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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

文档作者：吴超李德建宁夏元胡先春文档来源： 1．湖南省交通科学研究院 2．中南大学土木工程学院		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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第lO卷第1期
2013年2月
铁道科学与工程学报
JoU只NAL OF只AILWAY SClENCE AND ENGINEERING
Vo1．1O N0．1
Feb．2013
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410005；2．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)
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：U443．22 文献标志码：A 文章编号：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。
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：2012—11一O1
基金项目：湖南省交通科技计划项目(201005)
作者简介：吴超(1973一)，男，湖南湘阴人，工程师，从事道路与桥梁研究
24 铁道科学与工程学报 2013年2月
该桥系钢筋混凝土装配式箱拱桥，设计荷载为汽一
20级，人群3．5 kN／m ，中跨净跨径130 m，为等截
面悬链线拱，两边跨净跨径70 ITI，全长331 1TI，桥面
净宽净(9+2×2)m，桥墩为20×7 m圆端型实体
桥墩，基础为2根直径为9 ITI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1 500 kPa。桥梁总体布置见图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Ⅳ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6 890艘，货船最大总吨位为1 800 t，船只
航行速度约为16 km／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
Fig．1 General arrangement drawing of reinforced concrete
arch bridge with shallow —buried piles
(a)立面；(b)侧面；(c)平面
图2 下部结构布置图
Fig．2 Substructure plan
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JTGD 60—2004(《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 = ㈩
式中： 为漂流物重力(kN)，应根据河流中漂流物
情况，按实际调查确定； 为水流速度(nr／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，lg=9．81／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
Table 1 Characteristic value of rival ship collision
JP一： g?1 (二2，)
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45。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)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
Table 2 Collision resistance of Yuan River Bridge pier 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 25
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。
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
Table 3 Type of ship and design condition
因为要考虑可能出现的最不利情况，所以，这
里取1 800 t船只质量为通航的最大船舶质量。
横桥向船撞力计算：
P =1 800×9．81×8．44／(9．81×0．8)=18 990
kN
顺桥向撞击时，根据最不利原则，考虑船舶与
航线成45。角撞击桥梁，故顺桥向撞击力可取为横
桥向的A-／2倍，为13 426 kN。
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
Table 4 Comparison between pier resistance and collision force
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1 800 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
C30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起共同作用?
人们对新老混凝土粘结机理的研究较少，这方
面的初步研究主要是：(1)界面抗剪机理研究；(2)
塞秘 m 基
图3 基础加固设计图
Fig．3 Strengthening project of foundation
从断裂力学理论和材料微观结构角度对新老混凝土
粘结机理进行研究。在实际工程中，一般规定新老
混凝土界面不允许传递剪力。如《瑞典混凝土结构
规程》规定：除非界面处有钢筋或有压力作用，否则
