桥梁主墩横向承载力分析

仲南艳 秦学 赵眈崴

摘 要：文章结合工程实例，从力学角度出发，利用有限元模型，一方面分析了在给定撞击力作用下的桥墩结构的稳定性；另一方面研究了桥墩基础在横向荷载作用下的内力响应，并与船舶撞击荷载计算值进行对比分析。通过研究为是否建设防撞设施提供了理论依据，文章的研究对深化桥梁防撞分析具有借鉴意义。

关键词：桥墩 撞击力 承载力

在江海河湖等的跨航桥梁工程中，对于内河限制性航道，《内河通航标准》（GB 50139-2014）和《运河通航标准》（JTS 180-2-2011）均规定，跨航桥梁应一跨过河；而对于水域较宽天然河流及大江大河，桥梁则难以一跨过河，往往需在水中设墩，否则桥梁造价将非常大，建造难度也非常大，会造成经济和社会成本的不必要浪费。但是，出于保障船舶通航和桥梁安全性角度考虑，对于水中设墩的跨航桥梁，一般均需设置防撞墩等防撞设施，以确保一旦发生船舶撞击事故，防撞墩将先被撞，且防撞墩一般均可承受限定范围内的船舶横向撞击力而不被破坏，从而可确保桥梁自身不受到任何撞击而出现损坏。实际中，对于桥梁自身的结构恒载以及车辆、人行等引起的活载方面的纵向承载能力分析研究较多，而对于桥梁下部桩基、墩柱以及承台等结构的横向承载能力的研究则相对较少。文章结合工程实例，先是对桥梁自身的极限承载力与撞击力进行了比较研究，而后对既有撞击力作用下桥梁结构的稳定性分别进行了分析研究，以此进一步复核既有设计条件下桥梁的横向承载能力。文章研究可为今后深化桥梁的防撞分析提供一定的借鉴作用。

1.工程概况

浙江省河网密集，水道纵横，北部为内河限制性航道贯通成网，南部为天然河流，独立成线。曹娥江就是浙江省东中部地区一条天然河流，自南而北，由磐安经新昌、嵊州、上虞、柯桥，经绍兴三江口继续以下过曹娥江大闸最终注入杭州湾，干流全长约200公里。曹娥江江面相对宽阔，汛期和连续降雨则水流流速较快；非汛期等其他时间则水流相对平缓。曹娥江也是浙江省的内河骨干航道之一，更是绍兴地区货物外运的重要水运主通道，下游段已按天然四级航道建成，为更好发挥全线的航运效益，以进一步服务区域经济社会发展，上游段拟按天然四级航道标准进行整治。近期，航道梯级整治工程中包括新建500吨级船闸一座、一座二级公路桥及整治沿线的航道，以满足两岸交通沟通需求。桥梁所在位置江面宽阔，达400余米宽，主桥桥墩及部分引起桥墩均置于河道中，此处桥梁按照1000t级防撞标准设计，在主墩处设置了3个1000t级防撞墩。桥梁区域钻孔地质地质情况大体可分为粉土层、卵石层和中风化凝灰岩持力层，中风化凝灰岩埋深较深，在50～60m左右。

主桥采用66m+110m+66m的变截面三跨预应力混凝土连续箱梁。主桥主墩采用柱式墩加矩形承台1188×738m的结构型式，矩形承台为1188×738m，承台下部采用6根钻孔灌注桩基础，直径均为1.8m，钻孔灌注桩基础深入中风化凝灰岩持力层。墩身混凝土采用C40，承台采用C30混凝土，桩基采用C30水下混凝土。

2.给定撞击力下的结构稳定性分析

主要原理：（1）建立MIDAS结构有限元仿真模型，分析给定撞击力下的桥墩最不利构件的最大内力；（2）根据设计确定的桥墩尺寸、配筋等，依照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）偏心受压构件正截面极限承载能力，计算轴力对应下的极限弯矩；（3）比较上述两者差异，确定桥墩结构的稳定性。

2.1利用MIDAS模型计算一定撞击力下水中桥墩最不利构件的内力值

2.1.1撞击力计算及撞击点位分析

（1）船舶撞击力计算：《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）取消了2004年版规范所规定的三级及以上航道相应吨级船舶撞击作用标准值取值，建议按专题研究确定船舶撞击力。

