淺談橋墩抗撞設(shè)計(jì)

楊元錦

[摘要]通航內(nèi)河上修建的橋梁，橋梁橋墩需考慮船舶的撞擊作用。橋墩的抗撞與防撞設(shè)計(jì)關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。不同的船舶撞擊工況對(duì)橋墩的撞擊力不同，鐵路與公路中對(duì)船舶撞擊力的計(jì)算方法亦不同，我們需根據(jù)不同的情況進(jìn)行分析。結(jié)合工程實(shí)例，分析橋墩防撞設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]內(nèi)河通航；航速；橋墩；撞擊力；位移；裂縫 文章編號(hào)：2095-4085（2017）02-0055-03

內(nèi)航河上修建橋梁，其水上設(shè)墩時(shí)，需考慮船舶的撞擊可能性，需設(shè)置防撞措施或驗(yàn)算橋墩的防撞能力。上海地區(qū)河道眾多，其中較多為通航河。航道等較低的河上修建橋梁時(shí)，通常情況下橋墩不設(shè)置防撞措施。因無(wú)防撞措施，船舶撞擊橋墩時(shí)，兩者剛度均較大，橋墩抗撞能力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全顯得尤為重要。本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)橋墩抗撞進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1船舶碰撞分析

船舶與橋墩碰撞時(shí)不同的撞擊角度其撞擊作用力是不相同的，需分析船舶撞擊角度，以便對(duì)橋墩抗撞擊能力進(jìn)行分析。

（1）情況一：船舶正對(duì)著橋墩相撞，相撞后頂住不動(dòng)，船舶全部動(dòng)能與橋墩交換（圖1所示）。船舶撞擊力主要為橫橋向的作用力。

（2）情況二：船舶與橋墩成一定交角碰撞。撞擊力分為橫橋向與順橋向。其中船舶與橋墩成交角碰撞時(shí)又分為船頭與橋墩碰撞與船身與橋墩碰撞兩種情況。一般情況設(shè)定船頭與橋墩碰撞后，船的全部動(dòng)能由橋墩來(lái)承受（圖2所示）；船身與橋墩碰撞時(shí)（圖3所示），橋墩承受的碰撞動(dòng)能較與船頭碰撞的動(dòng)能小。

（3）橫橋向橋墩驗(yàn)算時(shí)，最不利工況為工況一，此工況為設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要工況。驗(yàn)算橋梁橫橋向與順橋向共同撞擊作用力時(shí)，選取情況二中船頭與橋墩成交角碰撞的工況分析。

2撞擊力計(jì)算方法

規(guī)范中對(duì)船舶撞擊力的計(jì)算一般采用“靜力法”，其假定船舶作用于墩臺(tái)上的有效動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為碰撞力所做的靜力功來(lái)計(jì)算。規(guī)范中對(duì)撞擊力進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算，省略其次要因素保留其主要因素，能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際的碰撞力。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)注意參考以下三種設(shè)計(jì)規(guī)范。

（1）公路規(guī)范，在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG-2015）中，漂流物橫橋向撞擊力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為：漂流物的撞擊作用點(diǎn)假定在計(jì)算通航水位線上橋墩寬度的中點(diǎn)。

其將船舶撞擊作為一種偶然荷載來(lái)分析。如缺乏實(shí)際調(diào)查資料時(shí)，可參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG-2015）中4.4章節(jié)中關(guān)于不同等級(jí)航道船舶的撞擊作用力設(shè)計(jì)值進(jìn)行的規(guī)定（表1）。

規(guī)范中規(guī)定：內(nèi)河船舶的撞擊作用點(diǎn)，假定為計(jì)算通航水位線以上2 m的橋墩寬度或者長(zhǎng)度的中點(diǎn)。

（3）美國(guó)規(guī)范，《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（AASHTO—1994）中，其對(duì)于水深超過(guò)0.6 m處的橋墩，一律按最小撞擊力設(shè)計(jì)。最小撞擊力按一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)底卸式內(nèi)河駁船計(jì)算，大于標(biāo)準(zhǔn)底卸式內(nèi)河駁船的，其撞擊力根據(jù)駁船的寬度之比進(jìn)行修正。計(jì)算公式為：P_s=6.0×10⁶+16000α_B（α_B≥100 mm）及P_s=6.0×10⁴+1600α_B（α_B≥100 mm），其撞擊力考慮了駁船的排水量、撞擊速度、水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)、撞擊能量等綜合因素，其方法計(jì)算明確，綜合考慮因素能較為準(zhǔn)確的計(jì)算出實(shí)際船舶碰撞時(shí)產(chǎn)生的撞擊力。

（4）對(duì)于國(guó)內(nèi)的中小河，其通航等級(jí)較低，通航的船舶噸位亦較小，因此對(duì)于低等級(jí)的通航內(nèi)河，橋墩抗撞設(shè)計(jì)時(shí)通常參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG-2015）中的相關(guān)規(guī)定來(lái)對(duì)橋墩的抗撞能力進(jìn)行驗(yàn)算。

3內(nèi)河航道通航速度

船舶以不同的航速發(fā)生撞基時(shí)，撞擊的能量是不同的。對(duì)橋梁抗撞進(jìn)行分析時(shí)，首先應(yīng)分析航道內(nèi)船舶的通航速度。根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG/TJ08-2116-2012）中3.3節(jié)中的3.3.

