某大橋橋墩纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防撞浮箱常見病害分析

趙曉斌，鄒鎮(zhèn)川

（重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016）

0 引言

位于通航河道中的橋梁雖然受船舶撞擊造成垮塌的可能性較小，但該類事故一旦發(fā)生，后果將十分嚴(yán)重。目前國(guó)外策略是通過動(dòng)力分析設(shè)計(jì)，預(yù)防事故發(fā)生，保護(hù)主要構(gòu)件不被破壞。我國(guó)則主要是根據(jù)公路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，按內(nèi)河航道等級(jí)確定撞擊力，再通過合理設(shè)計(jì)船橋碰撞機(jī)理及橋墩防撞裝置來抵抗撞擊力，提出了“小撞不壞、中撞可修、大撞不倒”的設(shè)計(jì)原則。

（1）防撞機(jī)理

橋墩防撞早期采用的是剛性防撞裝置，但在保護(hù)橋墩時(shí)不能保障航船安全。經(jīng)過創(chuàng)新，九十年代后一系列柔性防撞裝置被研發(fā)出來，其理念為保障橋墩結(jié)構(gòu)和航船均不損壞，防撞裝置自身變形后也能恢復(fù)到原來形狀，可以反復(fù)多次使用，同時(shí)通過在防撞裝置內(nèi)部設(shè)置蜂窩狀充氣腔體，達(dá)到裝置整體可隨水位漲落而升降的效果。如1991 年研究出的三不壞防撞裝置[1-2]（圖1），1994 年研究的橋墩浮式柔性防撞護(hù)套[3]（圖2），2007年湛江海灣大橋柔性耗能防撞裝置等[4]。

圖1 三不壞防撞裝置平面圖

圖2 橋墩浮式柔性防撞護(hù)套平面圖

（2）結(jié)構(gòu)材料

長(zhǎng)期以來，橋梁防撞設(shè)施大量采用鋼制結(jié)構(gòu)[5]和橡膠，但在使用過程中暴露出諸多問題，如鋼制結(jié)構(gòu)自重大、易腐蝕、維護(hù)成本高等，橡膠抗拉強(qiáng)度低、易老化、使用壽命短等。為改善上述缺陷，一種新型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁防撞設(shè)施中開始大量應(yīng)用，其材料性能更符合橋墩防撞浮箱的要求。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由增強(qiáng)材料和基體材料組成，其中高性能纖維為增強(qiáng)材料，合成樹脂為基體材料。纖維具有很高的抗拉伸能力，可提供纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度，起到承受撞擊荷載作用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度較小，約為鋼密度的1/5～1/7，結(jié)構(gòu)的自重小，同時(shí)，在潮濕環(huán)境中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有耐腐蝕性、可維護(hù)性等特點(diǎn)。

1 某大橋新型防撞浮箱設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

長(zhǎng)江流域某跨江大橋?yàn)? 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主橋下部結(jié)構(gòu)的4 個(gè)主墩中2 個(gè)位于通航河道中，截面尺寸7.0×2.5m，墩高43.0～57.0m。根據(jù)大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析咨詢報(bào)告中提出的預(yù)測(cè)通航密度下的船撞倒塌頻率，建議對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大主墩采取一定的防撞保護(hù)措施。經(jīng)討論后，推選纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）新型材料+柔性防撞+裝配式結(jié)構(gòu)原理，對(duì)橋墩防撞浮箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)設(shè)防荷載標(biāo)準(zhǔn)：①撞擊船舶噸位1600 t；②船舶撞擊速度3.0m/s；③船舶偏航角度8°～22°。其浮箱纖維材料鋪設(shè)成品根據(jù)使用環(huán)境中溫度、濕度、酸堿度等要求應(yīng)達(dá)到表1 中的要求。

表1 浮箱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能要求

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

大橋主墩墩柱FRP 防撞浮箱設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分為環(huán)向圍護(hù)在墩柱外圍的FRP 箱體結(jié)構(gòu)，主要起到抗撞、消能結(jié)構(gòu)和浮力平衡的作用；一部分為外圍箱體與墩柱之間的FRP 八邊形內(nèi)襯柱殼構(gòu)件，主要通過變形緩沖，消除浮箱傳遞給橋墩的能量[6]。

由于橋墩外圍周長(zhǎng)較長(zhǎng)，整體式設(shè)計(jì)施工安裝及后期維護(hù)難度較大，因此外圍浮箱采用裝配式設(shè)計(jì)，每一組浮箱共分為12 個(gè)單元箱。在此基礎(chǔ)上便于對(duì)迎撞面或迎水面單元箱體功能進(jìn)行優(yōu)化，即分為7 個(gè)密封浮力箱和5 個(gè)底部開孔水阻箱，如圖3 所示。浮力箱用于調(diào)試浮箱的出水面高度，水阻箱主要與內(nèi)襯柱殼等共同提供撞擊時(shí)的水流阻力。

