船舶撞击下的桥墩桩基受力分析

船舶撞击下的桥墩桩基受力分析

1桥梁结构形式近年来，随着交通运输业的快速发展，桥梁数量不断增加，水上运输业变得越来越繁忙。由于船舶交通量的持续增长,船舶撞击桥墩事件时有发生。我国对桥梁受船舶撞击作用的研究一般重点关注于大跨径桥梁的主墩防撞、船舶撞击概率和撞击力等方面,但对于大量的跨越较低等级航道的桥梁中普遍使用的桩柱式下部结构能否满足船舶撞击要求亦是桥梁设计人员必须考虑的问题。本文以浙江省某8车道高速公路中跨越6级航道的1座桥梁为研究对象。该桥处于浙江省杭嘉湖冲湖积平原区,地形平坦开阔,地质表部为冲湖积粉质粘土层,下卧层为海积流塑状淤泥质粉质粘土、软塑状粉质粘土层。桥梁上部结构采用30m跨径的先简支后连续小箱梁结构,桥面宽20.5m;下部结构采用4柱式桩柱结构桥墩,桥墩横向轴线沿水流方向设置。桩径1.5m,桩间距5.25m,桩基长约40.0m,桩顶设置横系梁(120cm×100cm),柱径1.3m,柱顶设置盖梁(160cm×160cm)。桩基和横系梁采用C25混凝土,Ec=2.8×104MPa,立柱采用C30混凝土,Ec=3.0×104MPa。桥墩一般构造见图1。2模型的建立按《公路桥梁设计通用规范》中规定的船撞力,采用有限元软件ANSYS对桥墩进行船撞分析。分别建立1个4柱式桥墩的三维实体有限元模型和一联三跨的全桥空间杆系有限元模型(图2)。全桥空间杆系有限元模型的作用,一是考察船撞击作用下立柱、横系梁、桩基等下部构造的弯矩和内力,二是得到盖梁各支座处的位移或支反力,并将此位移或支反力作为边界条件施加给桥墩三维实体有限元模型。在满足计算需要的基础上,对空间杆系模型的上部结构进行了适当简化。桥墩三维实体模型单元总数为9620,节点总数为11456,桩基、立柱、横系梁、盖梁采用8节点六面体单元Solid45,在个别衔接处和形状复杂部位采用20节点六面体高次单元Solid95,这2种单元的节点均为3个自由度(Ux,Uy,Uz)。全桥空间杆系模型单元总数为1365,节点总数为1290,上部结构和下部结构均采用2节点空间梁单元Beam4,每节点6个自由度(Ux,Uy,Uz,Rx,Ry,Rz)。采用1个空间梁单元Beam4与1个单向受压接触单元Contac52串联的形式来近似模拟每块板式橡胶支座,这种方法既可以模拟出支座的竖向刚度和水平刚度,又可以模拟支座的单向受力特性。桥位处地质以粘土为主,桩土效应比较明显,在空间杆系模型和三维实体模型中,桩与土之间均采用单向受压的接触单元Contac52,接触单元的弹簧刚度按桩周土的模量来换算,桩基底部则施加固端约束。船舶对桩基的撞击力按《公路桥梁设计通用规范》第4.4.2条表4.4.2-1中的规定来考虑。对6级内河航道,代表的船舶吨级为100t,横桥向撞击作用取250kN,顺桥向撞击作用取200kN(折减50%,最终取100kN)。撞击点假定为计算通航水位以上2m处,撞击力按集中力作用在1号桥墩立柱上(图3)。为研究船舶横桥向撞击和顺桥向撞击下的桥墩受力以及桩顶设置横系梁与否对桥墩受力的影响,共考虑4个工况。工况1:桩顶设置横系梁,横桥向撞击;工况2:桩顶不设置横系梁,横桥向撞击;工况3:桩顶设置横系梁,顺桥向撞击;工况4:桩顶不设置横系梁,顺桥向撞击。在对桩顶不设置横系梁的工况进行计算时,依然采用上述模型,只需将模型中横系梁部分的单元去掉即可。各模型和计算结果中,弯矩和内力的符号按图2、图3所示的整体坐标系服从右手法则,应力以拉为正,压为负。3横系梁对桥墩弯矩的影响在工况1、工况2下桥墩的弯矩分布见图4。由图4可知,工况2下,被直接撞击的1号桥墩的柱顶和盖梁衔接处的负弯矩达到-482.68kN·m,撞击点处的柱身正弯矩达到422kN·m。而2~4号桥墩的立柱和桩基的弯矩均很小,且分布规律及弯矩值近乎相等,都在±100kN·m以内。