吳 超，李德建，寧夏元，胡先春

(1．湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410005;2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075)

船舶和橋梁與生俱來即為一對(duì)矛盾體，橋梁跨越的江河湖海通常是船舶通行的航道，當(dāng)橋梁作為水上建筑物時(shí)，則很可能成為航道的障礙物［1］。置于航道之中的橋墩，可能使泥沙淤積、河床變遷，使航道條件惡化，增加船舶通行的風(fēng)險(xiǎn);船舶在橋下航行，則對(duì)橋墩和橋跨結(jié)構(gòu)存在著撞擊的威脅。由于自然與人為的因素，船舶撞擊橋梁的事故雖極力避免而時(shí)有發(fā)生。本文以五強(qiáng)溪沅水大橋?yàn)楣こ瘫尘爸匮芯课覈?guó)內(nèi)河船舶通航于橋下的安全問題，即船舶撞擊橋墩問題，以及由此而衍生的舊橋基礎(chǔ)加固問題。湖南省五強(qiáng)溪沅水大橋位于沅陵縣五強(qiáng)溪鎮(zhèn)五強(qiáng)溪電站附近的沅麻公路線上。該橋系鋼筋混凝土裝配式箱拱橋，設(shè)計(jì)荷載為汽—20級(jí)，人群3．5 kN/m2，中跨凈跨徑130 m，為等截面懸鏈線拱，兩邊跨凈跨徑70 m，全長(zhǎng)331 m，橋面凈寬凈(9+2×2)m，橋墩為20×7 m圓端型實(shí)體橋墩，基礎(chǔ)為2根直徑為9 m的淺埋式嵌巖樁，樁長(zhǎng)7 m，嵌入千枚巖深度約為3 m，基底容許承載力約為1 500 kPa。橋梁總體布置見圖1，橋墩結(jié)構(gòu)見圖2。沅水大橋位于沅水水系毛里灣—五強(qiáng)溪水電樞紐的航道上，橋區(qū)航道屬內(nèi)河Ⅳ級(jí)航道。沅水大橋附近航道來往船只多為貨船，橋下年通過船只量約為6 890艘，貨船最大總噸位為1 800 t，船只航行速度約為16 km/h。由于該橋橋址離水電站大壩太近，而船閘與橋下船舶航道方向錯(cuò)位，這樣將增加船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋總體布置圖Fig．1 General arrangement drawing of reinforced concrete arch bridge with shallow－buried piles

圖2 下部結(jié)構(gòu)布置圖Fig．2 Substructure plan

1 基于我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范橋墩防撞檢算

1．1 基于我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范船撞力計(jì)算

我國(guó)于JTGD 60－2004(《公路橋涵范設(shè)計(jì)通用規(guī)范［2］)中 4．4．2 條，對(duì)內(nèi)河船舶撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值作出如表1的規(guī)定。由表1可以看出:規(guī)范船撞力標(biāo)準(zhǔn)值是根據(jù)航道等級(jí)按最大概率船舶噸位而給出的，其值偏小，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，其對(duì)橋梁作用影響很小，這完全低估了船舶撞擊橋梁的危險(xiǎn)。因此，規(guī)范還提出漂流物橫橋向撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值可按式(1)計(jì)算。

式中:W為漂流物重力(kN)，應(yīng)根據(jù)河流中漂流物情況，按實(shí)際調(diào)查確定;v為水流速度(m/s);T為撞擊時(shí)間(s)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際資料估計(jì)，在無資料時(shí)可取1s;g為重力加速度，1g=9．81/m/s2。

由式(1)可以看出，這個(gè)公式是基于沖量定理而得出來的。基于式(1)沖量定理原理，本文在規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出修正的橫橋向船撞力計(jì)算公式:

表1 內(nèi)河船舶撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Characteristic value of rival ship collision

