何明星，苑曉鋒

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 200032）

0 引言

跨河橋梁常年遭受河流沖刷，洪水期更甚，超標(biāo)洪水（重現(xiàn)期大于等于100 a 的洪水）嚴(yán)重威脅著橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。為此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在洪水狀態(tài)下的失效形式進(jìn)行研究是非常有必要的。通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元軟件模擬遠(yuǎn)期超標(biāo)洪水狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的失效形式和失效概率，從而保證預(yù)報(bào)的超標(biāo)洪水到來(lái)前可以及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的臨時(shí)加固措施，以保證橋梁在洪水期安全。

1 橋梁洪水狀態(tài)下主要失效形式

大量橋梁水毀實(shí)例資料顯示，跨河橋在超標(biāo)洪水作業(yè)下易出現(xiàn)基礎(chǔ)沖刷掏空導(dǎo)致樁基承載力不足、板式橡膠支座滑移導(dǎo)致橋梁錯(cuò)位、上部結(jié)構(gòu)直接漂浮滑移、上部結(jié)構(gòu)直接橫移傾覆等橋梁失效形式。其中最常見(jiàn)的是超標(biāo)洪水導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)直接傾覆。

1.1 基礎(chǔ)沖刷引起樁基承載力不足

對(duì)于部分地區(qū)跨河橋梁，由于樁基深度達(dá)到基巖難度較大，大部分樁基采取的是摩擦樁。摩擦樁樁基承載力主要由樁側(cè)阻力和小部分樁端阻力構(gòu)成。當(dāng)遇到超標(biāo)洪水時(shí)，橋墩基礎(chǔ)處有效過(guò)水?dāng)嗝婷娣e變小，水流流速急劇增大，此時(shí)洪水將帶走橋墩處的大量泥砂，樁基外露長(zhǎng)度慢慢變大，最終樁側(cè)阻力減小，樁基承載力不足以支撐上部結(jié)構(gòu)荷載，橋梁將出現(xiàn)傾斜甚至坍塌。

1.2 上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移

在跨河橋中，大部分簡(jiǎn)支梁橋普遍采用板式橡膠支座，作為連接空心板梁與橋墩結(jié)構(gòu)，傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載，滿足板梁縱、橫向變形要求。當(dāng)遇到超標(biāo)洪水時(shí)，橋梁空心板梁部分或完全被淹沒(méi)，水流浮力使板式橡膠支座承受的荷載減小，從而導(dǎo)致板式橡膠支座與空心板梁的摩擦力減弱。當(dāng)超標(biāo)洪水作用在空心板梁的水平力大于該摩擦力時(shí)，空心板梁和橡膠支座將發(fā)生錯(cuò)位，甚至出現(xiàn)板梁漂移。

橋梁上部結(jié)構(gòu)在超標(biāo)洪水的水平力作用下，板式橡膠支座將承擔(dān)上部傳來(lái)的水平作用力，并產(chǎn)生一定的剪切變形。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的水平位移，主要通過(guò)支座橡膠的剪切變形來(lái)完成，這時(shí)作用在橡膠支座上下承壓面的水平反力不受橡膠支座的平面形狀和加勁鋼板的影響[1]。

若使板式橡膠支座在水平力作用下能夠正常工作，則要保證支座與墩臺(tái)接觸面和梁體接觸面上不出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，洪水條件下的橋梁需滿足以下條件：

式中：Rck為結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值、0.5 倍汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值（計(jì)入沖擊系數(shù)）、1.4 倍平均水動(dòng)升力和靜水浮力引起的支座豎向反力；K滑移為橫向抗滑移安全系數(shù)；FD為平均水動(dòng)阻力。因?yàn)闃蛄夯破茐木哂兴矔r(shí)脆性破壞的特性，必須考慮水動(dòng)力的脈動(dòng)，即采用水動(dòng)力的瞬時(shí)最大值進(jìn)行驗(yàn)算，瞬時(shí)最大水動(dòng)力取時(shí)均值的1.4 倍。

1.3 上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆

大量橋梁被洪水沖垮實(shí)例表明，超標(biāo)洪水作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆也是一種較為常見(jiàn)的破壞形式。對(duì)于被洪水淹沒(méi)的跨河橋梁，洪水浮力與上部結(jié)構(gòu)的部分荷載抵消，有效重量減小，橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩減小。隨著橋梁部分淹沒(méi)后阻水面積的變大，其橫向傾覆力矩增大，在洪水水平?jīng)_力作用下，橋梁易被翻動(dòng)推移，即傾覆破壞。若洪水水平作用力足夠大，甚至能將上部結(jié)構(gòu)主梁漂走。

