内河航道双柱桥墩防撞能力分析研究

内河航道双柱桥墩防撞能力分析研究

赖明镜

河源市鸿图公路勘察设计有限公司

摘要：本文主要研究内河航道双柱桥墩防撞能力，以某省的一内河航道的桥梁为研究对象，采用有限元软件ANSYS对桥墩桩基受到船舶横桥向和顺桥向撞击下的受力加以分析。通过分析，结果表明，当桥墩受到横桥向船舶撞击的时候，横系梁主要用于对各桥墩立柱和桩基中的弯矩进行分配，进而使得被直接撞击的桥墩的立柱以及桩基所承受的弯矩有一定程度的减小，而其他桩基的弯矩则有所增加，在受到撞击处的墩身横截面应力最大值没有明显的变化，而除此区域的其他区域的应力水平有一定程度的降低，且高应力的区域有所减少；在受到顺桥向船舶撞击的时候，桥墩立柱以及桩基当中的弯矩以及应力的变化都不是很大。

关键词：柱式桥墩；桩基础；有限元法；应力分析；结构分析

一、前言

近几年，随着桥梁数量的增长，内河航道的水上航运业越来越忙，导致船舶撞击桥墩事件发生的概率也越来越大[1]。现阶段，我国对那些跨越较低等级航道的桥梁的桥墩的防撞能力研究的比较少。本文以某省份一内河航道桥梁为研究对象[2]，该桥梁的整体尺寸如图1所示，桩径1.5m，桩间距5m，桩基和横系梁采用C25混凝土，E=2.8×104MPa，桥墩采用C30混凝土，E=3×104MPa。

二、有限元模型

本文主要按照《公路桥梁设计通用规范》中所规定的船撞力，利用有限元软件ANSYS对桥墩进行船撞分析，进而研究双柱桥墩的防撞能力。本文建立了一个双柱式桥墩的三维实体有限元模型还有一个全桥空间杆系的有限元模型，如图2所示[3]。本文所建的全桥空间杆系有限元模型主要是为了分析当桥墩受到船撞击的时候，桩基、立柱以及横系梁等一系列下部结构所产生的内力以及弯矩。此外，还可以得到盖梁的每个支座所承受的支反力以及位移，并得到的支反力和位移作为边界条件施加于双柱桥墩的三维实体有限元模型上面[4]。本文对空间杆系模型上部结构进行了一定程度的简化

图2全桥空间杆系模型和桥墩三维实体模型

其中，桥墩三维实体模型的桩基、立柱、横系梁、盖梁均采用六面体单元Solid45，在某些过度位置以及那些形状比较复杂的位置采用六面体高次单元Solid95，而此时设置的这两种单元的节点都有3个自由度，也就是Ux，Uy，Uz。而全桥空间杆系模型的上部结构以及下部结构都是采用梁单元Beam4，每个节点上都设置有6个自由度，即：Ux，Uy，Uz，Rx，Ry，Rz。模拟板式橡胶支座是用梁单元Beam4同一个单向受压的接触单元Contac52进行串联的形式，这样有利于模拟支座的单向受力特性、垂向刚度以及水平刚度。在上述两种模型当中，土与桩的接触用的是单向受压的接触单元Contac52，而接触单元的弹簧刚度主要是按照桩周土的模量来加以换算的，并要在桩基的底部位置施加一个固端约束。

本文主要按照《公路桥梁设计通用规范》来设计船对桩基的撞击力[5,6]。对于6级的内河航道，船舶吨级一般为100t，横桥向撞击力一般为250kN，顺桥向撞击力一般为200kN（降低一半，取到100kN）。假设发生船撞的撞击点在计算通航水位上面的2米位置，撞击力设置为集中力，主要作用在左侧桥墩的立柱上[7]。为了研究在桩顶设置横系梁时，桥墩受到船横桥向撞击和顺桥向撞击下的受力情况和桩顶设置横系梁对桥墩的受力影响，主要设置如下两种工况，即：工况一，横桥向撞击；工况二，顺桥向撞击。

