用靜力分析及有限元建模相結(jié)合的方法，對(duì)該受損橋墩的受力行為進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論：

（1）橋墩被撞擊時(shí)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在撞擊點(diǎn)，最大拉應(yīng)力在出現(xiàn)在橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧側(cè)面、撞擊點(diǎn)橋墩區(qū)域.橋墩順橋向最大變形為12.40mm，出現(xiàn)在墩頂位置；橫橋向最大變形為0.64 mm，出現(xiàn)在橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧側(cè)面.

（2）墩身被撞擊后的裂縫寬度大部分均大于1mm，最大寬度達(dá)到為4mm～5mm.根據(jù)橋墩的裂縫寬度和鋼筋拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系的試算結(jié)果，裂縫寬度大于0.62mm處的主筋和箍筋均已屈服.

（3）根據(jù)應(yīng)力及橫向變形計(jì)算結(jié)果，總體上與橋墩被撞擊后的實(shí)際病害較為一致：即撞擊點(diǎn)混凝土破碎、橋墩撞擊點(diǎn)高程的兩圓弧面及撞擊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)較大面積的裂縫等.

通過(guò)對(duì)大橋橋墩的仿真分析，對(duì)受損狀態(tài)下的橋墩受力行為進(jìn)行了初步分析，為下一步是否需要對(duì)該橋墩進(jìn)行加固設(shè)計(jì)提供依據(jù).

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Mechanical Behavior Analysisof the Impact of aDamaged Bridge Pier

ZH A N G Y on g1,D EN GG u o l i a n g1,ZH A N G R u o ga n g2
(1N a n c h a n gMu ni c i pal publ i c I n v est m ent H o l din g s(G r o up)L i m ited L i ab i l ity C o mpa ny，N a n c h a n g,330029 2.B r id g e Sc ien c e R ese arc h I nstit u te L td.,C hin a R a i lwa y Maj o r B r id g e E n g inee r in g G r o up,W u h a n 430034)

B a sed on the i mpac t o f a d amag ed br id g e p ie r,the f inite e l e m ent si mula tion m ode l o f the so l id a nd the r od syste m is est abl ished.I n the r ese arc h,a do p ts the c o mb in a tion o f st a ti c a n al ysis a nd the f inite e l e m ent m ode l in gm ethod.O n the ba sis o f f ie l d in v esti ga tion a nd a n al ysis,it a n al y z es the st a te o f the d amag ed br id g e p ie r c o l l ision a nd st r essed b eh av io r.T he calcula tion r es ul ts sho w th a t:w hen the br id g e wa s hit,the max i mum c o mpr essi v e st r ess app e ar s a t the p oint o f hittin g.

S t r i k e;B r id g e Pie r;D amag e;S i mula tion An al ysis.M e c h a ni cal B eh av io r

TU13

A

1672-2094(2016)02-0158-04

責(zé)任編輯：張隆輝

2016-03-16

章 勇(1976-)，男，江西南昌人，南昌市政公用投資控股（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高級(jí)工程師，碩士.研究方向：從事工程技術(shù)與管理.