浅埋式桩基础钢筋混凝土拱桥桥墩防撞安全性评价与加固技术研究.pdf
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1、第 l O卷第 1期 2 0 1 3年 2月 铁道科学与工程学报 J oU只NAL OF只AI L WAY SCl ENCE AND ENGI NEE RI NG Vo 1 1 O N0 1 F e b2 0 1 3 浅埋式桩基础钢筋混凝 土拱桥桥墩 防撞 安全性评价 与加 固技 术研 究 吴超 , 李德建 。 宁夏元 , 胡先春 ( 1 湖南省交通科学研 究院, 湖南 长沙 4 1 0 0 0 5; 2 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 : 以五 强溪沅水大桥 为工程 背景 , 针 对浅埋 式桩基础钢 筋混凝 土拱桥 , 提 出基于我 国公路桥 涵设计
2、规 范桥 墩 防撞 安 全性评价方法。通过对该桥的桥墩防撞安全性评价提出了相应的桥墩加固方案。采用三维实体单元来模拟基础加固后新 老混凝土的共同作用, 同时考虑新老混凝土接触面按完全粘结与滑动2种情况建立计算模型, 对桥墩防撞加固方案的可行 性进行了研究, 亦可供同类桥梁加固参考。 关键 词 : 桥墩 防撞 ; 安全性评价 ; 新老 混凝 土; 浅埋式桩基础钢 筋混凝 土拱桥 中图分 类号 : U 4 4 3 2 2 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 27 0 2 9 ( 2 0 1 3 ) O 1 0 0 2 3 0 5 Pi e r a n t i c o l l i s i
3、 o n s a f e t y e v a l u a t i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r c h b r i d g e wi t h s h a l l o w b u r i e d p i l e s a n d i t s s t r e n g t h e n i n g t e c h n o l o g y r e s e a r c h WU C h a o , L I D e - j i a n ,N I N G X i a y u a n ,H U X i a n c h u n ( 1 H u n a
4、 n C o mm u n i c a t i o n s R e s e a r c h I n s t i t u t e , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5,C h i n a ) ( 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5, C h i n a ) Abs t r a c t : On t he b a c k g r o u n d o f Yu a n
5、Ri v e r b r i d g e i n W uq i a n g x i ,a me t h o d o f p i e r a n t ic i l l i s i o n s a f e t y e v a l u a t i o n,b a s e d o n“ Hi g h wa y B rid g e C o d e f o r De s i g n ”, wa s p u t f o r w a r d for r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r c h b ri d g e wi t h s h a 1 1 a o b u r
6、 i e d p i l e s O n t h e b a s i s o f s a f e t y e v a l u a t i o n o f Y u a n R i v e r B ri d g e p i e r ,a p i e r s t r e n g t h e n i n g p r o j e c t o f Yu a n Ri v e r Bri d g e i n Wu q i a n g x i wa s p r o p o s e d I n o r d e r t o s i mu l a t e t h e i n t e r a c t i o n o
7、f n e w a n d o l d c o n c r e t e a f t e r s t r e n g t h e n i n g o f f o un d a t i o n,t h r e ed i me n s i o n a l s o l i d e l e me n t s we r e a d o p t e d,wh e r e t wo s i t u a t i o n s o f t h e i nt e r f a c e be t we e n n e w a n d o l d c o n c r e t e, i e , f u l l y b o n