三、桥向撞击分析

经过分析知，工况一时，左侧桥墩弯矩会有减小的趋势，柱顶处的负弯矩减小为-202．54kN·m，而右侧桥墩的弯矩会较小，但两根桥墩在桩顶处的弯矩会明显增大，达到170～221kN·m，在工况二的时候，两根桥墩的弯矩所发生的变化不是很大，而左侧桥墩在墩顶处的负弯矩是-64.92kN·m，右侧桥墩的立柱和桩基中的弯矩基本没发生变化。

由上述分析知，在横桥向的船舶撞击作用下，被直接撞击的桥墩的立柱以及桩基的弯矩降低程度较大，而在其他桩基中的弯矩则大幅增加[8]。在顺桥向的船舶撞击作用下，横系梁把各桥墩的立柱和桩基连接成框架，而连接成的这个框架平面是和顺桥向的船舶作用力互相垂直的，因此框架不能重新分配内力。与横桥向撞击时相比，由立柱和桩基连接成的框架平面和撞击力是在同一个平面上的，因此框架的内力重分配效应是非常明显的。

工况一、工况二时桥墩的三维实体模型[9]，沿着桥墩横桥向中心面的剖面垂向的正应力如图3所示。

图3工况一、工况二下模型剖面垂向正应力

由图3可以发现，在工况一的时候，立柱和桩基所承受的最大应力达到13.3MPa，而且都发生在撞击力作用的位置，而应力作用在墩身横截面上仅为5～10cm，在超出整个范围之后应力值就会衰减到正常[10]。在工况二的时候，立柱和桩基的最大应力是5.3MPa，同样发生在撞击力作用位置，而应力作用在墩身横截面上仅为3～5cm，超出此范围后应力值就会衰减到正常水平。

四、总结

综上所述，由计算结果可知，桩基尺寸的设计是比较合适的，可以满足当前相关规范当中所规定的关于船撞力的撞击要求。但是，在实际的设计当中，应该在撞击的范围之内在局部配筋加强。通过设置工况一和工况二发现，在横桥向船舶撞击作用之下，横系梁会使双柱桥墩的两根立柱以及桩基来形成一个共同的框架，并使两者都受到作用力，进而重新分配各桥墩的立柱以及桩基的弯矩。被撞击的左侧面桥墩的立柱以及桩基弯矩减小地比较明显，而其他部位的桩基当中的弯矩却有明显的增加。在被撞击的左侧桥墩，大部分区域的应力都有一定程度的降低，高应力区域也有明显的减少，墩身的最大位移也明显降低，而右侧的桥墩应力有所增加。

当受到顺桥向的船舶撞击作用的时候，撞击力对两根桥墩的立柱和桩基中的弯矩、应力影响不是特别大，只有位移有一定程度的降低，但不是很大。此时，横系梁和两根桥墩的立柱还有桩基组成的框架体系同船舶的作用力互相垂直，而此时的该框架并没有起到明显的内力重分配的作用。

参考文献

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[2]徐春林.船舶撞击桥梁的理论分析与试验研究[D].南京航空航天大学,2011.

[3]陈刚,叶建龙,何为,等.内河桩柱式桥墩抗船撞能力分析[J].桥梁建设,2010(2).

[4]梅家仁,陈捷.承受船撞力的双柱式桩墩设计与结构分析[J].公路,1991(02):16-23.

[5]张汉平,钟穗东.橡胶护舷作水中桩柱防撞装置的应用分析[J].橡胶工业,2014(8):483-487.

[6]张海,殷华涛,方帅,等.基于非线性有限元的桥墩防撞装置性能分析[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版,2011,27(6):1103-1109.

[7]Pushover分析.钢筋混凝土双柱桥墩抗震能力Pushover分析[J].上海师范大学学报：自然科学版,2013,42(1).

[8]贾红梅,阎贵平.Pushover方法在双柱桥墩抗震性能评估上的应用[J].北京交通大学学报,2008,32(1):74-78.

[9]洪娟,陈云鹤,吴广怀.桥墩防撞导偏轮受撞后作用力及能量转换特性[J].解放军理工大学学报：自然科学版,2012,13(3):330-335.

[10]慈红武.内河航道建设桥梁要注意的几个问题[C]//安徽省第十一届航海论坛.2012.