山区高速公路桥梁桥墩漂石撞击机理及防护措施探究

宋俊杰 汪煦飚 白皓 唐浩

（四川高速公路建设开发集团有限公司，四川 成都 610041）

在暴雨与洪水作用下，桥墩墩身及桩基础因泥沙磨蚀及漂石撞击易发生混凝土脱落与钢筋外露等问题，在反复磨蚀撞击下将更加严重。此类问题直接影响桥墩安全性及耐久性，随着山区高速公路更多涉水桥梁的修建，该病害将越发突出。因此，对桥墩受漂石撞击的破坏机理及防护措施的研究显得尤为重要。

一、漂石撞击工况研究

（一）河道堆积物粒径分析

漂石和沙土是河床堆积物的主要分类，对桥墩均具有磨蚀作用，漂石对桥墩还有撞击作用。因此，对漂石的粒径分析是桥墩防护范围与撞击能量统计的必要步骤。山体在内动力与外动力情况下发生解体作用产生块石。在外动力作用下，河床形成的漂石粒径大部分为20cm～50cm；内动力作用产生的漂石粒径相对较大，滚落至河床的漂石粒径大部分为20cm～120cm。

（二）漂石撞击分析

漂石在洪水作用下，贴着河床底部交替往复做“弹跳”运动。漂石粒径d1与最大弹跳高度d2决定漂石撞击桥墩的最大撞击高度D（D=d1+d2，其中0.1≤d2/d1≤1）。“d2/d1”比值主要由洪水深度、流速及漂石重量决定，其中与洪水深度、流速成正相关关系，与漂石重量成反相关关系。根据对山区沟谷桥墩受损情况调查，一般情况下，桥墩受损位置为河床底部向上2m范围内，除极个别水流落差大的特殊情况，受损位置达到河床底部向上3m位置。为确定漂石撞击能量，需统计漂石质量及撞击速度，根据多年研究经验，推出漂石运动速度公式为：

式中，V为漂石运动速度；dmax为流体中最大漂石粒径；a为常数，综合考虑摩擦系数、流体容重、流域比降及石块比重等得出，一般取值范围为3.5～4.5，平均值取4.0；t为冲击时间，漂石刚性撞击为0.001s～0.002s,碰撞能量等级小于5kJ时取0.001s,碰撞能量等级为10kJ～20kJ时取0.002s。如式1所示，分别计算较为常见粒径漂石的速度，并根据漂石速度与质量计算漂石能量。

由此可知，1.2m直径漂石的最大运动速度为4.3m/s，为统计不同墩径漂石的撞击能量，分别对不同墩径漂石分别按照1m/s、2m/s、3m/s及4m/s四种速度进行能量计算，其能量图如图1所示。

图1 不同漂石粒径下的能量图（J）

为确定漂石撞击力，参考《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）并结合动量定理，可得漂石撞击力为：

二、桥墩防护整体有限元模拟

（一）河道冲击工况选取

根据上文研究，山区河道桥墩破坏形式主要以漂石撞击为主。结合雅康、汶马及绵九高速相关山区河道漂石统计，河道中90%漂石粒径小于120cm，根据撞击能量分析，漂石撞击能量小于20kJ（大部分小于10kJ）。工况模拟能量等级分别选取5kJ、10kJ、15kJ、20kJ。漂石粒径按照粒径平均值取70cm，对应质量为630kg，试验工况如表1所示。

表1 工况模拟表

（二）有限元模型分析

采用有限元分析软件Abaqus对桥墩刚性碰撞分析模拟，其中桥墩为直径1.8m的C30级混凝土圆墩，选取3D实体单元，单元总数为1287513。混凝土弹性模量取3.0×1010Pa，考虑混凝土材料损伤塑性，膨胀角取35，偏心率取0.1，“fb0/fc0”取1.16，k取0.666，黏性参数取0，压缩损伤和拉伸损伤数据如表2所示。漂石采用0.7m刚性小球，选取3D实体单元，单元总数为3374，漂石弹性模量取3.0×1010Pa。

表2 混凝土压缩损伤与拉伸损伤数据表

1.未防护下桥墩碰撞分析

按照表1中工况，对桥墩刚性碰撞分析模拟，模拟中桥墩按照1.8m直径圆墩考虑，通过模拟刚性碰撞，得到刚性碰撞后桥墩局部应力，模拟结果如表3所示。

表3 刚性碰撞模拟结果

根据上文研究内容，漂石撞击裸墩，撞击时间为0.001s～0.002s，且根据撞击力公式可得，瞬间撞击力峰值不超过1687kN。由此可得以下结论：撞击反力小于桥墩整体抗力且作用时间短，河道漂石不会对桥墩整体造成危害；考虑模拟刚性碰撞，碰撞局部应力达到800MPa以上，但真实值应小于碰撞材料最大破坏应力，所以在刚性碰撞下碰撞应力为800MPa与材料破坏应力中的较小值；漂石撞击桥墩过程中，虽不对桥墩整体构成危害，但考虑桥墩材质破坏应力低于800MPa，桥墩局部极易发生破坏；漂石撞击桥墩时，为保护桥墩局部免受破坏，需采用外刚内柔的防护措施，由此降低漂石撞击桥墩的作用应力。

2.防护下桥墩分析

结合上文结论，防护装置采用外刚内柔设计，对于1.8m直径C30级桥墩，考虑防护装置外部采用一定刚性外壳，具备部分散力作用，故其防护厚度可以相应减低，整体装置分析采用防护厚度为5cm和10cm两种厚度，模拟结果如表4所示。

表4 防护下碰撞模拟结果

由此可得，通过具备一定刚性壳体作为防护装置外壳，可将撞击力作用面积分散，大幅降低撞击作用应力；防护装置采用柔性缓冲结构，可有效降低撞击反力从而减低作用应力；防护装置在上述工况中强度不应低于9MPa，且外壳需要一定刚度。

三、结语

山区沟谷类漂石碰撞能量等级一般在10kJ内，设计时无防护特殊说明，按照10kJ采取防护设计；防护装置外壳应选用刚度较大材料，内部选用缓冲材料，发生撞击时由外壳材料扩散撞击作用范围，并通过缓冲材料降低撞击作用力；在河道反复冲击作用下，防护装置具有变形可恢复能力，防护材料建议采用弹性、超弹性或复合纤维材料。