梁橋在洪水作用下，上部結(jié)構(gòu)變形很小，一般只可能出現(xiàn)剛體失衡破壞。因此，模擬橋梁在洪水作用下計(jì)算時(shí)不考慮上部結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力，按剛體靜力平衡條件，對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。水流作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)傾覆計(jì)算受力簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 洪水狀態(tài)下上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞受力

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，若要保證上部結(jié)構(gòu)不發(fā)生傾覆破壞，則傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足下式要求：

式中：K 為傾覆穩(wěn)定系數(shù)；K傾為抗傾覆安全系數(shù)；M穩(wěn)為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定力矩，由結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)有效重量以支座背水邊為旋轉(zhuǎn)軸所求的力矩；M傾為結(jié)構(gòu)傾覆力矩，由水流阻力和升力以支座背水邊為旋轉(zhuǎn)軸所求的力矩；b 為箱梁中心距離支座背水邊距離；FD為平均水動(dòng)阻力；FL為流速豎向升力合力；l 為升力合力點(diǎn)偏心距（考慮水動(dòng)力情況下，洪水對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的升力各處均不同，需通過(guò)CFD 技術(shù)模擬得到的橋梁不同位置的升力系數(shù)，便可計(jì)算得到升力合力的偏心距）。

根據(jù)橋梁不同位置的水動(dòng)力參數(shù)，便可計(jì)算得到不同水流速度下結(jié)構(gòu)的傾覆力矩，從而評(píng)估橋梁在洪水狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性。此外，因?yàn)闃蛄簝A覆破壞具有瞬時(shí)脆性破壞的特性，必須考慮水動(dòng)力的脈動(dòng)，即采用水動(dòng)力的瞬時(shí)最大值進(jìn)行驗(yàn)算。因此，瞬時(shí)最大水動(dòng)力取時(shí)均值的1.4 倍。

2 重點(diǎn)跨河橋梁洪水狀態(tài)下失效形式分析

本文對(duì)合肥市南淝河上25 座橋梁中4 座重點(diǎn)跨河橋梁進(jìn)行洪水狀態(tài)下失效形式進(jìn)行分析，主要內(nèi)容包括橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測(cè)分析、上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移分析、上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆分析3 種失效形式安全分析，各破壞模式均考慮安全系數(shù)。其中，橫向滑移安全系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB l0002—2017）[3]取1.3，抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）[4]取1.05，橫向抗傾覆安全系數(shù)按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）[5]要求應(yīng)大于2.5?；凇敖Y(jié)構(gòu)傾覆破壞不先于構(gòu)件承載力破壞”的原則，本次研究基于安全考慮，將橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆安全系數(shù)取4.0。

2.1 橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測(cè)分析

為了解洪水對(duì)樁基沖刷引起的橋墩基礎(chǔ)承載力的損失程度，采用水下機(jī)器人和多波速無(wú)人船對(duì)橋墩樁基沖刷進(jìn)行探測(cè)分析。實(shí)際探測(cè)的樁基的覆土高程和樁徑與竣工時(shí)樁基埋深和樁徑進(jìn)行比對(duì)，可計(jì)算分析樁基的承載力損失情況和后期可能的超標(biāo)洪水對(duì)橋墩基礎(chǔ)沖刷提供安全富余量。本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)4 座重點(diǎn)跨河橋梁基礎(chǔ)未見(jiàn)明顯沖刷。

2.2 上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移分析

通過(guò)對(duì)比分析4 座重點(diǎn)橋梁上部結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)高程與100 a 一遇洪水位，在不考慮橋址處雍水高度情況下，只有宋斗灣橋滿足100 a 一遇防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。4座重點(diǎn)橋梁防洪狀態(tài)對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 4 座重點(diǎn)跨河橋梁防洪狀態(tài)對(duì)比分析

