某橋墩撞擊狀態力學行為分析

章 勇，鄧國良，王永亮

(1.南昌市政公用投資控股(集團)有限責任公司,南昌 330029；2.青海省高等級公路建設管理局，青海 西寧 810008）

某橋墩撞擊狀態力學行為分析

章 勇1，鄧國良1，王永亮2

(1.南昌市政公用投資控股(集團)有限責任公司,南昌 330029；2.青海省高等級公路建設管理局，青海 西寧 810008）

以某因撞擊而受損橋墩為工程背景，建立實體及桿系有限元仿真模型，在研究分析時采用靜力分析及有限元建模相結合的方法.在現場調查分析基礎上，通過折減橋墩被撞擊面的壁厚模擬分析橋墩損傷后的剛度變化，分析受損橋墩撞擊狀態及成橋狀態的受力行為.計算結果表明：橋墩被撞擊時，最大壓應力出現在撞擊點，最大拉應力在出現在橋墩撞擊點高程的兩圓弧側面、撞擊點橋墩區域；受損橋墩裂縫較大處箍筋屈服的概率很大.

撞擊;橋墩;損傷;仿真分析;力學行為

由于交通事業的快速發展，橋梁數量越來越多，而橋墩因撞造成結構損傷的事故也時有發生.外關于物體撞擊，目前，國內外研究焦點更多集中在物體撞擊橋墩（橋梁）的概率、物體的撞擊動能、以及在撞擊過程中橋梁（橋墩）的應力、應變等方面，[1]～[4]而對沖擊時結構的受力行為研究相對較少.本文以某鐵路橋橋墩受撞擊損傷為工程實例，在研究分析時采用靜力分析及有限元建模相結合的方法對橋墩撞擊受力行為進行分析研究.

1 工程背景

某在建鐵路橋孔跨形式為6×32m預應力混凝土簡支梁，每孔為4片簡支梁，混凝土強度等級為C55.橋墩采用雙線圓端形空心墩，從承臺至墩頂的高度為24.5m，墩身截面為圓端形，橫斷面尺寸為8.4m×4.0m，壁厚為0.5m，墩身采用C35混凝土.該梁的架設采用預制、軌道運輸、架橋機架設的施工方案，在架設預制簡支梁的過程中，吊梁天車鋼絲繩突然斷裂，某片邊梁從橋墩上方掉落至地面上，在墜落過程中，2#橋墩被墜落梁體撞擊，出現開裂、損壞.

2#橋墩被梁體撞擊后存在裂縫，墩身外側左邊圓弧段的豎向裂縫的最大寬度為4mm～5mm，裂縫長度13m，；墩身外側右邊圓弧段的豎向裂縫的最大寬度為2mm，裂縫長度11m；橋墩內壁的豎向裂縫最大寬度為2～3mm，長度14m.

2 有限元仿真

由于沖擊荷載的破壞性大,沖擊荷載往往成為結構設計過程中的控制因素.關于沖擊力常用的計算方法有靜力法、能量理論法、動力分析法以及數值分析法等[5]～[8].靜力法盡管忽略了撞擊物與結構的變形,將碰撞中的復雜運動簡化為勻減速運動以求解平均沖擊力,但由于簡便實用,所以在許多工程設計中廣泛應用.

2.1 有限元仿真計算模型

通過a nsys軟件對2#橋墩進行實體建模，混凝土采用S o l id45單元模擬，整個橋墩模型有198927個混凝土體單元，總共節點數為44939個.為確保有限元模型的準確性，同時采用M I DA S/C i v i l建立2#墩空間梁單元模型.橋墩模型底部采用固結約束，墩頂支座、墩身等位置施加內力組合.

圖1 2#橋墩有限元分析模型

2.2 計算參數及荷載

本次計算所涉及的材料參數見表1所示.

表1 材料參數表

根據2#橋墩的裂縫位置、長度和深度等開展情況，通過折減橋墩被撞擊面的壁厚模擬分析橋墩損傷后的剛度變化.本文主要模擬了四種類型的截面：（1）完好截面、（2）橋墩撞擊面的壁厚折減50%的“損傷截面1”、（3）橋墩撞擊面的壁厚折減75%的“損傷截面2”、（4）橋墩撞擊面的壁厚折減100%的“損傷截面3”.橋墩不同損傷程度的截面特性見表2.

