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        獨柱墩受車輛撞擊應急檢測與分析

        2024-01-05 03:06:56許磊李志雪秦世旺
        運輸經(jīng)理世界 2023年32期
        關鍵詞:獨柱墩墩柱主梁

        許磊、李志雪、秦世旺

        (1.國家鐵路局安全技術中心,北京 100000;2.中國鐵路南寧局集團有限公司工務部,廣西 南寧 530000;3.中國鐵路南寧局集團有限公司桂林工務段,廣西 桂林 541000)

        0 引言

        獨柱墩式連續(xù)梁橋具有占地面積小、整體結構美觀、橋下視野廣闊、能很好地適應地形限制、對橋下交通影響小以及造價低等優(yōu)點,被廣泛應用于立交橋和匝道橋[1]。但由于獨柱墩通常只設置單支座,導致獨柱墩式連續(xù)梁橋的抗傾覆能力較弱。當超載或偏載車輛行駛至該橋梁的轉彎部位時,在超載力矩、橋梁自身偏心力矩及車輛離心力的共同作用下極易發(fā)生傾覆事故。立交橋或匝道橋受到車輛撞擊的事故時有發(fā)生[2],根據(jù)撞擊的部位可以分為上部結構受到撞擊和下部結構受到撞擊兩種類型。上部結構受到撞擊有可能導致梁體移位、破壞甚至垮塌,下部結構受到撞擊則在水平力作用下可能導致墩頂支座偏移、墩底混凝土開裂等,且墩頂支座的偏移會導致主梁等上部結構的中心線與支座的中心線偏離,在偏載的作用下發(fā)生傾覆或是損壞的可能性較大。因此,如何快速檢測并在確保橋梁安全的前提下盡早恢復交通是十分必要的。

        1 案例概述

        某重卡自卸車因爆胎導致車輛失去控制,撞上某城市大型立交橋H 線1#墩后停止,重卡自卸車上裝有碎石,現(xiàn)場如圖1、圖2 所示。受立交橋管養(yǎng)單位委托,對此撞擊事故造成的橋梁損失進行檢測及評估,確定能否開放交通。

        圖1 車輛撞擊整體正面照

        圖2 車輛撞擊局部側面照

        2 被撞墩柱應急檢測與分析

        2.1 被撞H 線1#墩概況

        H 線上部結構為預應力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁,全長185.935m,分為2 聯(lián),其中F2#、F6#為抗扭墩,連接采用牛腿搭接,根據(jù)跨徑大小的不同,橋梁梁高分別為1.3m、1.6m。下部結構為樁柱式結構,這次被撞的H 線1#墩樁號為K1+236.945,采用樁柱式結構,H 線1#墩柱直徑130cm,墩柱長1160cm,H 線1#樁基直徑150cm,樁基長18.8m,總計長30.4m。該橋設計荷載為城市-A 級,橋面凈寬9.5m。H 線1#墩所在橋梁立面及橫斷面如圖3、圖4 所示,H 線平面如圖5 所示。

        圖3 H 線1#墩所在橋梁立面圖(單位:cm)

        圖4 H 線1#墩所在橋梁橫斷面圖(單位:cm)

