鋼管樁防撞墩設計及參數分析

陳健鋒

(廣州市交通設計研究院有限公司,廣東 廣州 510600)

跨航道橋梁是鐵路、公路、城市道路、水路等交通運輸通道的咽喉節點,但是近年來,伴隨著航運的發展,國內外船撞橋梁事件日趨增多,船撞問題已經對橋梁運營安全及航運安全造成嚴重威脅[1]。因此,如何更有效地預防船撞事故的發生或減輕事故造成的損失,避免給社會生產帶來不必要的影響,對橋梁及其防撞設施展開進一步研究是非常必要的?，F階段,橋梁防撞設施包括主動防撞設施和被動防撞設施,其中被動防撞設施包括了防撞墩、沙島、防撞套箱[2-6]。

國內外學者對橋墩防撞措施進行了相關研究[5-7]。Ehlers等[8]通過有限元及試驗相結合,研究了鋼結構的防撞能力。王召兵[9]以北江航道整治工程為背景,通過Abaqus有限元軟件對不同樁基數量的防撞墩進行驗算模擬,并在此基礎上提出了集中式防撞群樁、圍欄式防撞群樁、浮式水上升降式防撞浮帶與防撞浮式套箱等四種防撞優化方案。于洋[10]采用Abaqus有限元軟件對CFRP鋼管樁防撞墩進行可行性分析,結果表明此種結構相比于普通鋼筋混凝土防撞墩臺具有更加良好的抗沖擊能力。張新[11]采用midas Civil對直線型連接、三角形連接以及矩形連接的鋼管樁進行抗撞分析,指出三種連接形式的防撞墩都能滿足抗撞要求。馬志敏等[12]通過Ansys有限元軟件分析了多個不同撞擊點下鋼管防撞墩的受力性能情況,得出減少系桿跨度、增加節點剛度可以有效減小結構應力,從而提高結構的抗撞能力。關莎莎[13]根據實際工程采用有限元軟件midas GTS NX分析了新建獨立防撞墩對周邊的施工影響。郁嘉誠等[14]提出了隔離墩與自浮結構相結合的新型防撞結構,并且通過midas Civil以及Ansys/LS-DYNA有限元軟件分析計算,確認該防撞結構相比于單獨設置獨立防撞墩具有更有效的防撞保護效果。

可見,現階段獨立防撞墩由于其造價成本相對更大,施工難度更大,有關獨立防撞墩的研究仍不夠深入,對于不同結構參數的鋼管樁的防撞效果研究仍然相對較少,因此以大石大橋鋼管樁防撞墩方案設計為基礎,考慮樁間距、鋼管壁厚、系梁尺寸以及系梁數量等參數,采用midas Civil軟件以及相關規范進行分析計算,驗證及探討不同結構形式的鋼管樁防撞墩的防撞效果。

1 工程概況

大石大橋全長為455.5 m,現狀航道等級為VI(6)級,為單孔雙向通航,設計最高通航水位2.944 m(85高程),設計最低通航水位為-0.55 m(85高程),通航凈寬為55.9 m,通航凈高為7 m,典型代表船舶為500 t船舶。

由于該橋為重要航道上已有一定年代的舊橋,其橋墩自身已遠不能滿足現狀的防船撞要求,因此,采用設置獨立式防撞墩的形式,可以與舊橋橋墩完全隔離,盡量避免船舶直接撞擊橋梁下部結構,同時考慮在船撞過程中,需要保護船舶人員的人身安全,故防撞墩結構采用相對柔性的結構。最終防撞墩結構擬定采用三角形連接的鋼管混凝土防撞墩。

防撞墩采用端承樁設計,樁底深入巖層3倍樁徑,樁頂距離最高通航水位3 m。鋼管內徑為2 m,壁厚20 mm,為Q235鋼材;內部填充的混凝土等級為C30,同時配置42根C32縱筋,鋼筋等級為HRB400;系梁材料為Q355B。

2 有限元模擬分析

2.1 船撞動力荷載計算

根據《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T 3360-02-2020)[15],船舶撞擊力時程F(τ)按下列公式確定。

(1)

(0<τ<1)

(2)

(3)

(4)

α2=[(A-2B)τc+τcη(2A-1)+(B-A2)]/

(5)

(6)

式中:I0為初始動量,MN·s;f(τ)為無量綱撞擊力-時間參數;τ=t/T,無量綱撞擊力時刻;T為撞擊力持續時間,s;t為撞擊力時刻,s;τC、η均為統計量參數。

對于500 t船舶,撞擊力-時間參數可按下列公式確定

(7)

式中:a為常系數,根據《公路橋梁抗撞設計規范》取值為0.6;M為載排水量,t,取值為797 t;V為撞擊速度,m/s,可根據《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T 3360-02-2020)計算所得,取值4.02 m/s。

通過計算,橫橋向撞擊和順橋向撞擊的船舶撞擊力如圖1所示。

圖1 船舶撞擊力

2.2 幾何模型建立

采用midas Civil 2021建立有限元模型,模型共117個節點、123個單元。幾何模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

在撞擊力作用下,樁基側向主要受土擠壓約束,因此側向約束模擬尤為關鍵,本模型側向約束根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363-2019)[16]計算得到的土彈簧參數進行模擬。動力計算中需要考慮瑞利阻尼,根據《公路橋梁抗撞設計規范》,結構阻尼比取3%。船舶撞擊點為最高通航水位以上2 m位置。