5中對(duì)通航內(nèi)河航速進(jìn)行了相關(guān)分析（表2）。

4工程實(shí)例分析

4.1工程概況

上海某路跨越規(guī)劃為7級(jí)的通航河，其規(guī)劃河口寬28 m，通航凈寬要求不小于16 m，通航孔梁底控制標(biāo)高≥6.0（m），其設(shè)計(jì)最高通航水位為3.2（m）。因道路為市政道路，道路標(biāo)高受周邊建筑物地形限制，新建橋梁需盡量降低橋面標(biāo)高，因此新建橋梁采用10（m）+20（m）+10（m）三跨簡(jiǎn)支布置。橋梁上部采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼接空心板梁，下部橋墩采用樁柱式橋墩，橋臺(tái)采用扶壁式橋墩?；A(chǔ)采用0800 mm的鉆孔灌注樁。

航道通航等級(jí)較低，通常情況下橋墩不設(shè)置防撞措施。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮橋墩的抗撞能力，其應(yīng)滿足橋墩受船舶撞擊時(shí)。撞擊作用力下：橋墩基礎(chǔ)應(yīng)滿足其變形在允許范圍內(nèi)，橋墩其承載力滿足撞擊作用力要求（圖4）。

4.2橋墩最大抗撞力分析

由于本項(xiàng)目的通航等級(jí)較低，可根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG-2015）中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)于Ⅶ級(jí)航道，一般航段設(shè)計(jì)時(shí)，如采用公路規(guī)范，采用最大航速13 km/h計(jì)算最大橫向撞擊力為183.67 kN；限制航速6 km/h計(jì)算最大橫向撞擊力為85.03 kN。

采用鐵路規(guī)范，采用最大航速13 km/h計(jì)算得最大撞擊力為246.25 kN；限制航速6 km/h計(jì)算最大橫向撞擊力為116.28 kN。根據(jù)鐵路規(guī)范中計(jì)算結(jié)果偏差大于根據(jù)公路規(guī)范計(jì)算的結(jié)果。因兩者計(jì)算偏差值不是很大，對(duì)于低等級(jí)航道，根據(jù)實(shí)際情況采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算橋梁的抗撞能力即可。

4.2.1基本假定

（1）橋墩抗撞驗(yàn)算時(shí)：橫橋向撞擊作用力為150（kN），順橋向撞擊作用力為125（kN）。根據(jù)最高設(shè)計(jì)通航水位來(lái)計(jì)算撞擊作用力位置，作用點(diǎn)標(biāo)高為5.2（m）處的橋墩蓋梁處。

（2）驗(yàn)算橋墩立柱的承載力時(shí)，承臺(tái)下鉆孔灌注樁設(shè)定為彈性支撐。

4.2.2橋墩基本參數(shù)

蓋梁尺寸：寬1.75 m，平均高1.3 m，長(zhǎng)22.6 m；材料為C40鋼筋砼。

立柱：φ800 mm，高1.6 m；材料為C40鋼筋砼。

承臺(tái)：寬1.6 m，高1.5 m，長(zhǎng)22.6 m；材料為CA0鋼筋砼。

樁基：φ800 mm，樁間距為3.0 m，樁長(zhǎng)為45 m；材料為水下C30鋼筋砼。

4.2.3基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)資料

土層標(biāo)高0 m～-13 m處為淤泥質(zhì)粘土層，其m值約為4500；標(biāo)高-13 m～-27 m處為粘土層，其m值約為7000 kN/m⁴；標(biāo)高-27m～-47m處為粉質(zhì)粘土層，其m值約為11000 kN/m⁴。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）中的附錄P中介紹的m法計(jì)算，地基的加權(quán)平均m值為9528 kN/m⁴。

經(jīng)計(jì)算順橋向a=0.43；橫橋向a=0.50。

根據(jù)“m法”計(jì)算樁基剛度系數(shù)計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，利用《橋梁博士》3.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)功能計(jì)算基礎(chǔ)剛度系數(shù)（坐標(biāo)系設(shè)定，橫橋向?yàn)閤，順橋向?yàn)閥；轉(zhuǎn)角方向?yàn)榘从沂致菪▌t，與坐標(biāo)軸正方向一致為正）。經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目樁基剛度系數(shù)為：

4.2.4橋墩抗撞驗(yàn)算

計(jì)算橋墩蓋梁、立柱、承臺(tái)在撞擊作用力下的承載能力及裂縫寬度，可采用MIDAS Civil2015有限元分析軟件建立橋墩模型進(jìn)行分析。橋墩有限元分析模型如圖5。

把樁基設(shè)定為一般彈性支撐，輸入上述計(jì)算所得的剛度系數(shù)。橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載均布加載于蓋梁上，船舶撞擊力點(diǎn)作用于蓋梁上。

經(jīng)邁達(dá)斯有限元分析軟件的驗(yàn)算，橋墩滿足抗撞設(shè)計(jì)要求（表3）。

5結(jié)語(yǔ)

橋梁進(jìn)行抗撞驗(yàn)算時(shí)首先分析其可能存在的碰撞情況，根據(jù)不同的情況進(jìn)行分析。公路規(guī)范與鐵路規(guī)范對(duì)船舶撞擊力計(jì)算結(jié)果有一定的偏差。對(duì)于低等級(jí)航道計(jì)算時(shí)，根據(jù)鐵路規(guī)范計(jì)算的撞擊力偏大于公路規(guī)范。通航等級(jí)較低的情況下，根據(jù)實(shí)際情況，采用公路規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行橋墩的抗撞能力驗(yàn)算即可。對(duì)橋墩進(jìn)行抗撞驗(yàn)算時(shí)，主要分析其在撞擊作用力下的位移與裂縫是否滿足要求。