既有桥墩护筒保护技术探究

（云南展旭工程咨询有限公司，云南 曲靖 655000）

一、工程概况

本文拟建道路为城市次干路，标准路幅宽度为24m，设计速度为30km/h，桥墩距离道路外边线为14m。受道路标高的控制，需对桥下开展回填处理，最大回填高度约12m，道路建成后与桥梁路面间高差约14m。现状桥墩为双墩结构，墩间距10.5m，桥墩直径2.5m，采用C30钢筋混凝土护筒防护，壁厚50cm，护筒与桥墩间的安全距离为50cm。

二、有限元模型建立及分析

（一）有限元数值分析简介

有限元分析是指将研究对象分散成一定数量的单元，每个单元之间是互相联系的，可以将其看作由一定数量的单元构成的整体，通过整体分析各单元得出工程所需的研究结果。岩土工程常用的有限元分析软件较多，本文选取Midas GTS三维数值有限元软件分析钢、钢筋混凝土护筒的变形及受力。

（二）护筒形式及安全距离

本文选取常用的钢筋混凝土护筒及钢护筒展开对比分析。对于护筒与桥墩间的安全距离取值，通过查阅相关工程案例，得知安全净距最大为80cm、最小为50cm，暂选50cm安全净距作为护筒有限元分析的前提条件。

（三）护筒单元划分

对比分析圆形护筒，有限元模型的圆形结构通常采用由直代曲的形式建立。若护筒各单元划分尺寸太大，易造成计算结果与工程实际不符，影响分析判断；若单元尺寸较小，则易造成数据过大，影响研究进度。此处选取护筒单元为1m作为单元划分标准。

表1 模型参数取值表

（四）材料参数

对于钢、钢筋混凝土护筒、桥墩采用线弹性本构模型，其余岩土材料均采用摩尔-库伦本构模型，相关材料参数如表1所示。

（五）施工阶段模拟

图1 有限元分析模型

建立有限元分析模型如图1所示。护筒防护下的新建路基回填模拟可以大致分为初始位移清零、护筒施工和路基分层填筑（护筒施工2m后填筑一次）三个步骤。

三、有限元结果分析

本文选取桥墩直径为1.5m，路基回填高度为5m、8m和12m，在其余工况相同的前提下，对比分析钢筋混凝土护筒和钢护筒的位移及应力。

（一）钢筋混凝土护筒

当钢筋混凝土护筒壁厚为20cm时，各填土高度（从左到右为5m、8m和12m）下护筒产生的位移及应力分布情况如图2、图3所示。

由图2、图3可知，填土越高对护筒产生的水平位移、应力越大。当路基回填高度为12m时，钢筋混凝土护筒（壁厚20cm）的最大水平位移为2.2cm，小于标准要求5cm，最大应力为23.1MPa，已大于其抗压强度设计值14.3MPa，因此壁厚20cm不能满足工程要求。

（二）钢护筒

当钢护筒壁厚为2.4cm时，各填土高度（从左到右为5m、8m、12m）下护筒产生的位移及应力分布情况如图4、图5所示。

由图4、图5可知，当路基回填高度为12m时，钢护筒（壁厚2.4cm）的最大水平位移为2.3cm，小于标准要求5cm，最大应力为201.5MPa，小于钢材强度设计值215MPa，护筒位移和应力均满足工程需求。

图2 护筒位移云图

图3 护筒应力云图

通过对比分析图2～图5可知，当填土高度为12m时，两种材料护筒所产生的最大水平位移为2.4cm和2.3cm，相差不大；护筒产生的应力差异较大，钢筋混凝土护筒最大应力已超过材料设计值。因此，桥墩护筒防护应优先采用钢护筒结构。

（三）护筒最小壁厚及与桥墩间安全净距

当路基回填土高度为5m～12m时，各壁厚下钢筋混凝土护筒产生的最大水平位移及应力如图6、图7所示。

由图6、图7可知，当桥下路基回填高度小于等于8m时，钢筋混凝土护筒最小厚度为20cm；当桥下路基回填高度8m＜h≤11m时，钢筋混凝土护筒最小厚度为30cm；当桥下路基回填高度小于11m＜h≤12m时，钢筋混凝土护筒最小厚度为40cm；护筒与桥墩间的最小安全距离为10cm。

图4 护筒位移云图

图5 护筒应力云图

当路基回填土高度为5m～12m时，各壁厚下钢护筒产生的最大水平位移及应力如图8、图9所示。

由图8、图9可知，当桥下路基回填高度小于等于8m时，钢护筒最小厚度为6mm；当桥下路基回填高度8m＜h≤11m时，钢护筒最小厚度为18mm；当桥下路基回填高度小于11m＜h≤12m时，钢筋混凝土护筒最小厚度为24mm；护筒与桥墩间的最小安全距离为30cm。

（四）工程实例分析

本文所依托项目回填土高度为12m，采用50cm钢筋混凝土防护。根据上述分析得出，钢筋混凝土护筒壁厚40cm即可满足工程所需，当壁厚为40cm时护筒最大水平位移为4.2cm，最大应力为6.4MPa，均满足规范控制标准。

图6 不同壁厚最大位移（钢筋混凝土护筒）

图7 不同壁厚最大应力（钢筋混凝土护筒）

图8 不同壁厚最大位移（钢护筒）

图9 不同壁厚最大应力（钢护筒）

四、结语

本文结合工程示例，通过有限元分析软件，对比分析两种材料护筒得出3项结论。

路基回填越高，对护筒产生的影响越大。钢筋混凝土结构抵抗位移能力强，但承载能力稍逊于钢结构，桥墩护筒防护应优先选取钢护筒，对于护筒位移控制要求较高的情况下建议选取钢筋混凝土护筒。

针对不同路基回填高度的护筒防护，应结合护筒位移及应力影响，根据回填高度选取相应的护筒最小壁厚，确保工程经济、可靠，不应盲目增加壁厚保障工程安全。

不同的护筒材料，其抵抗位移的情况有所不同，应根据材料的特征选取最优护筒-桥墩安全保护净距，在节约造价的同时缩短工程周期。