某桥墩撞击状态力学行为分析

章 勇，邓国良，王永亮

(1.南昌市政公用投资控股(集团)有限责任公司,南昌 330029；2.青海省高等级公路建设管理局，青海 西宁 810008）

某桥墩撞击状态力学行为分析

章 勇1，邓国良1，王永亮2

(1.南昌市政公用投资控股(集团)有限责任公司,南昌 330029；2.青海省高等级公路建设管理局，青海 西宁 810008）

以某因撞击而受损桥墩为工程背景，建立实体及杆系有限元仿真模型，在研究分析时采用静力分析及有限元建模相结合的方法.在现场调查分析基础上，通过折减桥墩被撞击面的壁厚模拟分析桥墩损伤后的刚度变化，分析受损桥墩撞击状态及成桥状态的受力行为.计算结果表明：桥墩被撞击时，最大压应力出现在撞击点，最大拉应力在出现在桥墩撞击点高程的两圆弧侧面、撞击点桥墩区域；受损桥墩裂缝较大处箍筋屈服的概率很大.

撞击;桥墩;损伤;仿真分析;力学行为

由于交通事业的快速发展，桥梁数量越来越多，而桥墩因撞造成结构损伤的事故也时有发生.外关于物体撞击，目前，国内外研究焦点更多集中在物体撞击桥墩（桥梁）的概率、物体的撞击动能、以及在撞击过程中桥梁（桥墩）的应力、应变等方面，[1]～[4]而对冲击时结构的受力行为研究相对较少.本文以某铁路桥桥墩受撞击损伤为工程实例，在研究分析时采用静力分析及有限元建模相结合的方法对桥墩撞击受力行为进行分析研究.

1 工程背景

某在建铁路桥孔跨形式为6×32m预应力混凝土简支梁，每孔为4片简支梁，混凝土强度等级为C55.桥墩采用双线圆端形空心墩，从承台至墩顶的高度为24.5m，墩身截面为圆端形，横断面尺寸为8.4m×4.0m，壁厚为0.5m，墩身采用C35混凝土.该梁的架设采用预制、轨道运输、架桥机架设的施工方案，在架设预制简支梁的过程中，吊梁天车钢丝绳突然断裂，某片边梁从桥墩上方掉落至地面上，在坠落过程中，2#桥墩被坠落梁体撞击，出现开裂、损坏.

2#桥墩被梁体撞击后存在裂缝，墩身外侧左边圆弧段的竖向裂缝的最大宽度为4mm～5mm，裂缝长度13m，；墩身外侧右边圆弧段的竖向裂缝的最大宽度为2mm，裂缝长度11m；桥墩内壁的竖向裂缝最大宽度为2～3mm，长度14m.

2 有限元仿真

由于冲击荷载的破坏性大,冲击荷载往往成为结构设计过程中的控制因素.关于冲击力常用的计算方法有静力法、能量理论法、动力分析法以及数值分析法等[5]～[8].静力法尽管忽略了撞击物与结构的变形,将碰撞中的复杂运动简化为匀减速运动以求解平均冲击力,但由于简便实用,所以在许多工程设计中广泛应用.

2.1 有限元仿真计算模型

通过a nsys软件对2#桥墩进行实体建模，混凝土采用S o l id45单元模拟，整个桥墩模型有198927个混凝土体单元，总共节点数为44939个.为确保有限元模型的准确性，同时采用M I DA S/C i v i l建立2#墩空间梁单元模型.桥墩模型底部采用固结约束，墩顶支座、墩身等位置施加内力组合.

图1 2#桥墩有限元分析模型

2.2 计算参数及荷载

本次计算所涉及的材料参数见表1所示.

表1 材料参数表

根据2#桥墩的裂缝位置、长度和深度等开展情况，通过折减桥墩被撞击面的壁厚模拟分析桥墩损伤后的刚度变化.本文主要模拟了四种类型的截面：（1）完好截面、（2）桥墩撞击面的壁厚折减50%的“损伤截面1”、（3）桥墩撞击面的壁厚折减75%的“损伤截面2”、（4）桥墩撞击面的壁厚折减100%的“损伤截面3”.桥墩不同损伤程度的截面特性见表2.

表2 2#桥墩不同损伤程度的截面特性

图2 2#桥墩不同损伤程度的截面形状和尺寸

对于计算荷载取值，主要计算了桥墩撞击时的荷载。

(1)桥墩撞击状态的荷载取值

①结构恒载

包括桥墩自重、已架好5片主梁自重.根据大桥设计说明，双线桥单孔主梁自重为5396.4k N，则单片梁自重为5396.4k N/4=1349.1k N.

②架桥机自重

根据施工方提供资料，施工过程采用TJ180架桥机吊梁，该架桥机重为136t，在支撑在2#撞击墩的荷载约为68t.

③梁体坠落撞击力

由于规范缺少梁体坠落撞击力的相关说明，而该事故中梁体坠落撞击力(可分解为竖向分力与水平分力,本文偏保守的仅考虑水平分力)与桥墩受船只或排筏与墩台撞击时的撞击力具有相似性，本文将此次撞击类比如河流中船只或排筏对桥墩的撞击，依据现场资料及相关描述，梁体坠落过程与桥梁结构撞击按以下情况计算：主梁一端掉落至1#墩地面，另一端撞击2#墩墩身距墩顶约9.9m位置（下落高度约11.7m）；根据梁体的坠落高度，用重力势能与动能守恒的原理，先求出撞击速度。在此基础上，根据《铁路桥涵设计基本规范》[9]中关于桥墩台撞击力公式，撞击力可按公式（1）计算：

撞击力计算结果见下表所示.

