山区桥梁双柱式高墩受滚石撞击的影响分析

张佳宁 解 珂 阳 波 胡锦鹏 周 鹏（重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331）

近年来，为平衡地区经济发展，国家大力开发西部山区交通基础设施建设，大量高等级公路、铁路、桥梁等大型基础设施向山区挺近，而山区地形复杂，有很多的河谷和深沟且不良地质比较发育的地带，为了连接各个交通路段，同时考虑到保护西部自然生态环境和山区有限的耕地资源，山区在修建公路时会采用许多非规则桥梁以跨越河谷和深沟。桥梁往往架在陡坡上，下部为双柱式高墩，且墩高相差悬殊。

采用双柱式桥墩可以减小材料用量，减少桥墩重量[1]。而且施工也较为方便，造型美观，工程进度快。但是这类桥墩的刚度差、抗撞击能力差。近年来已发生多次由于撞击造成的重大桥梁损害事故，桥墩防撞问题也引起了人们的重视，特别是桥墩的防船舶撞击。但在西部山区，大多数桥梁并不存在船舶撞击的问题，而更多的是面临地震、山洪爆发、崩塌、滑坡或其他因素引起的滚石撞击问题。且我国西部山区又处在地震高发地带上，多高山、多峡谷、碎石资源丰富，属于滚石灾害高发地区，使得山区桥梁桥墩部位受滚石撞击的问题越来越突出。虽然滚石撞击造成的损伤没有船舶剧烈，但是滚石的冲击作用很大[2]。滚石灾害的发生将会影响到山区桥梁的使用状况[3]。一旦桥梁受滚石撞击影响损坏，尤其是桥墩部位，将严重威胁到山区交通路线的安全运营以及人员活动安全。然而针对滚石撞击桥墩，公路桥梁领域尚无规范可查[4]。所以研究山区桥梁双柱式高墩受滚石撞击的动力响应，提高山区桥梁双柱式高墩抗滚石撞击性能，对保证山区交通运营安全有着十分重要的意义。

本文基于ANSYS 有限元软件，以某典型大桥为原型，建立了双柱式高墩有限元模型，并模拟了滚石撞击桥墩的全过程，分析其在滚石撞击作用下的动力反应，以期为今后类似的山区桥梁抗滚石撞击设计，提供一定意义的理论参考。

1 工程背景

本文以某典型大桥为具体研究对象，桥墩形式为双柱式桥墩，桥墩高度（含盖梁）40m，桥墩截面为圆形，截面半径长为1.15m；桥墩纵向配置的受力钢筋数为48 根，纵向钢筋直径大小为28mm，箍筋的直径为12mm，间距200mm；滚石球体形状的花岗岩。

2 材料模型

2.1 混凝土材料

2.2 钢筋材料

本文中的钢筋材料本构采用随动强化双线性弹塑性模型，本文中的钢筋材料本构模型部分参数选取如表1 所示。

表1 钢筋材料本构模型参数

2.3 滚石材料

3 滚石撞击桥墩模拟分析

本文采用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析软件，建立桥墩、滚石、钢筋有限元模型，其中桥墩混凝土采用SOLID164 单元进行模拟，钢筋采用LINK160 单元进行模拟。关于滚石与桥墩相互接触时的相互作用，本文在进行分析时，采用了自动面- 面接触来分析模块。滚石模型同样采用的是SOLID164 单元。

本文的研究不考虑墩高、桩基深度对桥墩动力响应的影响，桥墩底面用固结代替撞击对桥墩的约束作用，按照滚石初始速度和撞击位置的不同工况建立模型进行分析。滚石不同的撞击速度、不同的撞击位置工况参数详见表2 所示。

表2 不同工况参数

4 桥墩动力响应分析

经过显示动力学计算，滚石撞击桥墩的瞬间，桥墩被撞区域的应力值瞬间变大到一个峰值，然后迅速减小达到一个新的应力峰值，而后续出现的应力峰值均小于首次应力峰值，见图2。对比分析不同工况下桥墩的应力变化，从图2 中可以看出，工况1、2 条件下，桥墩被撞击瞬间等效应力的变化值大小变化情况呈现为，工况2＞工况1；工况3、4 条件下，桥墩被撞击瞬间等效应力的变化值大小变化情况呈现为，工况4＞工况3，可以看出，滚石撞击初始速度越大，桥墩等效应力的变化值越大。对比分析工况1 和工况3，可以看出，等效应力变化值大小变化情况呈现为，工况1＞工况3；对比工况2 和工况4，可以看出，等效应力变化值大小变化情况呈现为，工况2＞工况4。可以看出，相同的滚石撞击初始速度、不同撞击位置的条件下，桥墩应力变化的最大值不同，距离桥墩上部结构底面H/3 情况下的应力变化最大值比H/2 情况下的应力变化最大值要大。撞击位置距离桥墩底部越近，桥墩等效应力变化最大值越小。

图1 桥墩应力变化对比分析

从以上分析中可以看出，本文模拟的滚石撞击桥墩过程，在滚石不同初始速度、不同撞击位置的工况条件下，桥墩应力变化呈现的规律为，被撞击瞬间达到应力变化的最大值；桥墩应力变化最大值的大小与滚石撞击初始速度有关，滚石撞击初始速度越大，桥墩应力变化最大值越大；桥墩应力变化最大值的大小还与滚石的撞击位置有关，撞击位置距离桥墩底部越近，桥墩应力变化最大值越小。

5 结论

为了提高桥墩的抗滚石撞击性能，减轻桥墩受滚石撞击的影响程度，本文在有限元模拟分析的基础上分析了桥墩结构在滚石撞击作用下的应力变化情况，对比分析了桥墩结构在不同位置、不同初始速度的滚石撞击下的动力响应，最后本文得到以下主要结论：

5.1 桥墩被撞击区域应力的变化与滚石撞击初始速度有关，桥墩被撞击区域应力变化最大值随滚石撞击初始速度增加而增加。

5.2 桥墩应力变化最大值的大小还与滚石的撞击位置有关，应力变化最大值随着撞击位置距离桥墩底部越近，应力变化最大值越小。

5.3 本研究未考虑土层因素对桥墩动力响应的影响，要想更加清楚的了解桥墩受到滚石撞击时的动力响应，还需考虑土体对桥墩底部的约束、桩基深度等多因素影响。