宋俊杰 汪煦飚 白皓 唐浩

（四川高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041）

在暴雨與洪水作用下，橋墩墩身及樁基礎(chǔ)因泥沙磨蝕及漂石撞擊易發(fā)生混凝土脫落與鋼筋外露等問(wèn)題，在反復(fù)磨蝕撞擊下將更加嚴(yán)重。此類問(wèn)題直接影響橋墩安全性及耐久性，隨著山區(qū)高速公路更多涉水橋梁的修建，該病害將越發(fā)突出。因此，對(duì)橋墩受漂石撞擊的破壞機(jī)理及防護(hù)措施的研究顯得尤為重要。

一、漂石撞擊工況研究

（一）河道堆積物粒徑分析

漂石和沙土是河床堆積物的主要分類，對(duì)橋墩均具有磨蝕作用，漂石對(duì)橋墩還有撞擊作用。因此，對(duì)漂石的粒徑分析是橋墩防護(hù)范圍與撞擊能量統(tǒng)計(jì)的必要步驟。山體在內(nèi)動(dòng)力與外動(dòng)力情況下發(fā)生解體作用產(chǎn)生塊石。在外動(dòng)力作用下，河床形成的漂石粒徑大部分為20cm～50cm；內(nèi)動(dòng)力作用產(chǎn)生的漂石粒徑相對(duì)較大，滾落至河床的漂石粒徑大部分為20cm～120cm。

（二）漂石撞擊分析

漂石在洪水作用下，貼著河床底部交替往復(fù)做“彈跳”運(yùn)動(dòng)。漂石粒徑d1與最大彈跳高度d2決定漂石撞擊橋墩的最大撞擊高度D（D=d1+d2，其中0.1≤d2/d1≤1）?！癲2/d1”比值主要由洪水深度、流速及漂石重量決定，其中與洪水深度、流速成正相關(guān)關(guān)系，與漂石重量成反相關(guān)關(guān)系。根據(jù)對(duì)山區(qū)溝谷橋墩受損情況調(diào)查，一般情況下，橋墩受損位置為河床底部向上2m范圍內(nèi)，除極個(gè)別水流落差大的特殊情況，受損位置達(dá)到河床底部向上3m位置。為確定漂石撞擊能量，需統(tǒng)計(jì)漂石質(zhì)量及撞擊速度，根據(jù)多年研究經(jīng)驗(yàn)，推出漂石運(yùn)動(dòng)速度公式為：

式中，V為漂石運(yùn)動(dòng)速度；dmax為流體中最大漂石粒徑；a為常數(shù)，綜合考慮摩擦系數(shù)、流體容重、流域比降及石塊比重等得出，一般取值范圍為3.5～4.5，平均值取4.0；t為沖擊時(shí)間，漂石剛性撞擊為0.001s～0.002s,碰撞能量等級(jí)小于5kJ時(shí)取0.001s,碰撞能量等級(jí)為10kJ～20kJ時(shí)取0.002s。如式1所示，分別計(jì)算較為常見(jiàn)粒徑漂石的速度，并根據(jù)漂石速度與質(zhì)量計(jì)算漂石能量。

由此可知，1.2m直徑漂石的最大運(yùn)動(dòng)速度為4.3m/s，為統(tǒng)計(jì)不同墩徑漂石的撞擊能量，分別對(duì)不同墩徑漂石分別按照1m/s、2m/s、3m/s及4m/s四種速度進(jìn)行能量計(jì)算，其能量圖如圖1所示。

圖1 不同漂石粒徑下的能量圖（J）

為確定漂石撞擊力，參考《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1-2005）并結(jié)合動(dòng)量定理，可得漂石撞擊力為：

二、橋墩防護(hù)整體有限元模擬

（一）河道沖擊工況選取

根據(jù)上文研究，山區(qū)河道橋墩破壞形式主要以漂石撞擊為主。結(jié)合雅康、汶馬及綿九高速相關(guān)山區(qū)河道漂石統(tǒng)計(jì)，河道中90%漂石粒徑小于120cm，根據(jù)撞擊能量分析，漂石撞擊能量小于20kJ（大部分小于10kJ）。工況模擬能量等級(jí)分別選取5kJ、10kJ、15kJ、20kJ。漂石粒徑按照粒徑平均值取70cm，對(duì)應(yīng)質(zhì)量為630kg，試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 工況模擬表