        圖5 H 線平面圖

        2.2 應急檢測內容及主要結果

        對因撞擊受損的H 線1#墩進行全面仔細的檢查,并對損傷進行量測、記錄和拍照。

        第一,箱梁外觀檢測。經(jīng)對H 線上部結構箱梁進行檢測,未發(fā)現(xiàn)撞擊引起的位移及裂縫等病害,由此可見,H 線1#墩受撞擊未對上部結構產(chǎn)生安全影響。第二,支座檢測。H 線1#墩支座未發(fā)現(xiàn)支座損壞,未見支座相對箱梁或墩頂產(chǎn)生滑移及滑移痕跡(見圖6)。第三,H 線1#墩柱檢測。對受撞的立交橋H 線1#墩進行全面仔細的檢查發(fā)現(xiàn):H 線1#墩2 處混凝土破損,面積分別為0.46m×0.15m、0.19m×0.08m,刮痕最大深度為1.5cm(見圖7),主要為車輛撞擊剮蹭所致,未見露筋、裂縫等其他病害;墩柱表面新增紅色油漆及黑色物質,面積合計0.95m2,主要為車輛剮蹭所致;墩柱傾斜度,墩柱頂部順車撞方向偏移2mm,垂直于車撞方向偏移9mm(見圖8),滿足規(guī)范要求,由偏移方向及量值可判斷,此次撞擊未引起墩柱頂端產(chǎn)生偏移。第四,其他檢測,車輛在失控撞擊H 線1#墩柱過程中,對路緣石造成損壞,損壞的路緣石長度為3.1m。

        圖6 H 線1#墩柱未見支座損壞及相對位移現(xiàn)象

        圖7 H 線1#墩柱混凝土表面破損圖

        圖8 H 線1#墩傾斜度示意圖

        3 樁基、墩柱有限元模擬分析

        3.1 荷載取值

        根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.2 條規(guī)定,汽車荷載的局部加載及在T 梁、箱梁懸臂截面上的沖擊系數(shù)μ 采用0.3。對于車輛撞擊的集中力考慮沖擊系數(shù)的影響。根據(jù)實測,肇事車輛的車廂內碎石的堆積容重按15.54kN/m3考慮,車輛長寬高分別為7.55m、2.35m、1.5m(實際裝貨高度),車重按100kN 考慮,立柱考慮墩上主梁及車道面的重量,取集中力3000kN。根據(jù)對立柱受損情況的現(xiàn)場調查,車輛撞擊的主要作用點在車頭保險杠處,距行車道大約1m。則車輛撞擊力F 取值如式(1)所示。

        3.2 土側向抗壓剛度

        根據(jù)立交橋工程設計圖紙確定,地面至地面以下13.2m 為均質土和均質黏土,設其側向剛度系數(shù)為K1。地面以下13.2m 至樁基底部為圓礫,設其側向剛度系數(shù)為K2。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG 3363—2019)中的規(guī)定計算樁基的土彈簧剛度:

        式(2)中:a 為各土層厚度;b1為樁的計算寬度;m 為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù);z 為各土層中點距地面的距離。根據(jù)設計圖紙確定樁基所處土層后計算土側向剛度為:K1=3.0×106kN/m,K2=5.0×106kN/m。

        3.3 有限元模型

        采用有限元分析軟件MIDAS Civil 建立計算模型,共分為34 個節(jié)點、33 個單元,有限元模型如圖9、圖10 所示。計算時假定:鋼筋混凝土圓形截面應變符合平截面假定;受壓區(qū)混凝土應力圖呈三角形分布,受拉區(qū)混凝土應力圖呈梯形分布;沿圓周的單根鋼筋簡化為等效薄壁鋼環(huán)。

        圖9 H 線1#墩受撞模型有限元分析模型

        圖10 H 線1#墩、樁有限元模型

        在車撞集中力以及墩上主梁的壓重組合作用下,從MIDAS 計算模型中提取控制截面的軸力與彎矩分別為3315.2kN、667.0kN·m。

        混凝土應力合力對截面中心的彎矩[3]:

        式(3)中:ftk為C30 混凝土軸心抗拉標準值;系數(shù)△=,α 為截面高度修正系數(shù),α=(0.+)×2;ξ為截面相對受壓系數(shù)。

        等效薄壁鋼環(huán)應力合力對截面中心的彎矩:

        式(4)中:fsk為鋼筋抗拉強度標準值;Es 為鋼筋彈性模量;Ec 為C30 混凝土彈性模量。均按照規(guī)范約定進行取值。

        截面達到開裂狀態(tài)時的抗彎承載力及開裂彎矩:M=Mc+Ms=787.4kN·m,M>Md=667.0kN·m。荷載作用效應彎矩小于開裂允許彎矩,故截面不會產(chǎn)生裂縫,經(jīng)現(xiàn)場開挖樁基,確實未發(fā)現(xiàn)裂縫,因此,此次撞擊不影響下部結構安全。

        4 1#墩傾斜度對梁體傾覆影響分析

        獨柱墩曲線梁橋由于主梁的平面彎曲,在運營過程中主梁容易出現(xiàn)彎扭耦合效應和產(chǎn)生較大的扭矩。對于獨柱墩連續(xù)箱梁,中墩柱多為單支座,在車輛超載和偏載的共同作用下,主梁產(chǎn)生很大的橫向扭矩,由于獨柱墩自身抗扭能力極弱,隨著主梁扭矩的進一步加大,獨柱墩墩柱所受的橫向彎矩和水平剪力急劇增大,當超過獨柱墩墩柱自身承載能力時將會導致主梁傾覆[4]。針對車輛撞擊H 線1#墩柱后,墩柱頂發(fā)生傾斜導致支座中心線與主梁中心線偏離,整體上墩頂支座偏移的路徑是偏向曲線外側。文獻對中墩柱單支座設置20~60cm 往曲線外側的偏心距,結果表明橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著獨柱墩往曲線外側設置預偏心的增大而增大[5]。文獻對比分析了設置支座往曲線外預偏心50cm 和未設置預偏心兩種情況下彎橋的橫向傾覆穩(wěn)定性情況,結果表明預偏心的設置使彎橋的整體重心向曲線內側偏移,導致內側支座壓力增大,從而有效地平衡汽車偏載對彎橋橫向傾覆的不利作用[6]。文獻結果表明中墩柱單支座設置合理的偏心距可以提高橋梁的抗傾覆能力,從而有效改善聯(lián)端扭矩的分布[7]。文獻均表明墩頂支座在一定合理范圍內往曲線外側偏離時,對橋梁的抗傾覆能力和改善聯(lián)端扭矩的分布起到一定的有利作用[8]。因此,對比本文H 線1#墩柱頂發(fā)生傾斜,在該檢測結果滿足規(guī)范要求的前提下,H 線1#墩柱單支座偏向曲線外側,對主梁抗傾覆能力起到一定的有利作用,因而此次撞擊不影響上部結構安全。

        5 結論

        第一,重卡自卸車對立交橋H 線1#墩的撞擊,造成H 線1#墩表面油漆污物、混凝土破損及路緣石損壞,根據(jù)檢測結果及撞擊結構有限元模擬計算,此次撞擊力不至于引起墩柱及樁基混凝土開裂,因此,未對H 線橋梁結構安全造成影響,但對結構耐久性、表觀完整性及整潔有一定影響。第二,由于獨柱墩式橋梁結構穩(wěn)定性較低及水平剛度較弱,在水平外力作用下,易使上部結構梁體或墩頂與梁底產(chǎn)生較大的相對位移,有必要對伸縮縫位置是否移動及其狀態(tài)是否正常、梁底支座與梁體及墩頂墊石是否有相對滑動進行觀察,以判斷碰撞過程是否導致較大位移及撞擊后是否恢復變形等。第三,撞擊部位是否有裂縫,可借助肉眼進行觀察;埋在地下的樁基是否有裂縫,也可開挖后進行觀察;但樁基反彎點較深,無法開挖觀測,故可采用本文推薦的方法進行計算分析,以判斷地面以下墩柱及墩身是否會因撞擊產(chǎn)生裂縫。第四,H 線1#墩柱頂發(fā)生傾斜導致支座中心線與主梁中心線偏離,在該檢測結果滿足規(guī)范要求的前提下,H 線1#墩柱支座偏向曲線外側,對主梁抗傾覆能力起到一定的有利作用,因而此次撞擊不影響上部結構安全。

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