表2 2#橋墩不同損傷程度的截面特性

圖2 2#橋墩不同損傷程度的截面形狀和尺寸

對于計算荷載取值，主要計算了橋墩撞擊時的荷載。

(1)橋墩撞擊狀態的荷載取值

①結構恒載

包括橋墩自重、已架好5片主梁自重.根據大橋設計說明，雙線橋單孔主梁自重為5396.4k N，則單片梁自重為5396.4k N/4=1349.1k N.

②架橋機自重

根據施工方提供資料，施工過程采用TJ180架橋機吊梁，該架橋機重為136t，在支撐在2#撞擊墩的荷載約為68t.

③梁體墜落撞擊力

由于規范缺少梁體墜落撞擊力的相關說明，而該事故中梁體墜落撞擊力(可分解為豎向分力與水平分力,本文偏保守的僅考慮水平分力)與橋墩受船只或排筏與墩臺撞擊時的撞擊力具有相似性，本文將此次撞擊類比如河流中船只或排筏對橋墩的撞擊，依據現場資料及相關描述，梁體墜落過程與橋梁結構撞擊按以下情況計算：主梁一端掉落至1#墩地面，另一端撞擊2#墩墩身距墩頂約9.9m位置（下落高度約11.7m）；根據梁體的墜落高度，用重力勢能與動能守恒的原理，先求出撞擊速度。在此基礎上，根據《鐵路橋涵設計基本規范》[9]中關于橋墩臺撞擊力公式，撞擊力可按公式（1）計算：

撞擊力計算結果見下表所示.

表3 梁體墜落豎向撞擊力計算結果

參考《鐵路橋涵設計基本規范》及《公路橋涵設計通用規范》[9]～[10]，本次計算考慮到實際情況，將撞擊力乘以1.3倍的動力系數，即撞擊力F=2545× 1.3＝3309k N.

④2#墩墩頂支座水平摩阻力

在被撞擊的2#墩頂處，2#墩～3#墩跨已經架設了4片梁，2#墩～1#墩跨已經架設了1片梁，在計算分析時2#墩墩頂的支座摩阻力為水平力，支座摩阻力計算公式為F=μW，式中：W為作用于支座上由上部結構產生的效應（即船只或排筏重量）；μ為支座摩擦系數，根據規范，取0.06.因此，F=μW= 0.06×（1349.1×5）/2=202.4k N

3 結構仿真分析結果

3.1 應力變形計算結果

經過計算分析，橋墩被撞擊時橋墩的應力分布及變形圖具體見圖3～圖4所示。

圖3 2#橋墩被撞狀態應力云圖（單位:MPa）

圖4 2#橋墩被撞狀態變形云圖（單位:mm）

計算結果表明，在橋墩被撞擊時：

（1）橋墩被撞擊點主壓應力極值達-28.9M P a，大于鐵規中規定的C35混凝土軸心抗壓強度-23.5 M P a，其中超過C35容許應力-11.8M P a的區域面積約1.5m×1.5m.

（2）橋墩外表面主拉應力基本在0.0～4.5M P a之間，其中橋墩撞擊點高程的兩圓弧側面、墩底部拉應力值較大，極值約4.5M P a，超過C35抗拉應力2.5M P a的區域面積分別為3m×4m及3m×5m.橋墩內部與撞擊點對應區域主拉應力極值達16.5M P a，超過2.5M P a的區域面積達3m×5m.由于這些區域均超出了C35混凝土軸心抗拉應力，因而導致混凝土開裂.

（3）橋墩順橋向水平應力值在0～3.75M P a之間，超過2.5M P a的區域面積約1m×4m，均出現在橋墩撞擊點高程的兩圓弧側面.

（4）撞擊時，橋墩順橋向最大變形為12.40mm，出現在墩頂位置；橫橋向最大變形為0.64mm，出現在橋墩撞擊點高程的兩圓弧側面.