（二）有限元模型分析

采用有限元分析軟件Abaqus對(duì)橋墩剛性碰撞分析模擬，其中橋墩為直徑1.8m的C30級(jí)混凝土圓墩，選取3D實(shí)體單元，單元總數(shù)為1287513。混凝土彈性模量取3.0×1010Pa，考慮混凝土材料損傷塑性，膨脹角取35，偏心率取0.1，“fb0/fc0”取1.16，k取0.666，黏性參數(shù)取0，壓縮損傷和拉伸損傷數(shù)據(jù)如表2所示。漂石采用0.7m剛性小球，選取3D實(shí)體單元，單元總數(shù)為3374，漂石彈性模量取3.0×1010Pa。

表2 混凝土壓縮損傷與拉伸損傷數(shù)據(jù)表

1.未防護(hù)下橋墩碰撞分析

按照表1中工況，對(duì)橋墩剛性碰撞分析模擬，模擬中橋墩按照1.8m直徑圓墩考慮，通過(guò)模擬剛性碰撞，得到剛性碰撞后橋墩局部應(yīng)力，模擬結(jié)果如表3所示。

表3 剛性碰撞模擬結(jié)果

根據(jù)上文研究?jī)?nèi)容，漂石撞擊裸墩，撞擊時(shí)間為0.001s～0.002s，且根據(jù)撞擊力公式可得，瞬間撞擊力峰值不超過(guò)1687kN。由此可得以下結(jié)論：撞擊反力小于橋墩整體抗力且作用時(shí)間短，河道漂石不會(huì)對(duì)橋墩整體造成危害；考慮模擬剛性碰撞，碰撞局部應(yīng)力達(dá)到800MPa以上，但真實(shí)值應(yīng)小于碰撞材料最大破壞應(yīng)力，所以在剛性碰撞下碰撞應(yīng)力為800MPa與材料破壞應(yīng)力中的較小值；漂石撞擊橋墩過(guò)程中，雖不對(duì)橋墩整體構(gòu)成危害，但考慮橋墩材質(zhì)破壞應(yīng)力低于800MPa，橋墩局部極易發(fā)生破壞；漂石撞擊橋墩時(shí)，為保護(hù)橋墩局部免受破壞，需采用外剛內(nèi)柔的防護(hù)措施，由此降低漂石撞擊橋墩的作用應(yīng)力。

2.防護(hù)下橋墩分析

結(jié)合上文結(jié)論，防護(hù)裝置采用外剛內(nèi)柔設(shè)計(jì)，對(duì)于1.8m直徑C30級(jí)橋墩，考慮防護(hù)裝置外部采用一定剛性外殼，具備部分散力作用，故其防護(hù)厚度可以相應(yīng)減低，整體裝置分析采用防護(hù)厚度為5cm和10cm兩種厚度，模擬結(jié)果如表4所示。

表4 防護(hù)下碰撞模擬結(jié)果

由此可得，通過(guò)具備一定剛性殼體作為防護(hù)裝置外殼，可將撞擊力作用面積分散，大幅降低撞擊作用應(yīng)力；防護(hù)裝置采用柔性緩沖結(jié)構(gòu)，可有效降低撞擊反力從而減低作用應(yīng)力；防護(hù)裝置在上述工況中強(qiáng)度不應(yīng)低于9MPa，且外殼需要一定剛度。

三、結(jié)語(yǔ)

山區(qū)溝谷類漂石碰撞能量等級(jí)一般在10kJ內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)防護(hù)特殊說(shuō)明，按照10kJ采取防護(hù)設(shè)計(jì)；防護(hù)裝置外殼應(yīng)選用剛度較大材料，內(nèi)部選用緩沖材料，發(fā)生撞擊時(shí)由外殼材料擴(kuò)散撞擊作用范圍，并通過(guò)緩沖材料降低撞擊作用力；在河道反復(fù)沖擊作用下，防護(hù)裝置具有變形可恢復(fù)能力，防護(hù)材料建議采用彈性、超彈性或復(fù)合纖維材料。