钢管桩防撞墩设计及参数分析

陈健锋

(广州市交通设计研究院有限公司,广东 广州 510600)

跨航道桥梁是铁路、公路、城市道路、水路等交通运输通道的咽喉节点,但是近年来,伴随着航运的发展,国内外船撞桥梁事件日趋增多,船撞问题已经对桥梁运营安全及航运安全造成严重威胁[1]。因此,如何更有效地预防船撞事故的发生或减轻事故造成的损失,避免给社会生产带来不必要的影响,对桥梁及其防撞设施展开进一步研究是非常必要的。现阶段,桥梁防撞设施包括主动防撞设施和被动防撞设施,其中被动防撞设施包括了防撞墩、沙岛、防撞套箱[2-6]。

国内外学者对桥墩防撞措施进行了相关研究[5-7]。Ehlers等[8]通过有限元及试验相结合,研究了钢结构的防撞能力。王召兵[9]以北江航道整治工程为背景,通过Abaqus有限元软件对不同桩基数量的防撞墩进行验算模拟,并在此基础上提出了集中式防撞群桩、围栏式防撞群桩、浮式水上升降式防撞浮带与防撞浮式套箱等四种防撞优化方案。于洋[10]采用Abaqus有限元软件对CFRP钢管桩防撞墩进行可行性分析,结果表明此种结构相比于普通钢筋混凝土防撞墩台具有更加良好的抗冲击能力。张新[11]采用midas Civil对直线型连接、三角形连接以及矩形连接的钢管桩进行抗撞分析,指出三种连接形式的防撞墩都能满足抗撞要求。马志敏等[12]通过Ansys有限元软件分析了多个不同撞击点下钢管防撞墩的受力性能情况,得出减少系杆跨度、增加节点刚度可以有效减小结构应力,从而提高结构的抗撞能力。关莎莎[13]根据实际工程采用有限元软件midas GTS NX分析了新建独立防撞墩对周边的施工影响。郁嘉诚等[14]提出了隔离墩与自浮结构相结合的新型防撞结构,并且通过midas Civil以及Ansys/LS-DYNA有限元软件分析计算,确认该防撞结构相比于单独设置独立防撞墩具有更有效的防撞保护效果。

可见,现阶段独立防撞墩由于其造价成本相对更大,施工难度更大,有关独立防撞墩的研究仍不够深入,对于不同结构参数的钢管桩的防撞效果研究仍然相对较少,因此以大石大桥钢管桩防撞墩方案设计为基础,考虑桩间距、钢管壁厚、系梁尺寸以及系梁数量等参数,采用midas Civil软件以及相关规范进行分析计算,验证及探讨不同结构形式的钢管桩防撞墩的防撞效果。

1 工程概况

大石大桥全长为455.5 m,现状航道等级为VI(6)级,为单孔双向通航,设计最高通航水位2.944 m(85高程),设计最低通航水位为-0.55 m(85高程),通航净宽为55.9 m,通航净高为7 m,典型代表船舶为500 t船舶。

由于该桥为重要航道上已有一定年代的旧桥,其桥墩自身已远不能满足现状的防船撞要求,因此,采用设置独立式防撞墩的形式,可以与旧桥桥墩完全隔离,尽量避免船舶直接撞击桥梁下部结构,同时考虑在船撞过程中,需要保护船舶人员的人身安全,故防撞墩结构采用相对柔性的结构。最终防撞墩结构拟定采用三角形连接的钢管混凝土防撞墩。

防撞墩采用端承桩设计,桩底深入岩层3倍桩径,桩顶距离最高通航水位3 m。钢管内径为2 m,壁厚20 mm,为Q235钢材;内部填充的混凝土等级为C30,同时配置42根C32纵筋,钢筋等级为HRB400;系梁材料为Q355B。

2 有限元模拟分析

2.1 船撞动力荷载计算

根据《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)[15],船舶撞击力时程F(τ)按下列公式确定。

(1)

(0<τ<1)

(2)

(3)

(4)

α2=[(A-2B)τc+τcη(2A-1)+(B-A2)]/

(5)

(6)

式中:I0为初始动量,MN·s;f(τ)为无量纲撞击力-时间参数;τ=t/T,无量纲撞击力时刻;T为撞击力持续时间,s;t为撞击力时刻,s;τC、η均为统计量参数。

对于500 t船舶,撞击力-时间参数可按下列公式确定

(7)

式中:a为常系数,根据《公路桥梁抗撞设计规范》取值为0.6;M为载排水量,t,取值为797 t;V为撞击速度,m/s,可根据《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)计算所得,取值4.02 m/s。

通过计算,横桥向撞击和顺桥向撞击的船舶撞击力如图1所示。

图1 船舶撞击力

2.2 几何模型建立

采用midas Civil 2021建立有限元模型,模型共117个节点、123个单元。几何模型如图2所示。

图2 有限元模型

在撞击力作用下,桩基侧向主要受土挤压约束,因此侧向约束模拟尤为关键,本模型侧向约束根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363-2019)[16]计算得到的土弹簧参数进行模拟。动力计算中需要考虑瑞利阻尼,根据《公路桥梁抗撞设计规范》,结构阻尼比取3%。船舶撞击点为最高通航水位以上2 m位置。