8、 d e d o r s l i d i n g we r e t a ke n i n t o a c c o u n t T he f e a s i b i l i t y o f t h i s p i e r r e i n f o r c e m e n t p r o j e c t w a s s t u d i e d , w h i c h c a n a l s o p r o v i d e r e f e r e n c e fo r t h e s i mi l a r b r i d g e s t r e n g t h e n i n g e n g i -
9、n e e r i n g Ke y wo r d s:p i e r a n t i c o l l i s i o n;s afe t y e v a l ua t i o n;y o un g a n d o l d c o nc r e t e;r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r c h b rid g e wi t h s h a l l o w b u r i e d p i l e s 船舶和桥梁与生俱来即为一对矛盾体 , 桥梁跨 越的江河湖海通常是船舶通行的航道, 当桥梁作为 水上 建筑 物时 , 则很可 能成为 航道 的障碍 物 J
10、 。 置于航道之中的桥墩 , 可能使泥沙淤积 、 河床变迁 , 使航道条件恶化, 增加船舶通行的风险; 船舶在桥 下航行 , 则对桥墩和桥跨结构存在着撞击 的威胁。 由于自然与人为的因素 , 船舶撞击桥梁的事故虽极 力避免而时有发生。本文 以五强溪沅水大桥为工 程背景着重研究我 国内河船舶通航 于桥下 的安全 问题 , 即船舶撞击桥墩问题 , 以及 由此而衍生的旧 桥基础加固问题。湖南省五强溪沅水大桥位于沅 陵县五强溪镇五强 溪 电站附近 的沅 麻公路线上。 收稿 日期: 2 0 1 21 1一 O 1 基金项 目: 湖南省交通科技计划项 目( 2 0 1 0 0 5 ) 作者简介: 吴超(
11、1 9 7 3 一) , 男, 湖南湘阴人, 工程师, 从事道路与桥梁研究 2 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 3年 2月 该桥系钢筋混凝土装配式箱拱桥 , 设计荷载为汽一 2 0级 , 人群 3 5 k N m , 中跨净跨径 1 3 0 m, 为等截 面悬链线拱 , 两边跨净跨径 7 0 I T I , 全长 3 3 1 1T I , 桥面 净宽净 ( 9+ 22 )m, 桥墩为 2 07 m圆端型实体 桥墩 , 基础为 2根直径为 9 IT I 的浅埋式嵌岩桩 , 桩 长7 m, 嵌入千枚岩深度约为 3 m, 基底容许承载力 约为 1 5 0 0 k P a 。桥梁总
12、体布置见图 1 , 桥墩结构见 图 2 。沅水大桥位于沅水 水系毛里湾一五强溪水 电枢纽 的航道上 , 桥区航道属内河 级航道 。沅水 大桥附近航道来往船只多为货船 , 桥下年通过船只 量约为 6 8 9 0艘 , 货船最大总吨位为 1 8 0 0 t , 船只 航行速度约为 1 6 k m h 。由于该 桥桥 址离水电站 大坝太近 , 而船闸与桥下船舶航道方 向错位 , 这样 将增加船撞桥的风险。 图 l 浅埋式桩 基础 钢筋混凝 土拱桥 总体布 置图 F i g 1 G e n e r a l a r r a n g e me n t d r a wi n g o f r e i n f
13、o r c e d c o n c r e t e a r c h b ridg e wi t h s h a l l o w b ur i e d pi l e s ( a ) 立面 ; ( b ) 侧 面; ( c ) 平面 图 2 下部 结构布置图 Fi g 2 S u b s t r u c t u r e p l a n 1 基于我国公路桥涵设计规范桥墩 防撞检算 1 1 基于我国公路桥涵设计规范船撞力计算 我国于 J T G D 6 02 0 0 4 ( 公路桥涵范设计通 用规范 ) 中4 4 2条 , 对 内河船舶撞击作用标准 值作出如表 1的规定 。由表 1 可以看出 : 规范
