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淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋橋墩防撞安全性評(píng)價(jià)與加固技術(shù)研究

文檔作者：吳超李德建寧夏元胡先春文檔來源： 1．湖南省交通科學(xué)研究院 2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月19日
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第lO卷第1期
2013年2月
鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)
JoU只NAL OF只AILWAY SClENCE AND ENGINEERING
Vo1．1O N0．1
Feb．2013
淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋橋墩
防撞安全性評(píng)價(jià)與加固技術(shù)研究
吳超’，李德建 。寧夏元 ，胡先春
(1．湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長沙410005；2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)
摘要：以五強(qiáng)溪沅水大橋?yàn)楣こ瘫尘?，針?duì)淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋，提出基于我國公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范橋墩防撞安
全性評(píng)價(jià)方法。通過對(duì)該橋的橋墩防撞安全性評(píng)價(jià)提出了相應(yīng)的橋墩加固方案。采用三維實(shí)體單元來模擬基礎(chǔ)加固后新
老混凝土的共同作用，同時(shí)考慮新老混凝土接觸面按完全粘結(jié)與滑動(dòng)2種情況建立計(jì)算模型，對(duì)橋墩防撞加固方案的可行
性進(jìn)行了研究，亦可供同類橋梁加固參考。
關(guān)鍵詞：橋墩防撞；安全性評(píng)價(jià)；新老混凝土；淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋
中圖分類號(hào)：U443．22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672—7029(2013)O1—0023—05
Pier anti——collision safety evaluation of reinforced concrete arch
bridge with shallow ——buried piles and its strengthening technology research
WU Chao ，LI De-jian ，NING Xia—yuan ，HU Xian．chun
(1．Hunan Communications Research Institute，Changsha 410075，China)
(2．School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)
Abstract：On the background of Yuan River bridge in Wuqiangxi，a method of pier anti—cillision safety evalua—
tion，based on“Highway Bridge Code for Design”，was put forward for reinforced concrete arch bridge with sha1．
1ao—buried piles．On the basis of safety evaluation of Yuan River Bridge pier，a pier strengthening project of
Yuan River Bridge in Wuqiangxi was proposed．In order to simulate the interaction of new and old concrete after
strengthening of foundation，three—dimensional solid elements were adopted，where two situations of the inter—
face between new and old concrete，i．e．，fully bonded or sliding were taken into account．The feasibility of this
pier reinforcement project was studied，which can also provide reference for the similar bridge strengthening engineering．
Key words：pier anti—collision；safety evaluation；young and old concrete；reinforced concrete arch bridge
with shallow ——buried piles
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¨J。
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?
程背景著重研究我國內(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。
收稿日期：2012—11一O1
基金項(xiàng)目：湖南省交通科技計(jì)劃項(xiàng)目(201005)
作者簡介：吳超(1973一)，男，湖南湘陰人，工程師，從事道路與橋梁研究
24 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2013年2月
該橋系鋼筋混凝土裝配式箱拱橋，設(shè)計(jì)荷載為汽一
20級(jí)，人群3．5 kN／m ，中跨凈跨徑130 m，為等截
面懸鏈線拱，兩邊跨凈跨徑70 ITI，全長331 1TI，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 ITI的淺埋式嵌巖樁，樁
長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一五強(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l 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
(a)立面；(b)側(cè)面；(c)平面
圖2 下部結(jié)構(gòu)布置圖
Fig．2 Substructure plan
1 基于我國公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范橋墩
防撞檢算
1．1 基于我國公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范船撞力計(jì)算
我國于JTGD 60—2004(《公路橋涵范設(shè)計(jì)通
用規(guī)范 )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。
P = ㈩
式中： 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； 為水流速度(nr／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1 S；g為重力加速度，lg=9．81／m／s 。
由式(1)可以看出，這個(gè)公式是基于沖量定理
而得出來的?；谑?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
JP一： g?1 (二2，)
式中： ，為水流速度(m／s)； ：為船舶航行速度
(m／s)。撞擊時(shí)間 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√2／2倍。
1．2 基于我國公路橋涵規(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
第1期 吳 超，等：淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋橋墩防撞安全性評(píng)價(jià)與加固技術(shù)研究 25
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A-／2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
由表4可知：基于我國公路橋涵設(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?
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)
塞秘 m 基
圖3 基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)圖
Fig．3 Strengthening project of foundation
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 。
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 。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) J。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試。
對(duì)于整體混凝土，國外Bresler 采用空心薄
壁圓筒試片得到剪應(yīng)力 和正應(yīng)力or在破壞時(shí)的
相應(yīng)關(guān)系為：
~x／O．008 9+0·089( )一0·108( )
(3)
式中 為混凝土抗壓強(qiáng)度；or為正應(yīng)力； 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 。
壓剪復(fù)合受力狀態(tài)下的強(qiáng)度破壞公式：
= 0．072 6+2·06( )_2·47( ) +
J cⅡ J C0 J cⅡ
0．005 5H +0．092( (4)
式中：r 為壓剪受力下峰值剪應(yīng)力(MPa)；or 為
壓應(yīng)力(Mpa)；H為灌砂平均深度(即粗糙度)
鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2013年2月
(mm)； 為( + ， )X0．67／2(MPa)； 為
老混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)； ? 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：
7"2
=0．065 5—10．28( ) +0．004 7H (5)
j-ctl J ca
式中： 為拉剪受力下峰值剪應(yīng)力(MPa)；or：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_】。。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。
一一
圖4 原基礎(chǔ)與加固基礎(chǔ)計(jì)算模型圖
Fig．4 Calculation model of primary ~undation 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。
8
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~undation bottom
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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 可以參考Breslel8 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~undation bonding
第1期 吳 超，等：淺埋式樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土拱橋橋墩防撞安全性評(píng)價(jià)與加固技術(shù)研究 27
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。
參考文獻(xiàn)：
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