山區(qū)橋梁雙柱式高墩受滾石撞擊的影響分析

張佳寧 解 珂 陽 波 胡錦鵬 周 鵬（重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶401331）

近年來，為平衡地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家大力開發(fā)西部山區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大量高等級公路、鐵路、橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施向山區(qū)挺近，而山區(qū)地形復(fù)雜，有很多的河谷和深溝且不良地質(zhì)比較發(fā)育的地帶，為了連接各個(gè)交通路段，同時(shí)考慮到保護(hù)西部自然生態(tài)環(huán)境和山區(qū)有限的耕地資源，山區(qū)在修建公路時(shí)會采用許多非規(guī)則橋梁以跨越河谷和深溝。橋梁往往架在陡坡上，下部為雙柱式高墩，且墩高相差懸殊。

采用雙柱式橋墩可以減小材料用量，減少橋墩重量[1]。而且施工也較為方便，造型美觀，工程進(jìn)度快。但是這類橋墩的剛度差、抗撞擊能力差。近年來已發(fā)生多次由于撞擊造成的重大橋梁損害事故，橋墩防撞問題也引起了人們的重視，特別是橋墩的防船舶撞擊。但在西部山區(qū)，大多數(shù)橋梁并不存在船舶撞擊的問題，而更多的是面臨地震、山洪爆發(fā)、崩塌、滑坡或其他因素引起的滾石撞擊問題。且我國西部山區(qū)又處在地震高發(fā)地帶上，多高山、多峽谷、碎石資源豐富，屬于滾石災(zāi)害高發(fā)地區(qū)，使得山區(qū)橋梁橋墩部位受滾石撞擊的問題越來越突出。雖然滾石撞擊造成的損傷沒有船舶劇烈，但是滾石的沖擊作用很大[2]。滾石災(zāi)害的發(fā)生將會影響到山區(qū)橋梁的使用狀況[3]。一旦橋梁受滾石撞擊影響損壞，尤其是橋墩部位，將嚴(yán)重威脅到山區(qū)交通路線的安全運(yùn)營以及人員活動(dòng)安全。然而針對滾石撞擊橋墩，公路橋梁領(lǐng)域尚無規(guī)范可查[4]。所以研究山區(qū)橋梁雙柱式高墩受滾石撞擊的動(dòng)力響應(yīng)，提高山區(qū)橋梁雙柱式高墩抗?jié)L石撞擊性能，對保證山區(qū)交通運(yùn)營安全有著十分重要的意義。

本文基于ANSYS 有限元軟件，以某典型大橋?yàn)樵停⒘穗p柱式高墩有限元模型，并模擬了滾石撞擊橋墩的全過程，分析其在滾石撞擊作用下的動(dòng)力反應(yīng)，以期為今后類似的山區(qū)橋梁抗?jié)L石撞擊設(shè)計(jì)，提供一定意義的理論參考。

1 工程背景

本文以某典型大橋?yàn)榫唧w研究對象，橋墩形式為雙柱式橋墩，橋墩高度（含蓋梁）40m，橋墩截面為圓形，截面半徑長為1.15m；橋墩縱向配置的受力鋼筋數(shù)為48 根，縱向鋼筋直徑大小為28mm，箍筋的直徑為12mm，間距200mm；滾石球體形狀的花崗巖。

2 材料模型

2.1 混凝土材料

2.2 鋼筋材料

本文中的鋼筋材料本構(gòu)采用隨動(dòng)強(qiáng)化雙線性彈塑性模型，本文中的鋼筋材料本構(gòu)模型部分參數(shù)選取如表1 所示。

表1 鋼筋材料本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 滾石材料

3 滾石撞擊橋墩模擬分析

本文采用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件，建立橋墩、滾石、鋼筋有限元模型，其中橋墩混凝土采用SOLID164 單元進(jìn)行模擬，鋼筋采用LINK160 單元進(jìn)行模擬。關(guān)于滾石與橋墩相互接觸時(shí)的相互作用，本文在進(jìn)行分析時(shí)，采用了自動(dòng)面- 面接觸來分析模塊。滾石模型同樣采用的是SOLID164 單元。