可见船舶的撞击力基本全部被直接撞击的桥墩(即1号桥墩)承担。在工况1下,1号桥墩中的弯矩明显减小,且弯矩沿标高方向的整体形态发生显著变化。柱顶处的负弯矩减小为-202.54kN·m,为工况2时的42%,撞击点处的柱身弯矩减小为290.23kN·m,为工况2时的60%。与此同时,2~4号桥墩的立柱中的弯矩依然较小,但各根桩桩顶处的弯矩却显著增大,达到170~221kN·m。可见,在横桥向的船舶撞击作用下,横系梁起到了对桥墩的立柱和桩基的弯矩重分配作用,被直接撞击的桥墩的立柱和桩基的弯矩大幅降低,其他桩基中的弯矩则显著增加,横系梁把各桥墩的立柱和桩基连接成一个框架,共同受力,横桥向的撞击力通过横系梁传递给其他桩基来共同承担。工况1、工况2下桥墩三维实体模型,沿桥墩横桥向中心面的剖面竖向正应力见图5。工况1、工况2下,在立柱和桩基范围内的最大应力均为13.3MPa,都发生在撞击力作用部位,但这个高应力区域在墩身横截面上的分布范围有限,仅为5~10cm,超出此范围后应力值即衰减至正常水平。可见横系梁设置与否对撞击处的墩身横截面的应力最大幅值无明显影响。但设置横系梁后,1号桥墩除撞击点以外的其他区域的应力均有所降低,高应力区域明显减少,墩身最大位移也大幅降低(表1),而其他几根桥墩的应力略有增加。4横系梁对各桥墩弯矩的影响工况3、工况4下桥墩的弯矩分布见图6。由图6可知,工况4下,被直接撞击的1号桥墩的柱顶和盖梁衔接处的负弯矩为-103.33kN·m,撞击点处的柱身正弯矩为217.12kN·m。2~4号桥墩的立柱和桩基的弯矩基本很小,在±100kN·m以内依次减小。可见船舶的撞击力主要被直接撞击的1号桥墩所承担,而2~4号桥墩受到的影响依次减小。在工况3下,1~4号桥墩中的弯矩有些变化,但变化不大。被直接撞击的1号桥墩的墩顶处负弯矩为-64.92kN·m,为工况4时的63%,撞击点处的柱身弯矩为198.73kN·m,为工况4时的92%,墩身在横系梁处的弯矩出现一个小台阶。2~4号桥墩的立柱和桩基中的弯矩基本没变化,仅邻近的2号桥墩的墩身在工况3下的弯矩比工况4下的略微增大,且弯矩分布规律有少许变化。可见,在顺桥向的船舶撞击作用下,横系梁起到的作用有限,设置横系梁与否,对各桥墩的弯矩影响不大。虽然横系梁把各桥墩的立柱和桩基连接成框架,但这个框架平面与顺桥向的船舶作用力相垂直,所以框架未能起到显著的内力重分配的作用。相比之下,横桥向撞击时,这个框架平面与撞击力在同一个平面上,所以框架的内力重分配效应显著。工况3、工况4下桥墩三维实体模型沿着被撞击的1号桥墩顺桥向中心面的剖面竖向正应力见图7。工况3、工况4下,在立柱和桩基范围内的最大应力均为5.3MPa,都发生在撞击力作用部位,但这个高应力区域在墩身横截面上的分布范围有限,仅为3~5cm,超出此范围后应力值即衰减至正常水平。此外,在设置横系梁后,各桥墩的立柱和桩基中的应力幅值和分布规律与不设置横系梁时相比,无显著变化。但1号桥墩的最大位移略有降低,但降低的幅度有限,仅为8.7%(表2)。可见在顺桥向撞击作用下,横系梁起到的作用很小,与空间杆系分析得出的结论相一致。5横系梁设置的影响(1)从计算的情况来看,桩基尺寸拟定比较合理,能满足现行规范中所规定船撞力的撞击要求。但在设计中,为避免桥墩受撞击后局部受损,在撞击范围内建议局部配筋加强。(2)桥墩横系梁的设置对下部结构提高横向抗撞能力很有必要。在横桥向船舶撞击作用下,设置横系梁可使桥墩的立柱和桩基组成框架,共同受力,对各桥墩的立柱和桩基的弯矩起到重分配作用。被直接撞击的桥墩的立柱和桩基弯矩大幅减小,其他桩基中的弯矩则显著增加。横桥向撞击力通过横系梁传递给其他桩基来共同承担。横系梁设置对撞击处的墩身横截面的应力最大幅值无明显影响。但设置横系梁后,被直接撞