式中:v1為水流速度(m/s);v2為船舶航行速度(m/s)。撞擊時(shí)間T保守取為0．8 s。

順橋向撞擊時(shí)，根據(jù)最不利原則，考慮船舶與航線成45°斜角撞擊橋梁，故順橋向的船撞力可取為橫橋向的倍。

1．2 基于我國(guó)公路橋涵規(guī)范橋墩［3］抗力計(jì)算

對(duì)于淺埋式樁基礎(chǔ)橋墩，橋墩受船舶撞擊時(shí)，主要有以下幾種破壞準(zhǔn)則:(1)橋墩混凝土強(qiáng)度破壞;(2)橋墩剪切破壞;(3)基底承載力超過容許應(yīng)力;(4)基底傾覆破壞;(5)基底滑動(dòng)破壞。

基于以上幾種破壞準(zhǔn)則，可以反算出各種情況下橋墩受船舶撞擊時(shí)的橋墩抗力。

1．3 基于我國(guó)公路橋涵規(guī)范橋墩防撞檢算

通過以上抗力的計(jì)算，可以比較得出各種情況下的最小抗力，將這個(gè)抗力作為橋墩的抗力，與之前計(jì)算的船撞力相比較:

(1)若船撞力小于橋墩抗力，則說明橋墩是安全的;

(2)若船撞力大于橋墩抗力，則說明橋墩有被撞壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2 五強(qiáng)溪沅水大橋橋墩防撞安全性評(píng)價(jià)

2．1 橋墩抗力計(jì)算

按5種破壞準(zhǔn)則，可以計(jì)算得出橋墩水平抗力，沅水大橋計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 沅水大橋橋墩抗力計(jì)算結(jié)果Table 2 Collision resistance of Yuan River Bridge pier kN

由表2可以看出:沅水大橋橋墩抵抗船舶撞擊時(shí)的水平抗力由基底應(yīng)力控制。

2．2 基于我國(guó)規(guī)范橋墩防撞檢算

船撞力可按式(2)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)可按表3選取。

表3 主要船型及計(jì)算參數(shù)Table 3 Type of ship and design condition

因?yàn)橐紤]可能出現(xiàn)的最不利情況，所以，這里取1 800 t船只質(zhì)量為通航的最大船舶質(zhì)量。

橫橋向船撞力計(jì)算:

P=1 800 × 9．81 × 8．44/(9．81 × 0．8)=18 990 kN

順橋向撞擊時(shí)，根據(jù)最不利原則，考慮船舶與航線成45°角撞擊橋梁，故順橋向撞擊力可取為橫橋向的倍，為13 426 kN。

將沅水大橋各墩水平抗力與船撞力進(jìn)行對(duì)比，其檢算結(jié)果如表4所示。

表4 橋墩水平抗力與船撞力比較Table 4 Comparison between pier resistance and collision force kN

由表4可知:基于我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)沅水大橋橋墩防撞進(jìn)行檢算，將1 800 t船舶按漂流物以船舶下行實(shí)際速度計(jì)算撞擊力，則橋墩順橋向水平抗力小于船舶作為漂流物的撞擊力，橋墩是不安全的。

3 沅水大橋防撞基礎(chǔ)加固方案

由上文計(jì)算可知，五強(qiáng)溪沅水大橋基底應(yīng)力不足，故考慮采用擴(kuò)大基礎(chǔ)法加固。如下圖3所示在樁基底部往上2．5 m范圍內(nèi)設(shè)立鋼圍堰，然后澆筑C30混凝土，以達(dá)到擴(kuò)大基礎(chǔ)減小基底壓力的目的。這樣橋梁就從整體上有了保證。加固設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

擴(kuò)大基礎(chǔ)法是目前舊橋加固方法中一種比較普遍的方法，在這個(gè)體系中涉及到新老混凝土共同作用的問題。舊基礎(chǔ)是老混凝土，由于舊基礎(chǔ)承載力不夠，故需要擴(kuò)大基礎(chǔ)來加固，加固部分是現(xiàn)澆的新混凝土。這樣新老混凝土之間就存在一個(gè)問題，即新老混凝土能否完全粘結(jié)在一起共同作用?