第二句的“假象”實(shí)指第一句“亂人心神”的甜美果實(shí)和“美麗的陷阱”，“蒙蔽”“沉醉”“不可自拔”“沉淪”等詞語則對(duì)應(yīng)于第一句“毒性”“陷阱”，寫作上是一氣呵成。

圖3 橋墩浮箱(半幅)平面布置圖

根據(jù)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件設(shè)計(jì)理念，各單元箱體的組裝方式將會(huì)直接影響其整體性及防撞性能，該橋經(jīng)試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果研究對(duì)比，采用燕尾槽承插式組裝連接，現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖4 所示。在箱體組裝施工時(shí)，為保證各單元箱體連接緊密，箱殼構(gòu)件間燕尾槽連接界面要求空隙尺寸≤±3.0mm。

圖4 大橋主墩FRP浮箱施工

2 防撞浮箱常見病害分析

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和較好的耐久性，因此防撞浮箱單元箱體因自身磨損產(chǎn)生破壞的情況相對(duì)較少，其問題易出現(xiàn)在箱體連接、纖維拼接及其他設(shè)計(jì)薄弱部位，對(duì)應(yīng)浮箱使用中易出現(xiàn)的三類病害：箱體燕尾槽連接部位破壞、箱體角部破壞和易損構(gòu)件失效破壞。

2.1 箱體連接破壞

橋墩浮箱根據(jù)安裝位置可分為前箱、中箱和后箱三類，各單元箱采用箱體周圍的燕尾槽連接，使用過程中易出現(xiàn)的破壞形式為單元箱燕尾槽連接面卡榫根部豎向自上而下開裂。將燕尾槽卡榫部位共標(biāo)記為12 個(gè)典型位置，燕尾槽豎向開裂集中在點(diǎn)3 部位，少數(shù)開裂位于點(diǎn)2 和點(diǎn)4 部位。

浮箱燕尾槽部位的日常受力狀態(tài)包括拉伸、壓縮、剪切以及拉伸、壓縮、剪切的共同作用，受力形式較復(fù)雜。在各受力工況下，浮箱燕尾槽接觸部位連接點(diǎn)均表現(xiàn)出應(yīng)力較其他部位更集中的特點(diǎn)。而根據(jù)燕尾槽連接卡榫的構(gòu)造設(shè)計(jì)，其連接界面空隙尺寸≤3.0mm。采用MIDAS FEA 軟件建立燕尾槽部位有限元模型進(jìn)行分析，驗(yàn)證了燕尾槽連接點(diǎn)3 部位受力集中，屬于薄弱部位，如圖6 所示。具體破壞形式見圖7、圖8。

圖5 單元箱體燕尾槽卡榫破壞位置（點(diǎn)3）

圖6 單元箱體燕尾槽有限元計(jì)算分析

圖7 箱體側(cè)面連接卡榫開裂

圖8 箱體端面連接卡榫開裂

該類破壞形式中，前箱（子箱1）與中箱交接位置破損較嚴(yán)重。經(jīng)測(cè)算，前箱（子箱1）的箱體重量為9872.7kg，中箱箱體重量為3988.5 kg，前箱（子箱1）是中箱箱體重量的2.47 倍。同時(shí)，箱體在不斷隨水位上下起伏時(shí)，各箱體之間受到的水阻力也不同，最終導(dǎo)致前箱（子箱1）與中箱箱塊之間的燕尾槽連接受力較其他部位明顯變大，其破壞也較嚴(yán)重。

2.2 箱體角部破壞

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能呈明顯的各向異性，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量與纖維方向和含量有很大關(guān)系，垂直于纖維方向的性能相對(duì)較差。

圖9 箱體迎水面角部剪切開裂

2.3 易損構(gòu)件破損

浮箱內(nèi)襯柱殼附著安裝在外圍箱體表面，屬于防撞設(shè)施中的易損構(gòu)件，設(shè)計(jì)年限約為5 年左右。由于柱殼位于浮箱和橋墩之間，在浮箱遭受撞擊或風(fēng)浪推移等作用下產(chǎn)生位移和變形后，內(nèi)襯柱殼將承擔(dān)消能的作用，消能方式為柱殼變形。而浮箱內(nèi)襯柱殼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的厚度較浮箱箱體薄，僅為3mm，因此當(dāng)內(nèi)襯柱殼長(zhǎng)期發(fā)生較大變形時(shí)，與箱體連接的柱殼卡榫易出現(xiàn)脫落，甚至存在整個(gè)連接面出現(xiàn)撕裂脫落的情況，其破損速度超過箱體，見圖10、圖11。

圖10 柱殼卡榫脫落

圖11 柱殼連接面脫落

浮箱設(shè)施采用裝配式設(shè)計(jì)，除單個(gè)箱體及柱殼施工安裝較方便外，也便于破損構(gòu)件尤其是內(nèi)襯柱殼的修復(fù)、更換。

3 材料性能試驗(yàn)

