文登國，秦陽，肖清華，劉建國

(1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川成都610081;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

高陡邊坡下高橋墩受落石沖擊動力響應分析

文登國1，秦陽1，肖清華2，劉建國2

(1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川成都610081;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

震區(qū)高陡邊坡下的橋墩在施工中容易出現落石沖擊現象，極易對橋墩結構安全造成嚴重損害。本文針對施工期間高橋墩的力學特性，提出了高橋墩施工期間的懸臂梁模型，利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了邊坡落石在橋墩施工期間對橋墩的沖擊效應，對橋墩的沖擊部位和橋墩底部的應力狀態(tài)及塑性變形進行了分析。沖擊部位的塑性變形為1.467 cm，且影響范圍貫穿墩壁。采用懸臂梁模型相對于兩端固定梁模型，計算出的橋墩底部第一主應力要高出66.7%，因而，有必要在高橋墩施工期間采取預防措施，防止橋墩出現局部的結構破壞和耐久性損失。

高橋墩 落石沖擊 應變 應力 高陡邊坡

在大量修建交通基礎設施的過程中，由于對線路的平順性以及展線比的要求逐漸提高，新建的高速公路橋隧比都非常大。根據設計文件，麻昭高速(麻柳灣到昭通)的橋隧比占到了線路總里程的80%，因而線路上常出現橋隧相連的情況。麻昭高速在老營盤一帶因為隧道修建于山體中上部(該處山體從山腳到山頂高達400多m)，按照設計文件需要修建一座高達102 m的連續(xù)梁橋(從橋墩底部到路面)。該橋墩設計高度達到了90 m，屬于高橋墩。由于該橋墩處于較陡邊坡上(坡度為40°～50°)，如圖1所示。在施工期間極易出現山體落石沖擊情況，存在極大的安全隱患。需要對落石沖擊的不良影響作出合理的評估，并據此采取必要的安全措施。

圖1 橋墩及邊坡現場實況

關于橋墩沖擊方面，許多學者都從各種角度做了大量的研究工作。羅松南等［1］將高橋墩簡化為簡支梁，在考慮剪切變形和大位移的影響下，建立了高橋墩動力沖擊作用下的非線性動力學方程，并進一步求出了與時間相關的動力學控制方程，利用該方程求得了沖擊荷載作用下的高橋墩臨界荷載、位移響應曲線以及臨界荷載的各種影響因素。但是該研究的簡支梁假設方法與高橋墩的實際約束情況存在較大差異，是基礎理論性研究。李禮［2］在羅松楠的研究基礎上，進一步減少假設，研究了一端固定，一端簡支的混凝土高橋墩在三角形以及矩形荷載沖擊下的非線性動力屈服問題，并采用雙線性本構模型進行了數值計算，得到了位移響應曲線以及臨界沖擊荷載，對混凝土高橋墩進行了塑性穩(wěn)定性分析。樊文才等［3］根據歐洲規(guī)范推薦的經驗公式，并考慮了材料動態(tài)強度以及局部削弱效應，對橋墩撞擊事故中的圓形橋墩的正截面極限承載能力計算公式進行了推導。采用了試驗方法，通過對比分析，得出了所推導公式的準確性，給出了動態(tài)沖擊作用下材料應變率的建議值。裴向軍等［4］采用非連續(xù)介質法，對強震區(qū)的橋墩附近山體危巖的破壞模式以及危巖對橋墩沖擊效果進行了分析，發(fā)現在崩落巖體的沖擊和擠壓作用下，系梁和橋墩頂部的永久位移最大，并且據此給出了橋墩邊坡危巖的防治方案。另外還有許多學者都從各種角度研究了結構的沖擊問題［5-7］。

上述對沖擊荷載作用下橋墩的動力響應、變形規(guī)律以及材料應變率等方面的研究對保證橋墩的安全具有重要意義。但是，上述研究成果又只限于對橋墩運營期間的安全評價，沒有涉及到施工期間的高橋墩對沖擊荷載的位移時程響應、應力分布規(guī)律以及安全性評價。

1 地質概況

橋墩底部高程為1 290 m，坡頂高程1 636 m，高差為346 m，斜坡平均坡度為46°。坡面臨近橋墩處表層為第四系崩坡積物，厚度0～12 m，陡坡上部存在多組結構面切割及風化形成的危巖。在橋墩基礎施工期間已經有部分垮落，該危險巖體節(jié)理發(fā)育，呈塊狀碎裂結構。邊坡的順層巖體走向150°，傾向為60°，傾角46°。坡體的縱剖面圖如圖2所示。

