1、1群桩基础矩形桥墩船舶撞击分析摘要：以东莞一座跨越四级航道的连续-刚构组合体系梁桥为研究对象，采用 Midas/Civil 软件对该桥下部结构在船舶撞击作用下的受力问题进行研究分析，评估该桥船舶撞击作用下的安全性，并给出结论和建议。 关键词：连续-刚构组合体系；群桩基础；桩土效应； 船舶撞击 中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号： 1.引言 伴随着水运和陆运事业的不断发展，受船舶撞击而诱发的桥梁垮塌事件正在日益增多。这类事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震性能的损失，严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果，重建桥梁和疏通航道的费用也十分惊人。因此，在设计过程中，考虑下部结构
2、是否能满足船舶撞击要求对桥梁设计具有重要实际意义。 本文以东莞一座跨越四级航道的连续-刚构组合体系梁桥为研究对象，该桥主桥跨径布置为 51m+288m+51m，主桥总体布置图如图 1.1 所示，荷载等级为公路级。上部结构为变截面预应力混凝土单箱双室箱梁，顶宽 21m，底宽 12m，两侧悬臂长 4.5m，采用悬臂浇筑方法施工。下部结构 1#、5#桥墩为主桥与引桥间过渡墩，与箱梁通过支座连接，墩身采用2矩形薄壁实心墩，墩宽 14.7m，厚 1.8m，群桩基础，桩基为 D150cm 钻孔灌注桩；2#、4#桥墩与箱梁通过支座连接，墩身采用钢筋砼矩形实心墩，墩身横桥向宽 12m、顺桥向宽 3m、墩高分别
3、为 18.26m 和 17.26m，群桩基础，桩基为 D180cm 钻孔灌注桩；3#主桥桥墩与箱梁刚接，墩身上部分为空心墩，下部为实心墩，墩身横桥向宽 12m、壁厚 0.9m，顺桥向宽 3m、壁厚 0.6m，群桩基础，桩基为 D180cm 钻孔灌注桩。全桥桩基础均按嵌岩桩进行设计，桩底进入中风化泥质粉砂岩，要求桩底沉淀层厚度不大于5cm。 该桥为双孔单向通航，由图 1 可知，2#、3#、4#墩均有防撞要求，为了提高防撞能力，船舶撞击线以下部分均采用实心截面。由于 3#主墩两侧单独设置了防撞墩，且墩顶与上部结构固结联动，墩身压力相比2#、4#墩更大，但远达不到混凝土受压破坏的状态，因而本文只验算
4、受力更为不利的 2#、4#桥墩。2#、4#桥墩断面布置如图 1.2 所示。 图 1.1 主桥总体布置 图 1.2 桥墩横断面图（cm） 2.计算模型 采用现行桥梁结构专用有限元分析软件 Midas/Civil 2011 建立桥墩和基础有限元模型，依据现行规范对模型施加船舶撞击荷载。 3图 2.1 结构有限元模型 2.1 有限元模型 采用现行桥梁结构专用有限元分析软件 Midas/Civil 2011 建立桥墩和基础有限元模型，桥墩三维实体模型采用 8 节点六面体单元建立，单元数量为 10912 个，桩基采用空间梁单元，六根桩共计 256 个单元。每根桩分别与桩顶部分实体单元节点通过刚性连接形成
5、固结体系。桥墩结构有限元模型如图 2.1 所示。桥墩墩身采用 C40 混凝土，承台和桩基采用 C30 混凝土。 桥墩桩基周围土的约束作用依据公路桥涵地基与基础设计规范3（JTG D632007）附录 P 提供的方法采用等代土弹簧模拟，等代土弹簧的刚度系数根据“m 法”确定。 2.2 计算荷载 本模型荷载考虑结构自重，车道荷载，汽车制动力和船舶撞击力。其中自重，车道荷载及汽车制动力由整体受力模型算得并按均布压力荷载施加于支座受力面处；由于墩顶铰接，桥墩沉降作用无须考虑；船舶撞击力根据公路桥涵设计通用规范4（JTG D602004）取值。本文大桥所处航道等级为四级，但桥位处按通航 1000 吨级内
6、河船舶标准控制。故横桥向撞击作用标准值取 800kN，顺桥向撞击作用标准值取650kN。为了避免集中荷载造成应力集中，船舶撞击力按均布力施加于桥墩撞击线上。 3.应力计算结果 3.1 实体桥墩承台应力计算结果 4图 3.1 船舶横桥向和纵桥向组合作用下结构应力云图(拉为正，压为负) 由图 3.1 可知，在船舶横向组合作用下最大拉应力为 3.75MPa，纵向组合作用下最大拉应力为 4.48MPa，均大于混凝土的抗拉强度设计值，且均位于承台底面。在船舶横向组合作用下最大压应力为-10.85MPa，纵向组合作用下最大压应力为-13.09MPa，均低于混凝土的抗压强度设计值，且均位于桥墩和承台相接处。
7、其中船舶撞击力产生的拉应力和压应力均为 0.6MPa 左右。 3.2 桩基应力计算结果 图 3.2 船舶横桥向和纵桥向组合作用下桩基应力云图(拉为正，压为负) 由图 3.2 可知，在船舶横向组合或者纵向组合作用下桩基均不出现拉应力。在船舶横向组合作用下最大压应力为-7.35MPa，纵向组合作用下最大压应力为-9.68MPa，均低于混凝土的抗压强度设计值。其中船舶撞击力产生的拉应力和压应力均为 0.7MPa 左右。 4 .结论 1）在结构船舶撞击组合作用下，结构拉应力最大为 4.48MPa，位于承台底面处，同时支座垫石边缘由于上部结构荷载作用下也出现 3.63MPa5拉应力，大于混凝土的抗拉强度
8、设计值，因此建议在承台底面和桥墩顶面按照受力计算配置足够的钢筋，防止桥墩开裂。 2）在结构船舶撞击组合作用下，结构压应力最大为 13.09MPa，位于墩身和承台相接处，虽然低于 C30 承台混凝土的抗压强度设计值13.8MPa，但偏大，因而建议，承台混凝土等级由 C30 改为 C40。 3）在船舶碰撞作用下， 在桩身或者墩身上产生的最大拉应力均小于 0.7MPa，低于混凝土的抗拉强度设计值。因此，船舶撞击力对桥墩受力影响有限，不致引起桥墩混凝土开裂，且桩基混凝土不会消除压力，即始终处于受压状态下，桥墩处于安全状态。 4）施工期间应在桥墩附近设置导航灯，防止桥墩受到船舶撞击，威胁施工期间上部结构的安全性。 参考文献： 1 王康, 易幼平. 关于抗撞桥墩设计与计算问题 J .河北工业大学学报, 1997, 26( 4) : 37- 44. 2 陈刚，叶建龙等. 内河桩柱式桥墩抗船撞能力分析. 桥梁建设,2010,02. 3 JTG D632007, 公路桥涵地基与基础设计规范 S. 北京:人民交通出版社, 2007. 4 JTG D602004,公路桥涵设计通用规范 S. 北京:人民交通出版社, 2004.