橋墩防撞浮箱的箱殼構(gòu)件和柱殼構(gòu)件的材料采用無堿玻璃纖維布、氈增強(qiáng)乙烯基酯樹脂并涂覆阻燃、抗紫外線照射老化和水蝕老化的酚醛乙烯基酯膠衣樹脂，其氧指數(shù)≥35，30 年使用期內(nèi)材料不明顯褪色，強(qiáng)度、模量保留率≥85%。由于環(huán)境的干濕變化、溫度變化、光照變化和酸堿度、含鹽量等均會(huì)對(duì)復(fù)合材料的基體以及基體與纖維界面產(chǎn)生影響，復(fù)合材料基體將會(huì)變脆，基體與纖維界面強(qiáng)度將降低，復(fù)合材料力學(xué)性能將衰減[9]。

該工程浮箱已投入使用8 年，為驗(yàn)證是否存在上述材料老化現(xiàn)象，進(jìn)行材料試驗(yàn)，檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

根據(jù)表2 可知，浮箱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)未存在明顯降低，仍在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，說明浮箱箱體和內(nèi)襯柱殼出現(xiàn)的問題病害不是由材料性能下降引起的。

表2 FRP浮箱單元箱箱殼和內(nèi)襯柱殼材料檢驗(yàn)結(jié)果

4 防治對(duì)策

根據(jù)工程橋墩防撞浮箱的結(jié)構(gòu)型式及新材料特點(diǎn)，對(duì)該類新型防撞浮箱出現(xiàn)的問題病害應(yīng)區(qū)分對(duì)待：浮箱箱體病害應(yīng)以“預(yù)防”為主，內(nèi)襯柱殼病害應(yīng)以“治、換”為主。

（1）浮箱在使用過程中單元箱體無明顯的變形或磨損，其病害主要表現(xiàn)為受力集中的燕尾槽連接部位開裂，可見外圍浮箱破壞模式為箱體連接失效破壞。目前，為恢復(fù)燕尾槽連接功能，對(duì)該部位的修補(bǔ)難度較大。一方面采用短纖維搭接修復(fù)后難以達(dá)到原鋪設(shè)纖維的力學(xué)性能，另一方面不管是采用外部修復(fù)還是采用內(nèi)部修復(fù)，施工操作均不易實(shí)現(xiàn)。若采用內(nèi)部修復(fù)，由于單元箱體內(nèi)裝八面體柱殼，無法直接從內(nèi)部接近燕尾槽部位；若采用外部修復(fù)，燕尾槽部位前后連接間隙最大僅為3mm，經(jīng)纖維重新修補(bǔ)后連接間隙將被壓縮，將無法滿足修復(fù)后的施工安裝要求。

因此，浮箱箱體燕尾槽開裂破損基本無法通過后期加固來修復(fù)，應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)階段以預(yù)防為主，即應(yīng)對(duì)單元箱體的燕尾槽承插式組裝連接方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。既要考慮后期浮箱加固修復(fù)的可行性，又要考慮通過單個(gè)箱體的拆裝就可實(shí)現(xiàn)修復(fù)目的的便利性，以減少修復(fù)施工作業(yè)量，節(jié)約成本。

（2）對(duì)于易損薄壁構(gòu)件-內(nèi)襯柱殼，由于其長(zhǎng)期處于儲(chǔ)能-釋能變化過程中，殼體反復(fù)過大變形造成疲勞破壞，其常見破壞模式為柱殼連接卡榫或連接面撕裂、脫落失效，此時(shí)柱殼功能完全失效，應(yīng)從外圍箱體中進(jìn)行拆除更換處理?？紤]到內(nèi)襯柱殼易損、使用年限短，而其所處位置在外圍箱體與橋墩中間，不便于拆卸，因此應(yīng)對(duì)內(nèi)襯柱殼的結(jié)構(gòu)型式及與箱體連接型式進(jìn)行優(yōu)化，一方面改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)延長(zhǎng)其使用年限，另一方面優(yōu)化內(nèi)襯柱殼與浮箱連接型式，便于損壞后拆卸更換。

5 結(jié)論與展望

（1）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防撞浮箱作為一種新型浮箱類型，使新材料的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揮，但也出現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)材料的問題和病害，其破壞型式由傳統(tǒng)的構(gòu)件破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)點(diǎn)連接破壞。

（2）防撞浮箱燕尾槽連接處為箱體主要受力部位，榫槽連接失效后，該部位修復(fù)難度較大，并且修復(fù)后新、舊單元箱體榫槽連接安裝精度較難滿足設(shè)計(jì)要求空隙尺寸≤±3.0mm，箱體可修復(fù)性差，應(yīng)考慮對(duì)箱體燕尾榫槽連接進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）內(nèi)襯柱殼為薄壁、易損構(gòu)件，設(shè)計(jì)壽命較短，屬于更換較頻繁構(gòu)件，應(yīng)考慮對(duì)內(nèi)襯柱殼更換便利性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。