圖3 基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)圖Fig．3 Strengthening project of foundation

人們對(duì)新老混凝土粘結(jié)機(jī)理的研究較少，這方面的初步研究主要是:(1)界面抗剪機(jī)理研究;(2)從斷裂力學(xué)理論和材料微觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)新老混凝土粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行研究。在實(shí)際工程中，一般規(guī)定新老混凝土界面不允許傳遞剪力。如《瑞典混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》規(guī)定:除非界面處有鋼筋或有壓力作用，否則疊合結(jié)構(gòu)的界面不允許傳遞剪力。疊合構(gòu)件可以是由預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分疊合而成，或由不同時(shí)澆筑的的兩部分現(xiàn)澆混凝土疊合而成［4］。

新老混凝土在結(jié)合面上發(fā)生的破壞主要是由于垂直于結(jié)合面的拉應(yīng)力過大產(chǎn)生的結(jié)合面張開破壞，以及平行于結(jié)合面的剪應(yīng)力過大產(chǎn)生的沿結(jié)合面滑動(dòng)剪切破壞，或二者兼而有之［5－6］。新老混凝土粘結(jié)層在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，受到的兩種典型作用是拉剪作用與壓剪作用，此時(shí)粘結(jié)層的拉剪強(qiáng)度與壓剪強(qiáng)度就成為控制指標(biāo)［7］。新老混凝土粘結(jié)層在拉剪與壓剪作用下的強(qiáng)度如何變化，目前還不很清楚。因此，目前用于新老混凝土粘結(jié)性能測(cè)試的試驗(yàn)方法主要是對(duì)抗拉性能、抗剪性能、抗拉剪性能及抗壓剪性能的測(cè)試。

對(duì)于整體混凝土，國(guó)外 Bresler［8］采用空心薄壁圓筒試片得到剪應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ在破壞時(shí)的相應(yīng)關(guān)系為:

式中:fc為混凝土抗壓強(qiáng)度;σ為正應(yīng)力;τ為剪切應(yīng)力。

對(duì)于新老混凝土粘結(jié)層復(fù)雜應(yīng)力關(guān)系，我國(guó)學(xué)者劉健對(duì)新老混凝土的粘結(jié)面在壓剪及拉剪復(fù)合受力狀態(tài)下的強(qiáng)度性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到新老混凝土粘結(jié)的拉、壓剪破壞強(qiáng)度公式［9］。

壓剪復(fù)合受力狀態(tài)下的強(qiáng)度破壞公式:

式中:τ1為壓剪受力下峰值剪應(yīng)力(MPa);σ1為壓應(yīng)力(Mpa);H為灌砂平均深度(即粗糙度)(mm);fca為(fcu，0+fcu，n)× 0．67/2(MPa);fcu，0為老混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(MPa);fcu，n為新混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)。拉剪復(fù)合受力狀態(tài)下的強(qiáng)度破壞公式:

式中:τ2為拉剪受力下峰值剪應(yīng)力(MPa);σ2為拉應(yīng)力(MPa);H為灌砂平均深度(即粗糙度)(mm)。

3．1 沅水大橋基礎(chǔ)加固模型建立和分析

由于恒載屬于既有的力，故恒載將完全由舊基礎(chǔ)來承擔(dān)。而活載則由新舊基礎(chǔ)共同承擔(dān)，并分兩種情況討論:(1)按新老混凝土接觸面完全粘結(jié)共同工作考慮建立計(jì)算模型;(2)按新老混凝土接觸面滑動(dòng)考慮建立計(jì)算模型，建模時(shí)接觸滑動(dòng)面利用CONTACT單元［10］來模擬的，即接觸面上只傳遞法向力，而不傳遞切向力。

為減少計(jì)算節(jié)點(diǎn)與單元總數(shù)，將承臺(tái)、舊樁基基礎(chǔ)以及新澆注混凝土基礎(chǔ)從整體模型中分離出來，考慮正常使用組合中汽車人群活載與船撞力共同作用下產(chǎn)生的內(nèi)力等效作用在承臺(tái)頂面，建立三維實(shí)體單元模型進(jìn)行局部分析。原有樁基礎(chǔ)在恒載作用下的計(jì)算模型與加固后基礎(chǔ)在活載與船撞力共同作用下的計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 原基礎(chǔ)與加固基礎(chǔ)計(jì)算模型圖Fig．4 Calculation model of primary foundation and reinforced drawing of foundation