表3 梁体坠落竖向撞击力计算结果

参考《铁路桥涵设计基本规范》及《公路桥涵设计通用规范》[9]～[10]，本次计算考虑到实际情况，将撞击力乘以1.3倍的动力系数，即撞击力F=2545× 1.3＝3309k N.

④2#墩墩顶支座水平摩阻力

在被撞击的2#墩顶处，2#墩～3#墩跨已经架设了4片梁，2#墩～1#墩跨已经架设了1片梁，在计算分析时2#墩墩顶的支座摩阻力为水平力，支座摩阻力计算公式为F=μW，式中：W为作用于支座上由上部结构产生的效应（即船只或排筏重量）；μ为支座摩擦系数，根据规范，取0.06.因此，F=μW= 0.06×（1349.1×5）/2=202.4k N

3 结构仿真分析结果

3.1 应力变形计算结果

经过计算分析，桥墩被撞击时桥墩的应力分布及变形图具体见图3～图4所示。

图3 2#桥墩被撞状态应力云图（单位:MPa）

图4 2#桥墩被撞状态变形云图（单位:mm）

计算结果表明，在桥墩被撞击时：

（1）桥墩被撞击点主压应力极值达-28.9M P a，大于铁规中规定的C35混凝土轴心抗压强度-23.5 M P a，其中超过C35容许应力-11.8M P a的区域面积约1.5m×1.5m.

（2）桥墩外表面主拉应力基本在0.0～4.5M P a之间，其中桥墩撞击点高程的两圆弧侧面、墩底部拉应力值较大，极值约4.5M P a，超过C35抗拉应力2.5M P a的区域面积分别为3m×4m及3m×5m.桥墩内部与撞击点对应区域主拉应力极值达16.5M P a，超过2.5M P a的区域面积达3m×5m.由于这些区域均超出了C35混凝土轴心抗拉应力，因而导致混凝土开裂.

（3）桥墩顺桥向水平应力值在0～3.75M P a之间，超过2.5M P a的区域面积约1m×4m，均出现在桥墩撞击点高程的两圆弧侧面.

（4）撞击时，桥墩顺桥向最大变形为12.40mm，出现在墩顶位置；横桥向最大变形为0.64mm，出现在桥墩撞击点高程的两圆弧侧面.

总体上，桥墩被撞击时，最大压应力出现在撞击点，最大拉应力在出现在桥墩撞击点高程的两圆弧侧面、撞击点桥墩区域.根据应力及横向变形计算结果，总体上与桥墩被撞击后的实际病害较为一致：即撞击点混凝土破碎、桥墩撞击点高程的两圆弧面及撞击点内部出现较大面积的裂缝等.

3.2 裂缝宽度与钢筋应力计算结果

根据规范的相关规定，对桥墩的竖向裂缝宽度和主钢筋拉应力对应关系、横向水平裂缝宽度和箍筋拉应力对应关系进行了试算，计算结果表5.表中计算结果可以看出：（1）当墩身竖向裂缝宽度达到0.62mm时，箍筋的钢筋应力达到236M P a；（2）当墩身横向裂缝宽度达到0.44mm时，竖向主筋的钢筋应力达到了335M P a.墩身的撞击后产生的竖向裂缝最大宽度为4mm～5mm.据试算结果推断，裂缝宽度大于0.62mm处的箍筋已屈服.桥墩竖向的三条主要裂缝的最大宽度均在2mm以上，裂缝较大处箍筋屈服的概率很大.

表5 2#桥墩的箍筋钢筋应力和裂缝验算宽度的变化关系

4 结论

通过折减桥墩被撞击面的壁厚模拟分析桥墩损伤后的刚度变化，用静力分析及有限元建模相结合的方法，对该受损桥墩的受力行为进行分析，可得如下结论：

（1）桥墩被撞击时，最大压应力出现在撞击点，最大拉应力在出现在桥墩撞击点高程的两圆弧侧面、撞击点桥墩区域.桥墩顺桥向最大变形为12.40mm，出现在墩顶位置；横桥向最大变形为0.64 mm，出现在桥墩撞击点高程的两圆弧侧面.

（2）墩身被撞击后的裂缝宽度大部分均大于1mm，最大宽度达到为4mm～5mm.根据桥墩的裂缝宽度和钢筋拉应力对应关系的试算结果，裂缝宽度大于0.62mm处的主筋和箍筋均已屈服.

（3）根据应力及横向变形计算结果，总体上与桥墩被撞击后的实际病害较为一致：即撞击点混凝土破碎、桥墩撞击点高程的两圆弧面及撞击点内部出现较大面积的裂缝等.

通过对大桥桥墩的仿真分析，对受损状态下的桥墩受力行为进行了初步分析，为下一步是否需要对该桥墩进行加固设计提供依据.

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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.

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1672-2094(2016)02-0158-04

责任编辑：张隆辉

2016-03-16

章 勇(1976-)，男，江西南昌人，南昌市政公用投资控股（集团）有限责任公司高级工程师，硕士.研究方向：从事工程技术与管理.