2.3 計算結果分析

利用非線性截面計算軟件Xtract對防撞墩進行截面計算, 得出單根鋼管樁的等效屈服彎矩、 屈服曲率以及塑性轉角,最終的內力和彎曲變形的驗算結果如表1、表2所示?？梢?獨立式防撞墩的能需比較為充裕,其抗撞性能滿足要求。

表1 獨立式防撞墩內力驗算結果

表2 獨立式防撞墩彎曲變形驗算結果

3 參數分析

為了深入探討三角形布置的鋼管防撞墩的力學性能,在原方案的基礎上,考慮了以下4種關鍵參數:樁間距;鋼管壁厚;系梁尺寸;系梁數量。以橫橋向撞擊為例,分析對比不同參數下的抗船撞效果。表3為不同參數時橫橋向撞擊下的計算結果。

表3 有限元計算結果

3.1 樁間距

樁間距設置為4.5、4.8(原方案)、5.5、6.5 m。從表3分析可得:隨著樁間距的增加,會導致土彈簧剛度有所提升,同時群樁中各樁之間的相互影響越來越小,橫橋向撞擊下的防撞墩最大彎矩會有所提高,但整體變化幅度并不大,其中最大彎矩所對應的軸力(拉力)會有所降低,其降低幅度相對更大,從而導致在該軸力下的結構等效屈服彎矩有所提升,最終結構能需比有所增加。圖3為不同樁間距對結構轉角的影響,可以看出,隨著樁間距的增大,轉角接近線性減小。綜上,樁間距的適當增大對防撞墩的受力以及變形有利,因此,在實際工程中,兼顧樁基對河道影響以及地下管線的約束,可以適當增大樁基的間距。

圖3 樁間距對計算轉角的影響

3.2 鋼管壁厚

鋼管作為主要的受力構件,在撞擊作用下,鋼管提供了足夠的彎曲變形能力,因此鋼管厚度的選擇尤為重要。

從表3可知,鋼管壁厚分別為18、20(原方案)、22、24 mm的防撞墩的承載能力有著明顯的區別。在相同情況下,20、22、24 mm的防撞墩能需比相較于18 mm的分別提升了11%、23%、34%。圖4為鋼管壁厚對防撞墩轉角的影響,可以看出,防撞墩的轉角變形與鋼管壁厚成反比關系。因此,隨著鋼管壁厚的提升,防撞墩的防撞效果有明顯提升。

圖4 鋼管壁厚對計算轉角的影響

3.3 系桿因素

系桿作為鋼管之間的聯系構件,是群樁之間的傳力構件,一旦其發生破壞,各樁之間就會失去聯系,因此即使作為防撞墩的次要受力構件,也起到重要作用。因此,將系桿直徑分別設置為80、100、120、140 cm;系桿數量分別設置為2、3、4、5層,對防撞墩進行分析。

從表3可知,D80系桿、D120系桿、D140系桿的最大應力分別為365、255、207 MPa,相較于D100系桿(原方案),應力分別減少了-16.6%、18.5%、33.9%,其中的D80防撞墩應力已經超過355 MPa,已達到鋼材的屈服強度,因此增大系桿尺寸可以有效降低系桿應力水平。從表3、圖5可知,增大系桿尺寸,防撞墩抗彎能需比有所提升,轉角變形也會有所減小,即結構彎曲變形能力有所提升。

圖5 系桿尺寸對計算轉角的影響

設置2、4、5層系桿的防撞墩系桿最大應力分別為365、274、241 MPa。相較于3層系桿(原方案),應力分別減少了-16.6%、12.5%、23%;從表3、圖6可知,增加系桿布置層數,即增加系桿數量,可以減少單根系桿所承受的外力荷載,同時各樁基之間的聯系更為緊密,整體的結構剛度也有所提升,樁基的最大彎矩會有所降低,最終防撞墩受力性能得到的改善。

圖6 系桿數量對計算轉角的影響

綜上所述,增大系梁尺寸、增加系梁數量都對防撞墩受力有著明顯的改善作用,但是在相同情況下,增加系梁的層數會比增大系梁尺寸的用鋼量更大,而系桿應力水平相比降低更少,而鋼管樁的抗彎能需比提升幅度接近。因此,考慮造價成本以及施工焊接難度等因素,應優先考慮采用增大系梁尺寸的方法來改善防撞墩的受力問題。

4 結 論

依托大石大橋,開展了三角形布置的鋼管樁防撞墩的有限元分析研究,分析了該結構的彎曲變形性能以及抗剪能力,并綜合分析樁間距、鋼管壁厚、系梁尺寸以及數量的影響,得到以下結論。

(1)所設計的防撞墩結構具有良好的彎曲變形能力,能滿足抗船撞承載力要求,能為大橋提供有效的防撞保護。

(2)樁間距、鋼管樁壁厚的增大以及系梁尺寸及數量的增加都能對防撞墩彎曲變形性能有提升效果,其中鋼管樁壁厚的提升更有利于改善結構的受力性能,其次是系梁的尺寸及數量。系梁尺寸的增加相比于系梁數量的增加更有利于降低系梁的應力水平。在工程實際應用中,建議在綜合考慮成本以及施工難度的基礎上,選用合適的方法來提高抗船撞能力。