浅谈桥墩抗撞设计

杨元锦

[摘要]通航内河上修建的桥梁，桥梁桥墩需考虑船舶的撞击作用。桥墩的抗撞与防撞设计关系到桥梁结构的安全。不同的船舶撞击工况对桥墩的撞击力不同，铁路与公路中对船舶撞击力的计算方法亦不同，我们需根据不同的情况进行分析。结合工程实例，分析桥墩防撞设计的要点。

[关键词]内河通航；航速；桥墩；撞击力；位移；裂缝 文章编号：2095-4085（2017）02-0055-03

内航河上修建桥梁，其水上设墩时，需考虑船舶的撞擊可能性，需设置防撞措施或验算桥墩的防撞能力。上海地区河道众多，其中较多为通航河。航道等较低的河上修建桥梁时，通常情况下桥墩不设置防撞措施。因无防撞措施，船舶撞击桥墩时，两者刚度均较大，桥墩抗撞能力对桥梁结构的安全显得尤为重要。本文结合工程实例对桥墩抗撞进行简要分析。

1船舶碰撞分析

船舶与桥墩碰撞时不同的撞击角度其撞击作用力是不相同的，需分析船舶撞击角度，以便对桥墩抗撞击能力进行分析。

（1）情况一：船舶正对着桥墩相撞，相撞后顶住不动，船舶全部动能与桥墩交换（图1所示）。船舶撞击力主要为横桥向的作用力。

（2）情况二：船舶与桥墩成一定交角碰撞。撞击力分为横桥向与顺桥向。其中船舶与桥墩成交角碰撞时又分为船头与桥墩碰撞与船身与桥墩碰撞两种情况。一般情况设定船头与桥墩碰撞后，船的全部动能由桥墩来承受（图2所示）；船身与桥墩碰撞时（图3所示），桥墩承受的碰撞动能较与船头碰撞的动能小。

（3）横桥向桥墩验算时，最不利工况为工况一，此工况为设计时考虑的主要工况。验算桥梁横桥向与顺桥向共同撞击作用力时，选取情况二中船头与桥墩成交角碰撞的工况分析。

2撞击力计算方法

规范中对船舶撞击力的计算一般采用“静力法”，其假定船舶作用于墩台上的有效动能全部转化为碰撞力所做的静力功来计算。规范中对撞击力进行了简化计算，省略其次要因素保留其主要因素，能较为准确地反应实际的碰撞力。目前国内设计时注意参考以下三种设计规范。

（1）公路规范，在《公路桥涵设计通用规范》（JTG-2015）中，漂流物横桥向撞击力设计值计算公式为：漂流物的撞击作用点假定在计算通航水位线上桥墩宽度的中点。

其将船舶撞击作为一种偶然荷载来分析。如缺乏实际调查资料时，可参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG-2015）中4.4章节中关于不同等级航道船舶的撞击作用力设计值进行的规定（表1）。

规范中规定：内河船舶的撞击作用点，假定为计算通航水位线以上2 m的桥墩宽度或者长度的中点。

（3）美国规范，《美国公路桥梁设计规范》（AASHTO—1994）中，其对于水深超过0.6 m处的桥墩，一律按最小撞击力设计。最小撞击力按一个标准底卸式内河驳船计算，大于标准底卸式内河驳船的，其撞击力根据驳船的宽度之比进行修正。计算公式为：P_s=6.0×10⁶+16000α_B（α_B≥100 mm）及P_s=6.0×10⁴+1600α_B（α_B≥100 mm），其撞击力考虑了驳船的排水量、撞击速度、水动力质量系数、撞击能量等综合因素，其方法计算明确，综合考虑因素能较为准确的计算出实际船舶碰撞时产生的撞击力。

（4）对于国内的中小河，其通航等级较低，通航的船舶吨位亦较小，因此对于低等级的通航内河，桥墩抗撞设计时通常参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG-2015）中的相关规定来对桥墩的抗撞能力进行验算。

3内河航道通航速度

船舶以不同的航速发生撞基时，撞击的能量是不同的。对桥梁抗撞进行分析时，首先应分析航道内船舶的通航速度。根据《内河航道工程设计规范》（DG/TJ08-2116-2012）中3.3节中的3.3.