2.3 计算结果分析

利用非线性截面计算软件Xtract对防撞墩进行截面计算, 得出单根钢管桩的等效屈服弯矩、 屈服曲率以及塑性转角,最终的内力和弯曲变形的验算结果如表1、表2所示。可见,独立式防撞墩的能需比较为充裕,其抗撞性能满足要求。

表1 独立式防撞墩内力验算结果

表2 独立式防撞墩弯曲变形验算结果

3 参数分析

为了深入探讨三角形布置的钢管防撞墩的力学性能,在原方案的基础上,考虑了以下4种关键参数:桩间距;钢管壁厚;系梁尺寸;系梁数量。以横桥向撞击为例,分析对比不同参数下的抗船撞效果。表3为不同参数时横桥向撞击下的计算结果。

表3 有限元计算结果

3.1 桩间距

桩间距设置为4.5、4.8(原方案)、5.5、6.5 m。从表3分析可得:随着桩间距的增加,会导致土弹簧刚度有所提升,同时群桩中各桩之间的相互影响越来越小,横桥向撞击下的防撞墩最大弯矩会有所提高,但整体变化幅度并不大,其中最大弯矩所对应的轴力(拉力)会有所降低,其降低幅度相对更大,从而导致在该轴力下的结构等效屈服弯矩有所提升,最终结构能需比有所增加。图3为不同桩间距对结构转角的影响,可以看出,随着桩间距的增大,转角接近线性减小。综上,桩间距的适当增大对防撞墩的受力以及变形有利,因此,在实际工程中,兼顾桩基对河道影响以及地下管线的约束,可以适当增大桩基的间距。

图3 桩间距对计算转角的影响

3.2 钢管壁厚

钢管作为主要的受力构件,在撞击作用下,钢管提供了足够的弯曲变形能力,因此钢管厚度的选择尤为重要。

从表3可知,钢管壁厚分别为18、20(原方案)、22、24 mm的防撞墩的承载能力有着明显的区别。在相同情况下,20、22、24 mm的防撞墩能需比相较于18 mm的分别提升了11%、23%、34%。图4为钢管壁厚对防撞墩转角的影响,可以看出,防撞墩的转角变形与钢管壁厚成反比关系。因此,随着钢管壁厚的提升,防撞墩的防撞效果有明显提升。

图4 钢管壁厚对计算转角的影响

3.3 系杆因素

系杆作为钢管之间的联系构件,是群桩之间的传力构件,一旦其发生破坏,各桩之间就会失去联系,因此即使作为防撞墩的次要受力构件,也起到重要作用。因此,将系杆直径分别设置为80、100、120、140 cm;系杆数量分别设置为2、3、4、5层,对防撞墩进行分析。

从表3可知,D80系杆、D120系杆、D140系杆的最大应力分别为365、255、207 MPa,相较于D100系杆(原方案),应力分别减少了-16.6%、18.5%、33.9%,其中的D80防撞墩应力已经超过355 MPa,已达到钢材的屈服强度,因此增大系杆尺寸可以有效降低系杆应力水平。从表3、图5可知,增大系杆尺寸,防撞墩抗弯能需比有所提升,转角变形也会有所减小,即结构弯曲变形能力有所提升。

图5 系杆尺寸对计算转角的影响

设置2、4、5层系杆的防撞墩系杆最大应力分别为365、274、241 MPa。相较于3层系杆(原方案),应力分别减少了-16.6%、12.5%、23%;从表3、图6可知,增加系杆布置层数,即增加系杆数量,可以减少单根系杆所承受的外力荷载,同时各桩基之间的联系更为紧密,整体的结构刚度也有所提升,桩基的最大弯矩会有所降低,最终防撞墩受力性能得到的改善。

图6 系杆数量对计算转角的影响

综上所述,增大系梁尺寸、增加系梁数量都对防撞墩受力有着明显的改善作用,但是在相同情况下,增加系梁的层数会比增大系梁尺寸的用钢量更大,而系杆应力水平相比降低更少,而钢管桩的抗弯能需比提升幅度接近。因此,考虑造价成本以及施工焊接难度等因素,应优先考虑采用增大系梁尺寸的方法来改善防撞墩的受力问题。

4 结 论

依托大石大桥,开展了三角形布置的钢管桩防撞墩的有限元分析研究,分析了该结构的弯曲变形性能以及抗剪能力,并综合分析桩间距、钢管壁厚、系梁尺寸以及数量的影响,得到以下结论。

(1)所设计的防撞墩结构具有良好的弯曲变形能力,能满足抗船撞承载力要求,能为大桥提供有效的防撞保护。

(2)桩间距、钢管桩壁厚的增大以及系梁尺寸及数量的增加都能对防撞墩弯曲变形性能有提升效果,其中钢管桩壁厚的提升更有利于改善结构的受力性能,其次是系梁的尺寸及数量。系梁尺寸的增加相比于系梁数量的增加更有利于降低系梁的应力水平。在工程实际应用中,建议在综合考虑成本以及施工难度的基础上,选用合适的方法来提高抗船撞能力。