圖2 2#橋墩及坡體地質剖面(高程單位:m)

2 高橋墩在施工期間的沖擊力學分析

鋼筋混凝土結構在不同的階段具有不同的力學特性，對于混凝土高橋墩，存在建設工期較長的實際情況，并且施工期間的結構力學特征與懸臂梁類似，即:一端固定、一端自由。

施工期間的橋墩可以看做是靜定結構，而完建的橋墩則為超靜定結構?？梢娛┕て陂g的橋墩力學模型與上述研究［1-7］的力學模型有本質區(qū)別，橋墩上端自由，沖擊荷載作用下，橋墩表現出懸臂梁的特征。因而，施工期間的高橋墩沖擊荷載作用下的動力響應問題需要采用其他研究方法。為研究落石沖擊過程中橋墩的動力響應情況以及沖擊位置局部的破壞情況，本文采用了LS-DYNA動力顯示分析軟件，對沖擊過程中橋墩的動力響應過程進行了分析，可以作為山區(qū)類似高橋墩的施工安全評價及風險控制的參考。

為研究施工期間高橋墩在沖擊荷載作用下的動力響應特性，本文利用有限元軟件建立了高橋墩以及落石模型，其中橋墩高度為90 m，截面底部長寬分別為7 m和3 m，頂部長寬分別為6 m和3 m，橋墩壁厚1 m。橋墩模型底部施加剛性約束，上部自由。落石模型用球體模擬，球體直徑0.6 m，模擬中等落石從山體上落下，斜向沖擊橋墩。混凝土材料采用雙線性本構模型，模型共78 317個單元，94 508個節(jié)點。

3 計算結果分析

為確定落石的滾落軌跡，首先采用落石軌跡計算軟件Rock fall確定落石的運動軌跡，進而計算出落石接觸到橋墩時的初速度。根據Rockfall軟件的計算結果以及現場勘察實際情況，確定出落石沖擊部位為橋墩20 m高程處，落石以水平20 m/s，豎向15 m/s的速度沖擊橋墩。計算時間為0.5 s，LS-DYNA軟件一共求解了102步。分析過程主要考慮橋墩應力、橋墩變形及沖擊局部的塑性變形情況。

3.1 橋墩受沖擊部位局部變形及受力分析

通過LS-DYNA的后處理工具，將整個計算過程中的所有信息進行提取。根據計算結果，橋墩在受沖擊部位的局部最大主應力和最小主應力分別達到了21.1 MPa和－10.3 MPa，混凝土雙線性塑性本構模型中的屈服應力13 MPa，說明混凝土已經發(fā)生了屈服。在撞擊部位，橋墩表面混凝土出現了1.467 cm塑性變形，而且塑性變形區(qū)基本影響了橋墩的整個薄壁，最內側的單元塑性變形也達到了2.9 mm。這表明在橋墩受到落石沖擊時，不僅會在表面產生可以直接觀察到的表面破壞，如混凝土局部剝離、凹坑等，還會對墩壁內部產生較大損傷，出現貫穿性損傷。由于橋墩壁深層的損傷難以修復，勢必會對其安全性和耐久性造成較大影響。落石沖擊時表面的沖擊力在沖擊瞬間達到最大值1 283 kN，在此之后落石反彈表面壓力迅速衰減至零，沖擊力時程曲線為一瞬時脈沖。

3.2 橋墩底部及頂部應力變形分析

沖擊荷載作用下，橋墩整體動力響應特點與懸臂梁類似，即橋墩頂部沒有約束，整體相對于已經建成的橋梁橋墩而言，在沖擊荷載作用下更容易發(fā)生較大的變形以及在混凝土中產生較大的應力。研究中采用了兩種計算模型，即:橋墩頂部與底部剛性約束和僅底部剛性約束，其余參數一致。兩種計算模型的頂部和底部典型單元第一主應力時程曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，采用懸臂梁模型時，也即是在高橋墩施工期間，受到邊坡落石沖擊情況下，最大主應力達到了7.80 MPa;而施工完成之后受到相同落石沖擊時，其最大主應力為4.68 MPa，施工期間比完建之后受到相同落石沖擊的主應力大了66.7%，說明施工期間橋墩在落石沖擊下，底部混凝土更容易受到損傷，出現拉裂縫。在采用兩端固定梁模型計算時，橋墩頂部單元也出現了較大的第一主應力，達到了3.12 MPa，小于底部單元應力。而且采用懸臂梁模型計算時，相同的頂部單元則幾乎未出現較大應力，最大也僅有0.1 MPa左右。說明完建后的橋墩受到沖擊荷載時，橋墩兩端均承受沖擊產生的彎矩，而施工期間則只有橋墩底部承受沖擊彎矩。兩種計算模型中，底部第一主應力均超過了C30混凝土的抗拉強度。這是因為在計算中沒有考慮鋼筋的作用，僅對素混凝土橋墩進行了沖擊模擬，用以研究橋墩在沖擊作用下最有可能出現破壞的位置以及破壞的程度。