5中对通航内河航速进行了相关分析（表2）。

4工程实例分析

4.1工程概况

上海某路跨越规划为7级的通航河，其规划河口宽28 m，通航净宽要求不小于16 m，通航孔梁底控制标高≥6.0（m），其设计最高通航水位为3.2（m）。因道路为市政道路，道路标高受周边建筑物地形限制，新建桥梁需尽量降低桥面标高，因此新建桥梁采用10（m）+20（m）+10（m）三跨简支布置。桥梁上部采用预制预应力钢接空心板梁，下部桥墩采用桩柱式桥墩，桥台采用扶壁式桥墩。基础采用0800 mm的钻孔灌注桩。

航道通航等级较低，通常情况下桥墩不设置防撞措施。设计时需考虑桥墩的抗撞能力，其应满足桥墩受船舶撞击时。撞击作用力下：桥墩基础应满足其变形在允许范围内，桥墩其承载力满足撞击作用力要求（图4）。

4.2桥墩最大抗撞力分析

由于本项目的通航等级较低，可根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG-2015）中相关规定进行简化计算。对于Ⅶ级航道，一般航段设计时，如采用公路规范，采用最大航速13 km/h计算最大横向撞击力为183.67 kN；限制航速6 km/h计算最大横向撞击力为85.03 kN。

采用铁路规范，采用最大航速13 km/h计算得最大撞击力为246.25 kN；限制航速6 km/h计算最大横向撞击力为116.28 kN。根据铁路规范中计算结果偏差大于根据公路规范计算的结果。因两者计算偏差值不是很大，对于低等级航道，根据实际情况采用《公路桥涵设计通用规范》中相关规定进行验算桥梁的抗撞能力即可。

4.2.1基本假定

（1）桥墩抗撞验算时：横桥向撞击作用力为150（kN），顺桥向撞击作用力为125（kN）。根据最高设计通航水位来计算撞击作用力位置，作用点标高为5.2（m）处的桥墩盖梁处。

（2）验算桥墩立柱的承载力时，承台下钻孔灌注桩设定为弹性支撑。

4.2.2桥墩基本参数

盖梁尺寸：宽1.75 m，平均高1.3 m，长22.6 m；材料為C40钢筋砼。

立柱：φ800 mm，高1.6 m；材料为C40钢筋砼。

承台：宽1.6 m，高1.5 m，长22.6 m；材料为CA0钢筋砼。

桩基：φ800 mm，桩间距为3.0 m，桩长为45 m；材料为水下C30钢筋砼。

4.2.3基础地质参数资料

土层标高0 m～-13 m处为淤泥质粘土层，其m值约为4500；标高-13 m～-27 m处为粘土层，其m值约为7000 kN/m⁴；标高-27m～-47m处为粉质粘土层，其m值约为11000 kN/m⁴。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中的附录P中介绍的m法计算，地基的加权平均m值为9528 kN/m⁴。

经计算顺桥向a=0.43；横桥向a=0.50。

根据“m法”计算桩基刚度系数计算过程较为繁琐，利用《桥梁博士》3.2基础设计功能计算基础刚度系数（坐标系设定，横桥向为x，顺桥向为y；转角方向为按右手螺旋法则，与坐标轴正方向一致为正）。经计算本项目桩基刚度系数为：

4.2.4桥墩抗撞验算

计算桥墩盖梁、立柱、承台在撞击作用力下的承载能力及裂缝宽度，可采用MIDAS Civil2015有限元分析软件建立桥墩模型进行分析。桥墩有限元分析模型如图5。

把桩基设定为一般弹性支撑，输入上述计算所得的刚度系数。桥梁上部结构恒载均布加载于盖梁上，船舶撞击力点作用于盖梁上。

经迈达斯有限元分析软件的验算，桥墩满足抗撞设计要求（表3）。

5结语

桥梁进行抗撞验算时首先分析其可能存在的碰撞情况，根据不同的情况进行分析。公路规范与铁路规范对船舶撞击力计算结果有一定的偏差。对于低等级航道计算时，根据铁路规范计算的撞击力偏大于公路规范。通航等级较低的情况下，根据实际情况，采用公路规范中的相关规定进行桥墩的抗撞能力验算即可。对桥墩进行抗撞验算时，主要分析其在撞击作用力下的位移与裂缝是否满足要求。