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浅埋式桩基础钢筋混凝土拱桥桥墩防撞安全性评价与加固技术研究*

2013-01-04李德建宁夏元胡先春

铁道科学与工程学报 2013年1期
关键词:沅水抗力防撞

吴 超,李德建,宁夏元,胡先春

(1.湖南省交通科学研究院,湖南长沙410005;2.中南大学土木工程学院,湖南 长沙410075)

船舶和桥梁与生俱来即为一对矛盾体,桥梁跨越的江河湖海通常是船舶通行的航道,当桥梁作为水上建筑物时,则很可能成为航道的障碍物[1]。置于航道之中的桥墩,可能使泥沙淤积、河床变迁,使航道条件恶化,增加船舶通行的风险;船舶在桥下航行,则对桥墩和桥跨结构存在着撞击的威胁。由于自然与人为的因素,船舶撞击桥梁的事故虽极力避免而时有发生。本文以五强溪沅水大桥为工程背景着重研究我国内河船舶通航于桥下的安全问题,即船舶撞击桥墩问题,以及由此而衍生的旧桥基础加固问题。湖南省五强溪沅水大桥位于沅陵县五强溪镇五强溪电站附近的沅麻公路线上。该桥系钢筋混凝土装配式箱拱桥,设计荷载为汽—20级,人群3.5 kN/m2,中跨净跨径130 m,为等截面悬链线拱,两边跨净跨径70 m,全长331 m,桥面净宽净(9+2×2)m,桥墩为20×7 m圆端型实体桥墩,基础为2根直径为9 m的浅埋式嵌岩桩,桩长7 m,嵌入千枚岩深度约为3 m,基底容许承载力约为1 500 kPa。桥梁总体布置见图1,桥墩结构见图2。沅水大桥位于沅水水系毛里湾—五强溪水电枢纽的航道上,桥区航道属内河Ⅳ级航道。沅水大桥附近航道来往船只多为货船,桥下年通过船只量约为6 890艘,货船最大总吨位为1 800 t,船只航行速度约为16 km/h。由于该桥桥址离水电站大坝太近,而船闸与桥下船舶航道方向错位,这样将增加船撞桥的风险。

图1 浅埋式桩基础钢筋混凝土拱桥总体布置图Fig.1 General arrangement drawing of reinforced concrete arch bridge with shallow-buried piles

图2 下部结构布置图Fig.2 Substructure plan

1 基于我国公路桥涵设计规范桥墩防撞检算

1.1 基于我国公路桥涵设计规范船撞力计算

我国于JTGD 60-2004(《公路桥涵范设计通用规范[2])中 4.4.2 条,对内河船舶撞击作用标准值作出如表1的规定。由表1可以看出:规范船撞力标准值是根据航道等级按最大概率船舶吨位而给出的,其值偏小,在实际设计中,其对桥梁作用影响很小,这完全低估了船舶撞击桥梁的危险。因此,规范还提出漂流物横桥向撞击力标准值可按式(1)计算。

式中:W为漂流物重力(kN),应根据河流中漂流物情况,按实际调查确定;v为水流速度(m/s);T为撞击时间(s),应根据实际资料估计,在无资料时可取1s;g为重力加速度,1g=9.81/m/s2。

由式(1)可以看出,这个公式是基于冲量定理而得出来的。基于式(1)冲量定理原理,本文在规范的基础上,提出修正的横桥向船撞力计算公式:

表1 内河船舶撞击作用标准值Table 1 Characteristic value of rival ship collision

式中:v1为水流速度(m/s);v2为船舶航行速度(m/s)。撞击时间T保守取为0.8 s。

顺桥向撞击时,根据最不利原则,考虑船舶与航线成45°斜角撞击桥梁,故顺桥向的船撞力可取为横桥向的倍。

1.2 基于我国公路桥涵规范桥墩[3]抗力计算

对于浅埋式桩基础桥墩,桥墩受船舶撞击时,主要有以下几种破坏准则:(1)桥墩混凝土强度破坏;(2)桥墩剪切破坏;(3)基底承载力超过容许应力;(4)基底倾覆破坏;(5)基底滑动破坏。

基于以上几种破坏准则,可以反算出各种情况下桥墩受船舶撞击时的桥墩抗力。

1.3 基于我国公路桥涵规范桥墩防撞检算

通过以上抗力的计算,可以比较得出各种情况下的最小抗力,将这个抗力作为桥墩的抗力,与之前计算的船撞力相比较:

(1)若船撞力小于桥墩抗力,则说明桥墩是安全的;

(2)若船撞力大于桥墩抗力,则说明桥墩有被撞坏的风险。

2 五强溪沅水大桥桥墩防撞安全性评价

2.1 桥墩抗力计算

按5种破坏准则,可以计算得出桥墩水平抗力,沅水大桥计算结果如表2所示。

表2 沅水大桥桥墩抗力计算结果Table 2 Collision resistance of Yuan River Bridge pier kN

由表2可以看出:沅水大桥桥墩抵抗船舶撞击时的水平抗力由基底应力控制。

2.2 基于我国规范桥墩防撞检算

船撞力可按式(2)进行计算,计算参数可按表3选取。

表3 主要船型及计算参数Table 3 Type of ship and design condition

因为要考虑可能出现的最不利情况,所以,这里取1 800 t船只质量为通航的最大船舶质量。

横桥向船撞力计算:

P=1 800 × 9.81 × 8.44/(9.81 × 0.8)=18 990 kN

顺桥向撞击时,根据最不利原则,考虑船舶与航线成45°角撞击桥梁,故顺桥向撞击力可取为横桥向的倍,为13 426 kN。

将沅水大桥各墩水平抗力与船撞力进行对比,其检算结果如表4所示。

表4 桥墩水平抗力与船撞力比较Table 4 Comparison between pier resistance and collision force kN

由表4可知:基于我国公路桥涵设计规范对沅水大桥桥墩防撞进行检算,将1 800 t船舶按漂流物以船舶下行实际速度计算撞击力,则桥墩顺桥向水平抗力小于船舶作为漂流物的撞击力,桥墩是不安全的。

3 沅水大桥防撞基础加固方案

由上文计算可知,五强溪沅水大桥基底应力不足,故考虑采用扩大基础法加固。如下图3所示在桩基底部往上2.5 m范围内设立钢围堰,然后浇筑C30混凝土,以达到扩大基础减小基底压力的目的。这样桥梁就从整体上有了保证。加固设计方案如图3所示。

扩大基础法是目前旧桥加固方法中一种比较普遍的方法,在这个体系中涉及到新老混凝土共同作用的问题。旧基础是老混凝土,由于旧基础承载力不够,故需要扩大基础来加固,加固部分是现浇的新混凝土。这样新老混凝土之间就存在一个问题,即新老混凝土能否完全粘结在一起共同作用?

图3 基础加固设计图Fig.3 Strengthening project of foundation

人们对新老混凝土粘结机理的研究较少,这方面的初步研究主要是:(1)界面抗剪机理研究;(2)从断裂力学理论和材料微观结构角度对新老混凝土粘结机理进行研究。在实际工程中,一般规定新老混凝土界面不允许传递剪力。如《瑞典混凝土结构规程》规定:除非界面处有钢筋或有压力作用,否则叠合结构的界面不允许传递剪力。叠合构件可以是由预制部分和现浇部分叠合而成,或由不同时浇筑的的两部分现浇混凝土叠合而成[4]。

新老混凝土在结合面上发生的破坏主要是由于垂直于结合面的拉应力过大产生的结合面张开破坏,以及平行于结合面的剪应力过大产生的沿结合面滑动剪切破坏,或二者兼而有之[5-6]。新老混凝土粘结层在复杂应力状态下,受到的两种典型作用是拉剪作用与压剪作用,此时粘结层的拉剪强度与压剪强度就成为控制指标[7]。新老混凝土粘结层在拉剪与压剪作用下的强度如何变化,目前还不很清楚。因此,目前用于新老混凝土粘结性能测试的试验方法主要是对抗拉性能、抗剪性能、抗拉剪性能及抗压剪性能的测试。

对于整体混凝土,国外 Bresler[8]采用空心薄壁圆筒试片得到剪应力τ和正应力σ在破坏时的相应关系为:

式中:fc为混凝土抗压强度;σ为正应力;τ为剪切应力。

对于新老混凝土粘结层复杂应力关系,我国学者刘健对新老混凝土的粘结面在压剪及拉剪复合受力状态下的强度性能进行试验研究,并通过试验数据统计分析得到新老混凝土粘结的拉、压剪破坏强度公式[9]。

压剪复合受力状态下的强度破坏公式:

式中:τ1为压剪受力下峰值剪应力(MPa);σ1为压应力(Mpa);H为灌砂平均深度(即粗糙度)(mm);fca为(fcu,0+fcu,n)× 0.67/2(MPa);fcu,0为老混凝土立方体抗压强度(MPa);fcu,n为新混凝土立方体抗压强度(MPa)。拉剪复合受力状态下的强度破坏公式:

式中:τ2为拉剪受力下峰值剪应力(MPa);σ2为拉应力(MPa);H为灌砂平均深度(即粗糙度)(mm)。

3.1 沅水大桥基础加固模型建立和分析

由于恒载属于既有的力,故恒载将完全由旧基础来承担。而活载则由新旧基础共同承担,并分两种情况讨论:(1)按新老混凝土接触面完全粘结共同工作考虑建立计算模型;(2)按新老混凝土接触面滑动考虑建立计算模型,建模时接触滑动面利用CONTACT单元[10]来模拟的,即接触面上只传递法向力,而不传递切向力。

为减少计算节点与单元总数,将承台、旧桩基基础以及新浇注混凝土基础从整体模型中分离出来,考虑正常使用组合中汽车人群活载与船撞力共同作用下产生的内力等效作用在承台顶面,建立三维实体单元模型进行局部分析。原有桩基础在恒载作用下的计算模型与加固后基础在活载与船撞力共同作用下的计算模型如图4所示。

图4 原基础与加固基础计算模型图Fig.4 Calculation model of primary foundation and reinforced drawing of foundation

基底应力最终结果效应为:(1)旧结构恒载作用下应力+新老混凝土接面完全粘结共同工作模型活载与船撞力作用下应力;(2)旧结构恒载作用下应力+考虑新老混凝土接触面滑动模型活载与船撞力作用下应力。船撞力按1 800 t船舶撞击作用,根据地质条件基底允许承载力取值为1.5 MPa。

3.2 沅水大桥基础加固模型计算结果分析

为了方便比较,取其中一些关键点来检算,基底关键点示意图如图5和图6所示。

图5 基底截面应力取值关键点示意图Fig.5 Section stress key position of the foundation bottom

图6 粘结面上应力取值关键点示意图Fig.6 Stress key position of the bonding

3.2.1 新老混凝土完全粘结分析

考虑新老混凝土完全粘结共同工作的情况下,可以通过比较完全粘结情况下接触面的剪切应力和新旧混凝土正常情况下的黏结力来判断新老混凝土是否能完全黏结共同工作。

新老混凝土的粘结力τ可以参考Bresle[8]空心薄壁圆筒试件理论来计算,其计算公式如式(3)所示。

据此,即可根据新老混凝土接触面上节点竖向剪应力及其法向正应力,计算其黏结力,并可根据黏结力来判断新老混凝土是否能完全黏结共同工作,其计算结果如表5所示。

表5 新旧基础接触面上应力计算结果Table 5 Stress results of the foundation bonding

从表2可见:基础新老混凝土接触面剪应力均小于黏结力,可满足完全粘结模型的计算要求。

3.2.2 加固基础基底应力计算结果

恒载作用下原桩基基底关键点处应力、分别按新老混凝土完全粘结及滑动接触面计算所得的正常使用组合中汽车人群活载与船撞力共同作用下基底应力如表6所示。

表6 基底应力计算结果Table 6 Stress results of the foundation bottom

基底允许承载力取值为1.5 MPa,由表5可以看出:不论是新老混凝土接触面完全黏结模型还是滑动模型,基底应力均满足要求。

4 结论

(1)基于我国公路桥涵设计规范对五强溪沅水大桥浅埋式桩基础钢筋混凝土拱桥进行了桥墩防撞检算,该桥的基底应力不能满足防撞要求。

(2)采用三维实体单元建立了五强溪沅水大桥经过加固后的基础分析计算模型,按照基础加固后新老混凝土接触面完全粘结共同工作建立计算模型计算得到的基底应力满足规范要求,同时对粘结面采用Bresler空心薄壁圆筒试件理论公式来验证粘结面是否可靠,结果显示粘结面不会发生剪切破坏。

(3)按照极端情况,即基础加固后新老混凝土接触面滑动,得出基底最大应力为1.34 MPa,较前面一种情况有所增大,但仍满足规范要求。

(4)该桥的防撞基础加固方案是可行的,亦可供同类桥梁加固参考。

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[2]JTG D60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].JTG D60—2004,General code for design of highway bridge and culverts[S].

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[10]王新敏.ANSYS工程数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.WANG Xin-min.ANSYS Engineering numerical analysis[M].Beijing:China Communication Press,2007.

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