基底應(yīng)力最終結(jié)果效應(yīng)為:(1)舊結(jié)構(gòu)恒載作用下應(yīng)力+新老混凝土接面完全粘結(jié)共同工作模型活載與船撞力作用下應(yīng)力;(2)舊結(jié)構(gòu)恒載作用下應(yīng)力+考慮新老混凝土接觸面滑動(dòng)模型活載與船撞力作用下應(yīng)力。船撞力按1 800 t船舶撞擊作用，根據(jù)地質(zhì)條件基底允許承載力取值為1．5 MPa。

3．2 沅水大橋基礎(chǔ)加固模型計(jì)算結(jié)果分析

為了方便比較，取其中一些關(guān)鍵點(diǎn)來檢算，基底關(guān)鍵點(diǎn)示意圖如圖5和圖6所示。

圖5 基底截面應(yīng)力取值關(guān)鍵點(diǎn)示意圖Fig．5 Section stress key position of the foundation bottom

圖6 粘結(jié)面上應(yīng)力取值關(guān)鍵點(diǎn)示意圖Fig．6 Stress key position of the bonding

3．2．1 新老混凝土完全粘結(jié)分析

考慮新老混凝土完全粘結(jié)共同工作的情況下，可以通過比較完全粘結(jié)情況下接觸面的剪切應(yīng)力和新舊混凝土正常情況下的黏結(jié)力來判斷新老混凝土是否能完全黏結(jié)共同工作。

新老混凝土的粘結(jié)力τ可以參考Bresle［8］空心薄壁圓筒試件理論來計(jì)算，其計(jì)算公式如式(3)所示。

據(jù)此，即可根據(jù)新老混凝土接觸面上節(jié)點(diǎn)豎向剪應(yīng)力及其法向正應(yīng)力，計(jì)算其黏結(jié)力，并可根據(jù)黏結(jié)力來判斷新老混凝土是否能完全黏結(jié)共同工作，其計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 新舊基礎(chǔ)接觸面上應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 5 Stress results of the foundation bonding

從表2可見:基礎(chǔ)新老混凝土接觸面剪應(yīng)力均小于黏結(jié)力，可滿足完全粘結(jié)模型的計(jì)算要求。

3．2．2 加固基礎(chǔ)基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

恒載作用下原樁基基底關(guān)鍵點(diǎn)處應(yīng)力、分別按新老混凝土完全粘結(jié)及滑動(dòng)接觸面計(jì)算所得的正常使用組合中汽車人群活載與船撞力共同作用下基底應(yīng)力如表6所示。

表6 基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 6 Stress results of the foundation bottom

基底允許承載力取值為1．5 MPa，由表5可以看出:不論是新老混凝土接觸面完全黏結(jié)模型還是滑動(dòng)模型，基底應(yīng)力均滿足要求。

4 結(jié)論

(1)基于我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)五強(qiáng)溪沅水大橋淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋進(jìn)行了橋墩防撞檢算，該橋的基底應(yīng)力不能滿足防撞要求。

(2)采用三維實(shí)體單元建立了五強(qiáng)溪沅水大橋經(jīng)過加固后的基礎(chǔ)分析計(jì)算模型，按照基礎(chǔ)加固后新老混凝土接觸面完全粘結(jié)共同工作建立計(jì)算模型計(jì)算得到的基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求，同時(shí)對(duì)粘結(jié)面采用Bresler空心薄壁圓筒試件理論公式來驗(yàn)證粘結(jié)面是否可靠，結(jié)果顯示粘結(jié)面不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

(3)按照極端情況，即基礎(chǔ)加固后新老混凝土接觸面滑動(dòng)，得出基底最大應(yīng)力為1．34 MPa，較前面一種情況有所增大，但仍滿足規(guī)范要求。

(4)該橋的防撞基礎(chǔ)加固方案是可行的，亦可供同類橋梁加固參考。

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