叠合结构的界面不允许传递剪力。叠合构件可以是
由预制部分和现浇部分叠合而成，或由不同时浇筑
的的两部分现浇混凝土叠合而成 。
新老混凝土在结合面上发生的破坏主要是由
于垂直于结合面的拉应力过大产生的结合面张开
破坏，以及平行于结合面的剪应力过大产生的沿结
合面滑动剪切破坏，或二者兼而有之 。新老混
凝土粘结层在复杂应力状态下，受到的两种典型作
用是拉剪作用与压剪作用，此时粘结层的拉剪强度
与压剪强度就成为控制指标 J。新老混凝土粘结
层在拉剪与压剪作用下的强度如何变化，目前还不
很清楚。因此，目前用于新老混凝土粘结性能测试
的试验方法主要是对抗拉性能、抗剪性能、抗拉剪
性能及抗压剪性能的测试。
对于整体混凝土，国外Bresler 采用空心薄
壁圆筒试片得到剪应力 和正应力or在破坏时的
相应关系为：
~x／O．008 9+0·089( )一0·108( )
(3)
式中 为混凝土抗压强度；or为正应力； 为剪切
应力。
对于新老混凝土粘结层复杂应力关系，我国学
者刘健对新老混凝土的粘结面在压剪及拉剪复合
受力状态下的强度性能进行试验研究，并通过试验
数据统计分析得到新老混凝土粘结的拉、压剪破坏
强度公式 。
压剪复合受力状态下的强度破坏公式：
= 0．072 6+2·06( )_2·47( ) +
J cⅡ J C0 J cⅡ
0．005 5H +0．092( (4)
式中：r 为压剪受力下峰值剪应力(MPa)；or 为
压应力(Mpa)；H为灌砂平均深度(即粗糙度)
铁道科学与工程学报 2013年2月
(mm)； 为( + ， )X0．67／2(MPa)； 为
老混凝土立方体抗压强度(MPa)； ⋯ 为新混凝土
立方体抗压强度(MPa)。拉剪复合受力状态下的
强度破坏公式：
7"2
=0．065 5—10．28( ) +0．004 7H (5)
j-ctl J ca
式中： 为拉剪受力下峰值剪应力(MPa)；or：为
拉应力(MPa)；H为灌砂平均深度(即粗糙度)
(mm)。
3．1 沅水大桥基础加固模型建立和分析
由于恒载属于既有的力，故恒载将完全由旧基
础来承担。而活载则由新旧基础共同承担，并分两
种情况讨论：(1)按新老混凝土接触面完全粘结共
同工作考虑建立计算模型；(2)按新老混凝土接触
面滑动考虑建立计算模型，建模时接触滑动面利用
CONTACT单元_】。。来模拟的，即接触面上只传递法
向力，而不传递切向力。
为减少计算节点与单元总数，将承台、旧桩基
基础以及新浇注混凝土基础从整体模型中分离出
来，考虑正常使用组合中汽车人群活载与船撞力共
同作用下产生的内力等效作用在承台顶面，建立三
维实体单元模型进行局部分析。原有桩基础在恒
载作用下的计算模型与加固后基础在活载与船撞
力共同作用下的计算模型如图4所示。
一一
图4 原基础与加固基础计算模型图
Fig．4 Calculation model of primary ~undation and reinforced
drawing of foundation
基底应力最终结果效应为：(1)旧结构恒载作
用下应力+新老混凝土接面完全粘结共同工作模
型活载与船撞力作用下应力；(2)旧结构恒载作用
下应力+考虑新老混凝土接触面滑动模型活载与
船撞力作用下应力。船撞力按1 800 t船舶撞击作
用，根据地质条件基底允许承载力取值为1．5
MPa。
3．2 沅水大桥基础加固模型计算结果分析
为了方便比较，取其中一些关键点来检算，基
底关键点示意图如图5和图6所示。
8
图5 基底截面应力取值关键点示意图
Fig．5 Section stress key position of the~undation bottom
。H ’ ’ 。H ’ _ H 一—’ ’ _ ’。’ _ _ 一— ’ 。’ 。’ 。’ ’ ’ 。’ 一‘
Lr⋯⋯一～ 一⋯r一 ⋯ 一⋯一，一一
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图6 粘结面上应力取值关键点示意图
Fig．6 Stress key position of the bonding
3．2．1 新老混凝土完全粘结分析
考虑新老混凝土完全粘结共同工作的情况下，
可以通过比较完全粘结情况下接触面的剪切应力
和新旧混凝土正常情况下的黏结力来判断新老混
凝土是否能完全黏结共同工作。
新老混凝土的粘结力 可以参考Breslel8 空
心薄壁圆筒试件理论来计算，其计算公式如式(3)
所示。
据此，即可根据新老混凝土接触面上节点竖向
剪应力及其法向正应力，计算其黏结力，并可根据
黏结力来判断新老混凝土是否能完全黏结共同工
作，其计算结果如表5所示。
表5 新旧基础接触面上应力计算结果
Table 5 Stress results of the~undation bonding
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 27
从表2可见：基础新老混凝土接触面剪应力均
小于黏结力，可满足完全粘结模型的计算要求。
3．2．2 加固基础基底应力计算结果
恒载作用下原桩基基底关键点处应力、分别按
新老混凝土完全粘结及滑动接触面计算所得的正
常使用组合中汽车人群活载与船撞力共同作用下
基底应力如表6所示。
表6 基底应力计算结果
Table 6 Stress results of the foundation bottom
基底允许承载力取值为1．5 MPa，由表5可以
看出：不论是新老混凝土接触面完全黏结模型还是
滑动模型，基底应力均满足要求。
4 结论
(1)基于我国公路桥涵设计规范对五强溪沅
水大桥浅埋式桩基础钢筋混凝土拱桥进行了桥墩
防撞检算，该桥的基底应力不能满足防撞要求。
(2)采用三维实体单元建立了五强溪沅水大
桥经过加固后的基础分析计算模型，按照基础加固
后新老混凝土接触面完全粘结共同工作建立计算
模型计算得到的基底应力满足规范要求，同时对粘
结面采用Bresler空心薄壁圆筒试件理论公式来验
证粘结面是否可靠，结果显示粘结面不会发生剪切
破坏。
(3)按照极端情况，即基础加固后新老混凝土
接触面滑动，得出基底最大应力为1．34 MPa，较前
面一种情况有所增大，但仍满足规范要求。
(4)该桥的防撞基础加固方案是可行的，亦可
供同类桥梁加固参考。
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