本文的研究不考慮墩高、樁基深度對橋墩動(dòng)力響應(yīng)的影響，橋墩底面用固結(jié)代替撞擊對橋墩的約束作用，按照滾石初始速度和撞擊位置的不同工況建立模型進(jìn)行分析。滾石不同的撞擊速度、不同的撞擊位置工況參數(shù)詳見表2 所示。

表2 不同工況參數(shù)

4 橋墩動(dòng)力響應(yīng)分析

經(jīng)過顯示動(dòng)力學(xué)計(jì)算，滾石撞擊橋墩的瞬間，橋墩被撞區(qū)域的應(yīng)力值瞬間變大到一個(gè)峰值，然后迅速減小達(dá)到一個(gè)新的應(yīng)力峰值，而后續(xù)出現(xiàn)的應(yīng)力峰值均小于首次應(yīng)力峰值，見圖2。對比分析不同工況下橋墩的應(yīng)力變化，從圖2 中可以看出，工況1、2 條件下，橋墩被撞擊瞬間等效應(yīng)力的變化值大小變化情況呈現(xiàn)為，工況2＞工況1；工況3、4 條件下，橋墩被撞擊瞬間等效應(yīng)力的變化值大小變化情況呈現(xiàn)為，工況4＞工況3，可以看出，滾石撞擊初始速度越大，橋墩等效應(yīng)力的變化值越大。對比分析工況1 和工況3，可以看出，等效應(yīng)力變化值大小變化情況呈現(xiàn)為，工況1＞工況3；對比工況2 和工況4，可以看出，等效應(yīng)力變化值大小變化情況呈現(xiàn)為，工況2＞工況4。可以看出，相同的滾石撞擊初始速度、不同撞擊位置的條件下，橋墩應(yīng)力變化的最大值不同，距離橋墩上部結(jié)構(gòu)底面H/3 情況下的應(yīng)力變化最大值比H/2 情況下的應(yīng)力變化最大值要大。撞擊位置距離橋墩底部越近，橋墩等效應(yīng)力變化最大值越小。

圖1 橋墩應(yīng)力變化對比分析

從以上分析中可以看出，本文模擬的滾石撞擊橋墩過程，在滾石不同初始速度、不同撞擊位置的工況條件下，橋墩應(yīng)力變化呈現(xiàn)的規(guī)律為，被撞擊瞬間達(dá)到應(yīng)力變化的最大值；橋墩應(yīng)力變化最大值的大小與滾石撞擊初始速度有關(guān)，滾石撞擊初始速度越大，橋墩應(yīng)力變化最大值越大；橋墩應(yīng)力變化最大值的大小還與滾石的撞擊位置有關(guān)，撞擊位置距離橋墩底部越近，橋墩應(yīng)力變化最大值越小。

5 結(jié)論

為了提高橋墩的抗?jié)L石撞擊性能，減輕橋墩受滾石撞擊的影響程度，本文在有限元模擬分析的基礎(chǔ)上分析了橋墩結(jié)構(gòu)在滾石撞擊作用下的應(yīng)力變化情況，對比分析了橋墩結(jié)構(gòu)在不同位置、不同初始速度的滾石撞擊下的動(dòng)力響應(yīng)，最后本文得到以下主要結(jié)論：

5.1 橋墩被撞擊區(qū)域應(yīng)力的變化與滾石撞擊初始速度有關(guān)，橋墩被撞擊區(qū)域應(yīng)力變化最大值隨滾石撞擊初始速度增加而增加。

5.2 橋墩應(yīng)力變化最大值的大小還與滾石的撞擊位置有關(guān)，應(yīng)力變化最大值隨著撞擊位置距離橋墩底部越近，應(yīng)力變化最大值越小。

5.3 本研究未考慮土層因素對橋墩動(dòng)力響應(yīng)的影響，要想更加清楚的了解橋墩受到滾石撞擊時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，還需考慮土體對橋墩底部的約束、樁基深度等多因素影響。