某橋墩船撞受損病害分析及維修加固

摘 要：文章以某橋墩船撞受損為例，在無(wú)法確定撞擊橋墩船的噸位和速度等具體參數(shù)情況下，從病害特征分析入手，建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ停ㄟ^對(duì)模型分析與檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，給出維修加固方案。

關(guān)鍵詞：橋船碰撞；病害分析；維修加固

1 工程概況

某大橋建造于1998年，橋長(zhǎng)610m，橋?qū)?.6m，橋面布置為0.5m（護(hù)欄）+7.6m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）；設(shè)計(jì)荷載汽-20；主橋上部結(jié)構(gòu)布置為9×30m+6×40m+3×30m，18跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁、I型梁結(jié)構(gòu)，其中40m橋跨為T梁結(jié)構(gòu)類型，30m橋跨為I型梁結(jié)構(gòu)類型。下部為樁柱式墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)。該橋在大橋定期檢查過程中發(fā)現(xiàn)，該橋右幅11#墩處立柱端部發(fā)生了較大偏位；另外，立柱與系梁相接處出現(xiàn)較寬的裂縫，立柱側(cè)面（下游側(cè)）存在明顯的撞擊痕跡。

2 病害統(tǒng)計(jì)

2.1 船撞位置

橋墩下游側(cè)立柱存在明顯的碰撞痕跡，由此判斷該橋立柱受到來自下游方向的船只橫橋向正面撞擊，撞擊區(qū)域距離樁頂1.8m～2.5m，橋墩立柱和樁頭都經(jīng)受了船只碰撞，樁頭的混凝土遭到剪切破壞，立柱側(cè)面遭到碰撞擦傷。

2.2 系梁病害

橋墩兩根立柱間的下系梁與立柱交接部位存在明顯的裂縫，其中受撞擊一側(cè)（下游）的立柱與系梁裂縫特點(diǎn)為下部裂縫寬，上部裂縫窄，裂縫由下朝上延伸。而上游的立柱與系梁裂縫特點(diǎn)為下部裂縫窄，上部裂縫寬，裂縫由上朝下延伸，而且系梁頂面也存在較寬的裂縫。

2.3 墩殘余偏位

墩受船只撞擊作用（由下游往上游撞擊，其中東側(cè)為下游，西側(cè)為上游）后，立柱發(fā)生偏位，因撞擊過程屬于瞬間作用，上部結(jié)構(gòu)橫向偏位較小，而蓋梁向上游順勢(shì)偏位較為明顯，通過測(cè)量蓋梁頂面支座墊石與T梁中心的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，可知偏位數(shù)據(jù)的平均值為9.1cm，橋墩被船撞擊后，蓋梁橫橋向殘余的位移為9.1cm左右。

3 計(jì)算分析

3.1 樁土作用模擬

根據(jù)我國(guó)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D63-2007）用的“m法”確定土的地基系數(shù)C，再由其算出土彈簧的水平剛度?！癿法”僅適用于樁土位移較小情況，當(dāng)樁土位移過大時(shí)，土體進(jìn)入塑性破壞階段，因此本次計(jì)算時(shí)，需要將土體對(duì)樁基礎(chǔ)到側(cè)向約束剛度進(jìn)行折減，以便貼近樁土間的真實(shí)作用。

3.2 荷載模擬

實(shí)際上船只撞擊橋梁時(shí)產(chǎn)生的撞擊力取決于船只載重量、船只類型、船首的形狀和構(gòu)造、船首壓艙情況和撞擊速度等多個(gè)因素。對(duì)于橋梁防撞設(shè)計(jì)和評(píng)估分析而言，能夠基本把握船撞橋的碰撞力和結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法很有實(shí)際意義，目前簡(jiǎn)化分析方法可以分為幾類：

（1）等效船撞力方法[1]～[2]。這種典型的計(jì)算方法分別為各國(guó)規(guī)范所采用，例如我國(guó)的《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》。通過能量理論、試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，將船碰撞時(shí)產(chǎn)生的作用力用靜力荷載來代替。這些公式簡(jiǎn)單易用，但計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際有些偏差。

（2）質(zhì)點(diǎn)彈簧系統(tǒng)方法[3]。質(zhì)點(diǎn)彈簧系統(tǒng)模擬計(jì)算船舶撞擊作用，在已有的研究成果中，對(duì)外部撞擊動(dòng)力學(xué)的處理均是將船舶看成剛體或質(zhì)點(diǎn)，把橋墩處理成剛體或變形體，附連水的作用較為復(fù)雜而多采用附加質(zhì)量處理，或者增加了附加阻尼或浮力；在內(nèi)部撞擊動(dòng)力學(xué)中，用代表撞擊力與變形關(guān)系的彈簧或非線性恢復(fù)力模型連接船體與橋墩結(jié)構(gòu)模擬，代替復(fù)雜的碰撞接觸過程。

（3）時(shí)程荷載方法。用碰撞計(jì)算所得撞擊力時(shí)程作為荷載輸入分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)，同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做過這方面到研究。采用撞擊力時(shí)程代替接觸過程作為輸入，分析結(jié)構(gòu)反應(yīng)，這種撞擊力時(shí)程本身亦是通過碰撞接觸計(jì)算得到的，并沒有從根本上簡(jiǎn)化船撞分析方法。采用時(shí)程荷載方法進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，關(guān)鍵在于如何確定這種時(shí)程荷載。