由表1 可知，除宋斗灣橋在100 a 一遇洪水位時(shí)未被淹沒(méi)外，其余橋梁在100 a 一遇洪水位時(shí)均淹沒(méi)至上部結(jié)構(gòu)?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)形式和邊界條件等因素，計(jì)算其在橫向滑移和漂浮失穩(wěn)的失效形式下的穩(wěn)定系數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 橫向滑移和漂浮失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2 分析可知，由于宋斗灣橋梁底高程較高，不存在淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，故無(wú)橫向滑移和漂浮失穩(wěn)的可能。而另外3 座重點(diǎn)跨河橋在橫向滑移和漂浮失穩(wěn)的失效形式下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果均大于安全系數(shù)，故可判斷4 座重點(diǎn)跨河橋在超標(biāo)洪水作用下不會(huì)出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)漂移滑移的失效形式。

2.3 上部結(jié)構(gòu)橫移傾覆分析

通過(guò)查詢4 座重點(diǎn)跨河橋梁的水文設(shè)計(jì)資料可知：橋址處洪水重現(xiàn)期為100 a 時(shí)的洪水流速計(jì)算值范圍為1.67～2.48 m/s。為偏于安全考慮，上部結(jié)構(gòu)橫向傾覆破壞計(jì)算時(shí)，計(jì)算流速統(tǒng)一按照上述橋址處最大計(jì)算流速的乘以2 倍安全系數(shù)，即4.96 m/s。此外，因?yàn)闃蛄簷M向滑移和傾覆破壞具有瞬時(shí)脆性破壞的特性，必須考慮水動(dòng)力的脈動(dòng)，即采用水動(dòng)力的瞬時(shí)最大值進(jìn)行驗(yàn)算。因此，瞬時(shí)最大水動(dòng)力取時(shí)均值的1.4 倍。

考慮水動(dòng)力下的上部結(jié)構(gòu)橫向傾覆破壞的穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，淮河路橋和孝肅橋在100 a 一遇的超標(biāo)洪水水位下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于抗傾覆安全系數(shù)，即在100 a 一遇洪水的超標(biāo)洪水下，淮河路橋和孝肅橋易發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體橫向傾覆破壞。銅陵路橋在100 a 一遇的超標(biāo)洪水水位下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)大于抗傾覆安全系數(shù)，即在100 a 一遇的超標(biāo)洪水下，銅陵路橋不易發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體橫向傾覆破壞。宋斗灣橋由于梁底高程較高，不存在淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，故在100 a 一遇超標(biāo)洪水位下不會(huì)產(chǎn)生橫向傾覆破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)跨河橋梁在超標(biāo)洪水狀態(tài)下主要失效形式總結(jié)，結(jié)合合肥市南淝河25 座橋梁中上4 座重點(diǎn)跨河橋進(jìn)行分析，確定了目標(biāo)計(jì)算模式，同時(shí)確定了各失效形式的安全系數(shù)參考值。然后對(duì)4 座橋進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)排查和各種失效形式下的計(jì)算分析，具體結(jié)果如下：

（1）橋梁在洪水狀態(tài)下的失效形式主要考慮基礎(chǔ)沖刷引起樁基承載力不足、上部結(jié)構(gòu)漂浮滑移和上部結(jié)構(gòu)傾覆破壞3 種失效形式。

（2）南淝河上4 座重點(diǎn)跨河橋梁洪水狀態(tài)下安全性分析主要進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測(cè)、漂浮滑移計(jì)算分析和傾覆破壞計(jì)算分析，并確定各破壞模式的安全系數(shù)。

（3）南淝河上4 座重點(diǎn)跨河橋橋梁在100 a 一遇超標(biāo)洪水作用下均不會(huì)產(chǎn)生橫向滑移破壞和漂浮失穩(wěn)破壞。其中，淮河路橋和孝肅橋在100 a 一遇的超標(biāo)洪水下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于抗傾覆安全系數(shù)，即在100 a 一遇的超標(biāo)洪水下，淮河路橋和孝肅橋可能發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體橫向傾覆破壞。

對(duì)跨河橋梁在超標(biāo)洪水下進(jìn)行失效形式分析，能有效識(shí)別橋梁防洪風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)進(jìn)行橋梁防洪保護(hù)措施，降低超標(biāo)洪水對(duì)橋梁產(chǎn)生破壞的概率。今后需進(jìn)一步采用洪水期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的驗(yàn)證分析，從而為類似的跨河橋梁的防洪安全設(shè)計(jì)提供防范思路。