14、船撞 力标准值是根据航道等级按最大概率船舶 吨位而 给出的 , 其值偏小 , 在实际设计中, 其对桥梁作用影 响很小 , 这 完全低估 了船舶撞击桥 梁的危险。因 此 , 规范还提出漂流物横桥向撞击力标准值可按式 ( 1 ) 计算。 P = 式 中: 为漂流物重力 ( k N) , 应根据河流中漂流物 情况 , 按实际调查确定; 为水流速度 ( n r s ) ; T为 撞击时间( S ) , 应根据实 际资料估计 , 在无 资料 时 可取 1 S; g为重力加速度 , l g=9 8 1 m s 。 由式( 1 ) 可以看出, 这个公式是基于冲量定理 而得出来的。 基 于式 ( 1 )冲量定
15、理原理 , 本文在规 范的基础上 , 提出修正的横桥向船撞力计算公式 : 表 1 内河船舶撞 击作 用标 准值 Tabl e 1 Ch a r a c t e r i s t i c v a l u e o f r i v a l s h i p c o l l i s i o n J P : ( 2 ) 一 g? 1 二, 式中: ,为水 流速 度 ( m s ) ; :为船 舶 航行 速 度 ( m s ) 。 撞击时间 保守取为 0 8 S 。 顺桥 向撞击时, 根据最不利原则 , 考虑船舶与 航线成 4 5 。 斜角撞击桥梁, 故顺桥向的船撞力可取 为横桥向的 2 2倍 。 1 2 基
16、于我国公路桥涵规范桥墩【 3 抗力计算 对于浅埋式桩基础桥墩 , 桥墩受船舶撞击时 , 主要有 以下几种破坏准则 : ( 1 ) 桥墩混凝土强度破 坏; ( 2 ) 桥墩剪切破坏 ; ( 3 ) 基底承载力超过容许应 力; ( 4 ) 基底倾覆破坏 ; ( 5 ) 基底滑动破坏。 基于以上几种破坏准则 , 可以反算出各种情况 下桥墩受船舶撞击时的桥墩抗力。 1 3 基于我国公路桥涵规范桥墩防撞检算 通过以上抗力的计算 , 可以比较得出各种情况 下的最小抗力 , 将这个抗力作为桥墩的抗力, 与之 前计算 的船撞力相比较 : ( 1 ) 若船撞力小于桥墩抗力 , 则说明桥墩是安 全 的 ; ( 2
17、 ) 若船撞力大于桥墩抗力 , 则说明桥墩有被 撞坏的风险。 2 五强溪沅水大桥桥墩防撞安全性 评价 2 1 桥墩抗力计算 按 5种破 坏准则 , 可以计 算得 出桥 墩水平抗 力 , 沅水大桥计算结果如表 2所示。 表 2沅水大桥桥墩抗 力计算结果 Ta bl e 2 Co l l i s i o n r es i s t a n c e o f Yua n Ri v e r Br i d g e p i e r kN 第 1 期 吴 超 , 等: 浅埋式桩基础钢筋混凝土拱桥桥墩防撞安全性评价与加固技术研究 2 5 由表 2可以看出: 沅水大桥桥墩抵抗船舶撞击 时的水平抗力由基底应力控制 。
18、 2 2 基于我国规范桥墩防撞检算 船撞力可按式( 2 ) 进行计算 , 计算参数可按表 3选取。 表 3 主要船型及计算参数 Tab l e 3 Ty p e o f s hi p a n d d e s i g n c o nd i t i o n 因为要考虑可能出现的最不利情况 , 所 以, 这 里取 1 8 0 0 t 船只质量为通航的最大船舶质量。 横桥向船撞力计算 : P = 1 8 0 09 8 18 4 4 ( 9 8 10 8 )= 1 8 9 9 0 kN 顺桥向撞击时 , 根据最不利原则 , 考虑船舶 与 航线成 4 5 。 角撞击桥梁 , 故顺桥 向撞击力可取为横 桥向
19、的A - 2 倍, 为 1 3 4 2 6 k N 。 将沅水大桥各墩水平抗力与船撞力进行对 比, 其检算结果如表 4所示 。 表 4 桥墩水平抗 力与船撞 力比较 Ta bl e 4 Co mp a r i s on b e t we e n p i e r r e s i s t a n c e a n d c o l l i s i o n f o r c e 由表 4可知 : 基于我 国公路桥涵设计规范对沅 水大桥桥墩防撞进行检算 , 将 1 8 0 0 t 船舶按漂流 物以船舶下行实际速度计算撞击力 , 则桥墩顺桥向 水平抗力小于船舶作为漂流物的撞击力 , 桥墩是不 安全的。 3 沅
20、水大桥防撞基础加固方案 由上文计算可知 , 五强溪沅水大桥基底应力不 足 , 故考虑采用扩大基础法加固。如下图 3所示在 桩基底部往上 2 5 m范围内设立钢围堰 , 然后浇筑 C 3 0混凝土 , 以达到扩 大基础减小 基底压 力 的 目 的。这样桥梁就从整体上有了保证 。加固设计方 案 如 图 3所示 。 扩大基础法是 目前旧桥加 固方法 中一种 比较 普遍的方法 , 在这个体系中涉及到新老混凝土共同 作用的问题。旧基础是老混凝土, 由于旧基础承载 力不够 , 故需要扩大基础来加 固, 加 固部分是现浇 的新混凝土。这样新老混凝 土之 间就存在一个 问 题 , 即新老混凝土能否完全粘结在一
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- 浅埋式 桩基础 钢筋混凝土 拱桥 桥墩 安全性 评价 加固 技术研究
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