鉴于实际航行的情况，可参照漂流物横桥向撞击力公式，见式（1），考虑船舶超载、航速因素，可将水流速度替换为船舶航速计算船舶撞击力。

式（1）中：F-漂流物横桥向撞击力，kN；W-漂流物重力，kN，根据河道中漂流物情况，可按实际调查确定，取（1700×9.81）kN；V-水流速度，m/s，取3m/s；T-撞击时间，s，在无实际资料时，可用1s；g-重力加速度，m/s2，取9.8m/s2。

经计算，得最大撞击力F为5100 kN。

（2）撞击点位置确定：因航道设计最高、最低通航水位下桥梁被撞位置均为桥墩区域，且最高通航水位下最为不利，故根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）“内河船舶的撞击作用点，假定为计算最高通航水位线以上2m的桥墩宽度或长度的中点”，取最不利工况，即最高通航水位线以上2m为桥梁桥墩被撞击点。

2.1.2单元模拟及边界条件假定

（1）单元模拟：假定墩柱、承台、桩基均为一维线性梁单元。

（2）边界模拟：自上而下，桥梁为连续梁桥，上下结构水平向约束较弱，不考虑约束；承台为刚性体，承台与桩基为刚性连接；桩基为嵌岩桩，桩基于端部土体视为刚性连接，桩基与侧向土体采用等代土弹簧來模拟。

（3）弹簧的刚度由土介质的m值计算，m值根据实测的地质资料，按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D60-2015）地基水平抗力系数的比例系数取值。等代土弹簧刚度利用式（2）计算。

式（2）中：a-各土层厚度，m；b1-桩计算宽度，m；m-地基土的比例系数，kN/m4；z-各土层中点与地面的距离，m。

2.1.3 MIDAS模型及结构内力分析

建立主墩MIDAS模型。给定撞击力下5100kN下，计算最不利构件桩基的内力，根据弯矩图和轴力图可知，最大弯矩6735 kN？m，此处轴力为13700kN。

2.2根据偏心受压构件正截面极限承载能力公式计算极限承载能力

圆截面钢筋混凝土偏心受压构件正截面抗压承载力计算公式，见式（3）～式（5）。

根据式（3）～式（5），计算得到截面极限承载力13700kN，8750kN？m。

2.3最大内力与极限承载能力比较分析

在同轴力值下，截面的弯矩承载力为8750k N？m，大于受力6735 kN？m。因此，在给定撞击力5100kN下，主墩结构不受破坏。

3.桥墩防撞能力分析

（1）利用已建立的MIDAS模型，计算结构在水平撞击力F=1作用下的内力值（轴力NO，弯矩MO）；

根据以上思路，计算得到本桥梁主墩结构的最大防撞力为8500kN。

4.主要结论

通过上述有限元计算分析可以得到以下结论：

（1）根据偏心受压构件正截面极限承载能力公式及MIDAS有限元模型计算，均得到桥梁主墩结构最大防撞力约为8500～8750kN，大于按照漂流物计算公式分析，1000t级船舶在3m/s航速下产生的的最大撞击力5100kN。即本桥梁主墩结构可保持稳定不受破坏。

（2）考虑到主桥结构在本工程中的重要性，以及若发生船撞桥事故可能产生的经济和社会影响，本工程在设计中仍然设置3个防撞墩，且防撞墩机构自身能抵抗船舶的撞击作用，因此，可起到双重保险作用，以避免桥梁自身主墩结构受到任何外观形式上的撞击损伤。

5结束语

综上所述，对于跨大江、跨大河的非限制性航道中建设的各类桥梁，不可避免会经常发生在水中设桥墩的情况，以合理控制工程造价和技术难度。因而，桥墩防撞问题日益成为每次桥梁设计过程中以及建设中的重点研讨内容之一。通过文章的研究，可为今后深化桥梁防撞分析提供一定的理论基础和工程经验。

参考文献：

[1]郭杰锋.高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[2]王召兵.航道等級提升后桥梁船撞风险分析及防撞措施研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[3]张志国，禚一.某桥墩抗撞、防撞措施设计及分析[J].铁道工程学报，2013，30（12）： 46-50.