總體上，橋墩被撞擊時，最大壓應力出現在撞擊點，最大拉應力在出現在橋墩撞擊點高程的兩圓弧側面、撞擊點橋墩區域.根據應力及橫向變形計算結果，總體上與橋墩被撞擊后的實際病害較為一致：即撞擊點混凝土破碎、橋墩撞擊點高程的兩圓弧面及撞擊點內部出現較大面積的裂縫等.

3.2 裂縫寬度與鋼筋應力計算結果

根據規范的相關規定，對橋墩的豎向裂縫寬度和主鋼筋拉應力對應關系、橫向水平裂縫寬度和箍筋拉應力對應關系進行了試算，計算結果表5.表中計算結果可以看出：（1）當墩身豎向裂縫寬度達到0.62mm時，箍筋的鋼筋應力達到236M P a；（2）當墩身橫向裂縫寬度達到0.44mm時，豎向主筋的鋼筋應力達到了335M P a.墩身的撞擊后產生的豎向裂縫最大寬度為4mm～5mm.據試算結果推斷，裂縫寬度大于0.62mm處的箍筋已屈服.橋墩豎向的三條主要裂縫的最大寬度均在2mm以上，裂縫較大處箍筋屈服的概率很大.

表5 2#橋墩的箍筋鋼筋應力和裂縫驗算寬度的變化關系

4 結論

通過折減橋墩被撞擊面的壁厚模擬分析橋墩損傷后的剛度變化，用靜力分析及有限元建模相結合的方法，對該受損橋墩的受力行為進行分析，可得如下結論：

（1）橋墩被撞擊時，最大壓應力出現在撞擊點，最大拉應力在出現在橋墩撞擊點高程的兩圓弧側面、撞擊點橋墩區域.橋墩順橋向最大變形為12.40mm，出現在墩頂位置；橫橋向最大變形為0.64 mm，出現在橋墩撞擊點高程的兩圓弧側面.

（2）墩身被撞擊后的裂縫寬度大部分均大于1mm，最大寬度達到為4mm～5mm.根據橋墩的裂縫寬度和鋼筋拉應力對應關系的試算結果，裂縫寬度大于0.62mm處的主筋和箍筋均已屈服.

（3）根據應力及橫向變形計算結果，總體上與橋墩被撞擊后的實際病害較為一致：即撞擊點混凝土破碎、橋墩撞擊點高程的兩圓弧面及撞擊點內部出現較大面積的裂縫等.

通過對大橋橋墩的仿真分析，對受損狀態下的橋墩受力行為進行了初步分析，為下一步是否需要對該橋墩進行加固設計提供依據.

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Mechanical Behavior Analysisof the Impact of aDamaged Bridge Pier

ZH A N G Y on g1,D EN GG u o l i a n g1,ZH A N G R u o ga n g2
(1N a n c h a n gMu ni c i pal publ i c I n v est m ent H o l din g s(G r o up)L i m ited L i ab i l ity C o mpa ny，N a n c h a n g,330029 2.B r id g e Sc ien c e R ese arc h I nstit u te L td.,C hin a R a i lwa y Maj o r B r id g e E n g inee r in g G r o up,W u h a n 430034)

B a sed on the i mpac t o f a d amag ed br id g e p ie r,the f inite e l e m ent si mula tion m ode l o f the so l id a nd the r od syste m is est abl ished.I n the r ese arc h,a do p ts the c o mb in a tion o f st a ti c a n al ysis a nd the f inite e l e m ent m ode l in gm ethod.O n the ba sis o f f ie l d in v esti ga tion a nd a n al ysis,it a n al y z es the st a te o f the d amag ed br id g e p ie r c o l l ision a nd st r essed b eh av io r.T he calcula tion r es ul ts sho w th a t:w hen the br id g e wa s hit,the max i mum c o mpr essi v e st r ess app e ar s a t the p oint o f hittin g.

S t r i k e;B r id g e Pie r;D amag e;S i mula tion An al ysis.M e c h a ni cal B eh av io r

TU13

A

1672-2094(2016)02-0158-04

責任編輯：張隆輝

2016-03-16

章 勇(1976-)，男，江西南昌人，南昌市政公用投資控股（集團）有限責任公司高級工程師，碩士.研究方向：從事工程技術與管理.