山區(qū)高速公路橋梁橋墩漂石撞擊機理及防護措施探究

宋俊杰 汪煦飚 白皓 唐浩

（四川高速公路建設(shè)開發(fā)集團有限公司，四川 成都 610041）

在暴雨與洪水作用下，橋墩墩身及樁基礎(chǔ)因泥沙磨蝕及漂石撞擊易發(fā)生混凝土脫落與鋼筋外露等問題，在反復磨蝕撞擊下將更加嚴重。此類問題直接影響橋墩安全性及耐久性，隨著山區(qū)高速公路更多涉水橋梁的修建，該病害將越發(fā)突出。因此，對橋墩受漂石撞擊的破壞機理及防護措施的研究顯得尤為重要。

一、漂石撞擊工況研究

（一）河道堆積物粒徑分析

漂石和沙土是河床堆積物的主要分類，對橋墩均具有磨蝕作用，漂石對橋墩還有撞擊作用。因此，對漂石的粒徑分析是橋墩防護范圍與撞擊能量統(tǒng)計的必要步驟。山體在內(nèi)動力與外動力情況下發(fā)生解體作用產(chǎn)生塊石。在外動力作用下，河床形成的漂石粒徑大部分為20cm～50cm；內(nèi)動力作用產(chǎn)生的漂石粒徑相對較大，滾落至河床的漂石粒徑大部分為20cm～120cm。

（二）漂石撞擊分析

漂石在洪水作用下，貼著河床底部交替往復做“彈跳”運動。漂石粒徑d1與最大彈跳高度d2決定漂石撞擊橋墩的最大撞擊高度D（D=d1+d2，其中0.1≤d2/d1≤1）?！癲2/d1”比值主要由洪水深度、流速及漂石重量決定，其中與洪水深度、流速成正相關(guān)關(guān)系，與漂石重量成反相關(guān)關(guān)系。根據(jù)對山區(qū)溝谷橋墩受損情況調(diào)查，一般情況下，橋墩受損位置為河床底部向上2m范圍內(nèi)，除極個別水流落差大的特殊情況，受損位置達到河床底部向上3m位置。為確定漂石撞擊能量，需統(tǒng)計漂石質(zhì)量及撞擊速度，根據(jù)多年研究經(jīng)驗，推出漂石運動速度公式為：

式中，V為漂石運動速度；dmax為流體中最大漂石粒徑；a為常數(shù)，綜合考慮摩擦系數(shù)、流體容重、流域比降及石塊比重等得出，一般取值范圍為3.5～4.5，平均值取4.0；t為沖擊時間，漂石剛性撞擊為0.001s～0.002s,碰撞能量等級小于5kJ時取0.001s,碰撞能量等級為10kJ～20kJ時取0.002s。如式1所示，分別計算較為常見粒徑漂石的速度，并根據(jù)漂石速度與質(zhì)量計算漂石能量。

由此可知，1.2m直徑漂石的最大運動速度為4.3m/s，為統(tǒng)計不同墩徑漂石的撞擊能量，分別對不同墩徑漂石分別按照1m/s、2m/s、3m/s及4m/s四種速度進行能量計算，其能量圖如圖1所示。

圖1 不同漂石粒徑下的能量圖（J）

為確定漂石撞擊力，參考《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB10002.1-2005）并結(jié)合動量定理，可得漂石撞擊力為：

二、橋墩防護整體有限元模擬

（一）河道沖擊工況選取

根據(jù)上文研究，山區(qū)河道橋墩破壞形式主要以漂石撞擊為主。結(jié)合雅康、汶馬及綿九高速相關(guān)山區(qū)河道漂石統(tǒng)計，河道中90%漂石粒徑小于120cm，根據(jù)撞擊能量分析，漂石撞擊能量小于20kJ（大部分小于10kJ）。工況模擬能量等級分別選取5kJ、10kJ、15kJ、20kJ。漂石粒徑按照粒徑平均值取70cm，對應(yīng)質(zhì)量為630kg，試驗工況如表1所示。

表1 工況模擬表

（二）有限元模型分析

采用有限元分析軟件Abaqus對橋墩剛性碰撞分析模擬，其中橋墩為直徑1.8m的C30級混凝土圓墩，選取3D實體單元，單元總數(shù)為1287513?；炷翉椥阅Ａ咳?.0×1010Pa，考慮混凝土材料損傷塑性，膨脹角取35，偏心率取0.1，“fb0/fc0”取1.16，k取0.666，黏性參數(shù)取0，壓縮損傷和拉伸損傷數(shù)據(jù)如表2所示。漂石采用0.7m剛性小球，選取3D實體單元，單元總數(shù)為3374，漂石彈性模量取3.0×1010Pa。

表2 混凝土壓縮損傷與拉伸損傷數(shù)據(jù)表

1.未防護下橋墩碰撞分析

按照表1中工況，對橋墩剛性碰撞分析模擬，模擬中橋墩按照1.8m直徑圓墩考慮，通過模擬剛性碰撞，得到剛性碰撞后橋墩局部應(yīng)力，模擬結(jié)果如表3所示。

表3 剛性碰撞模擬結(jié)果

根據(jù)上文研究內(nèi)容，漂石撞擊裸墩，撞擊時間為0.001s～0.002s，且根據(jù)撞擊力公式可得，瞬間撞擊力峰值不超過1687kN。由此可得以下結(jié)論：撞擊反力小于橋墩整體抗力且作用時間短，河道漂石不會對橋墩整體造成危害；考慮模擬剛性碰撞，碰撞局部應(yīng)力達到800MPa以上，但真實值應(yīng)小于碰撞材料最大破壞應(yīng)力，所以在剛性碰撞下碰撞應(yīng)力為800MPa與材料破壞應(yīng)力中的較小值；漂石撞擊橋墩過程中，雖不對橋墩整體構(gòu)成危害，但考慮橋墩材質(zhì)破壞應(yīng)力低于800MPa，橋墩局部極易發(fā)生破壞；漂石撞擊橋墩時，為保護橋墩局部免受破壞，需采用外剛內(nèi)柔的防護措施，由此降低漂石撞擊橋墩的作用應(yīng)力。

2.防護下橋墩分析

結(jié)合上文結(jié)論，防護裝置采用外剛內(nèi)柔設(shè)計，對于1.8m直徑C30級橋墩，考慮防護裝置外部采用一定剛性外殼，具備部分散力作用，故其防護厚度可以相應(yīng)減低，整體裝置分析采用防護厚度為5cm和10cm兩種厚度，模擬結(jié)果如表4所示。

表4 防護下碰撞模擬結(jié)果

由此可得，通過具備一定剛性殼體作為防護裝置外殼，可將撞擊力作用面積分散，大幅降低撞擊作用應(yīng)力；防護裝置采用柔性緩沖結(jié)構(gòu)，可有效降低撞擊反力從而減低作用應(yīng)力；防護裝置在上述工況中強度不應(yīng)低于9MPa，且外殼需要一定剛度。

三、結(jié)語

山區(qū)溝谷類漂石碰撞能量等級一般在10kJ內(nèi)，設(shè)計時無防護特殊說明，按照10kJ采取防護設(shè)計；防護裝置外殼應(yīng)選用剛度較大材料，內(nèi)部選用緩沖材料，發(fā)生撞擊時由外殼材料擴散撞擊作用范圍，并通過緩沖材料降低撞擊作用力；在河道反復沖擊作用下，防護裝置具有變形可恢復能力，防護材料建議采用彈性、超彈性或復合纖維材料。