由此可見，針對山區(qū)高橋墩的沖擊動力響應問題，在橋墩設計階段應當加以考慮，同時在施工期間應當采取適當的防護措施。尤其在目前西部山區(qū)大量新建高速公路和鐵路的背景下，大量高橋墩在施工期間的落石沖擊是一個不容忽視的質量和安全問題。

圖3 兩種模型墩底和墩頂第一主應力時程曲線

4 沖擊防治措施

通過上述分析，發(fā)現橋墩在施工期間若受到落石沖擊，會在沖擊部位產生較大的應力，造成橋墩沖擊部位的局部損壞，以及橋墩底部可能因為應力水平超過混凝土抗拉強度而出現裂縫，對橋墩的耐久性造成影響。因而，需要在橋墩施工期間對邊坡采取適當的防護措施。

沖擊防護措施一般包括三類:一是消除沖擊源，即清理或加固邊坡上的危險巖體;二是在危巖的滾落路徑上設置防護網等，但是此類措施的防護效果具有較大的不確定性，所以較少采用;三是在橋墩靠邊坡側設置緩沖材料，以緩沖材料的變形來吸收沖擊能量，從而達到保護橋墩的目的。在本橋墩施工過程中，主要采取了第一類也就是加固危巖的方法，用錨索將危巖錨固在邊坡上，見圖1照片。

5 結論

震區(qū)高橋墩施工中的落石沖擊問題對橋墩及橋的安全性和耐久性具有很大影響，本文通過動力顯示計算方法，對落石沖擊過程中橋墩典型位置的加速度、速度以及軸向應力進行了分析，主要得出以下結論:

1)施工期間的高橋墩與完建后的高橋墩在計算理論上有著本質區(qū)別，前者一般為懸臂梁模型，而后者可以近似采用兩端固定梁模型。在計算施工期間橋墩沖擊動力響應時，采用懸臂梁模型更為合理。

2)橋墩受到沖擊作用時，瞬間會在沖擊部位產生較大的沖擊力，本研究中的沖擊力達到了1 283 kN，使沖擊部位的混凝土產生了1.467 cm的塑性變形，且塑性變形的影響范圍貫穿了整個墩壁，對結構的安全性和耐久性有較大影響。

3)通過對懸臂梁和兩端固定梁兩種橋墩模型的數值模擬分析，發(fā)現懸臂梁模型的計算結果中，橋墩底部第一主應力要比兩端固定梁模型計算結果大66.7%。說明在施工期間橋墩受到落石沖擊時，更容易在底部產生拉裂紋，影響橋墩耐久性。

4)本文對高橋墩完建后所采用的計算模型是兩端固定梁模型，實際上完建后的橋墩頂部并非完全固結，也具有一定的自由度，自由度的大小和橋梁的整體動力響應有關。因而，關于完建后橋墩受到落石沖擊作用的計算模型還有待進一步研究。

［1］羅松南，李禮，周慧，等.沖擊荷載下兩端簡支高橋墩的動力屈曲［J］.振動與沖擊，2009，28(12):1-3.

［2］李禮.沖擊荷載下高橋墩的非線性動力屈服分析［D］.長沙:湖南大學，2009.

［3］樊文才，張南，許琦.鋼筋混凝土圓形橋墩正截面沖擊承載力計算［J］.公路工程，2010，35(1):107-112.

［4］裴向軍，黃潤秋，李世貴.強震崩塌巖體沖擊橋墩動力響應研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(增2):3995-4001.

［5］嚴東晉，宋啟根.結構沖擊屈曲準則討論［J］.工程力學，1997，11(4):18-28.

［6］王安穩(wěn).軸向沖擊載荷下圓柱殼的塑性動力屈曲的問題［J］.海軍工程大學學報，2004，16(6):1-8.

［7］魏勇，朱兆祥，李永池.軸向沖擊載荷作用下直桿彈性動態(tài)屈曲的研究［J］.實驗力學，1988，3(3):258-263.

(責任審編趙其文)

U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.09

1003-1995(2015)06-0031-03

2014-11-05;

2015-03-18

文登國(1972—)，男，四川成都人，高級工程師。