本次被撞橋墩的肇事船只無(wú)法確認(rèn)，其船只噸位、排水量、撞擊速度等參數(shù)無(wú)法獲取，樁柱在船體碰撞過程中得撞擊力難以確定，但是橋墩蓋梁頂部支座墊石中心相對(duì)梁體中心的橫橋向偏位殘留值9cm左右。因此本次計(jì)算分析時(shí)根據(jù)目前常用的撞擊力計(jì)算公式，先初步擬定一個(gè)可能的等效靜力撞擊力，通過計(jì)算橋墩頂部位移量，迭代撞擊時(shí)的等效撞擊靜力荷載。本橋交通量小，撞擊時(shí)僅考慮船只撞擊橫向作用、上下部結(jié)構(gòu)自重。船只撞擊力作用點(diǎn)為系梁以上1.8m～2.5m之間。

3.3 計(jì)算結(jié)果

（1）根據(jù)理論分析在橫向力作用下對(duì)樁基的影響深度為從樁頂以下25m范圍，根據(jù)JTG D63-2007《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)樁柱圓形截面鋼筋混凝偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行承載力驗(yàn)算：立柱承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，但是系梁和部分樁身不滿足其承載能力要求，會(huì)出現(xiàn)開裂病害。

（2）被撞擊的立柱，其撞擊部位的彎矩還沒超出立柱的承載能力，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢查也表明撞擊部位的立柱未出現(xiàn)明顯裂縫。

（3）系梁與立柱連接處彎矩較大，已超出其承載能力。這與系梁開裂病害特征相符合。

（4）本次計(jì)算時(shí)，為便于計(jì)算和分析，不考慮土體的塑性變形導(dǎo)致墩頂出現(xiàn)較大的橫向殘余位移，僅僅考慮墩柱的彈性變形，當(dāng)立柱發(fā)生9cm的彈性變形時(shí)，樁身所承受的撞擊力已經(jīng)超出其承載能力。而實(shí)際情況是，目前樁身橫向變位的殘余變位已經(jīng)達(dá)到9cm，由此可見實(shí)際撞擊過程中蓋梁頂端橫向變位遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過9cm，樁身承受的撞擊作用已經(jīng)遠(yuǎn)超出其承載能力。

4 病害檢測(cè)驗(yàn)證與分析

4.1 病害檢測(cè)

事故發(fā)生后，橋位處水位處于高水位階段，江水渾濁、流速較大，難以通過水下檢測(cè)方式對(duì)墩柱水下部進(jìn)行檢測(cè)，但是計(jì)算表明，樁基礎(chǔ)存在嚴(yán)重的受損斷面，為此對(duì)橋面和橋下采取了交通管制措施。經(jīng)過與附近水文觀測(cè)站溝通，檢測(cè)方在枯水期落潮時(shí)段，待系梁下方1m左右的樁基礎(chǔ)露出水面后，采用高壓水槍清洗樁基礎(chǔ)表面，對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表觀檢測(cè)。檢測(cè)表明，系梁下方的樁基礎(chǔ)存在嚴(yán)重的受損裂縫，裂縫位置與理論分析基本一致。其中直接受船撞擊作用的下游樁身裂縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，最長(zhǎng)接近樁身周長(zhǎng)的3/4，寬度較大，上游樁身裂縫長(zhǎng)度較小，寬度較小。

4.2 病害分析

理論分析表明樁身存在兩處斷裂面：一處在系梁下方；另外一處在樁頂往下的16m處，且該處病害較為嚴(yán)重。目前樁頂與系梁相接部位病害通過檢測(cè)已經(jīng)得到了驗(yàn)證，說明計(jì)算模型合理。通過該模型也能推定樁頂往下的16m處存在嚴(yán)重?cái)嗔衙妗？紤]到河床深處的樁身病害難以檢測(cè)，本次不再作深入檢測(cè)，僅依據(jù)理論分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行處治。

通過理論分析與檢測(cè)驗(yàn)證，可見撞擊作用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出樁身承載能力，此樁基已失去了再次承受橫向撞擊的能力，因此有必要采取措施來增強(qiáng)該橋墩的橫向抗彎承載能力。

5 基樁維修加固方案

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際詳細(xì)勘察和病害理論分析結(jié)果，橋墩基樁嚴(yán)重受損，已不能保證正常的安全運(yùn)營(yíng)?，F(xiàn)采取如下維修加固方案，相關(guān)要點(diǎn)如下：（1）在墩上下游（西、東側(cè)）各新設(shè)一排鉆孔灌注樁，每排樁2根，新老樁端部澆筑在新設(shè)的三角形承臺(tái)內(nèi)。（2）舊樁繼續(xù)承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載，新樁輔助老樁承擔(dān)水平荷載。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：羅文林（1980-），男，碩士，工程師，長(zhǎng)期從事橋梁檢測(cè)、維修加固等養(yǎng)護(hù)方面的工作。