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摘要：桩基承台式船舶拦阻设施是目前跨海桥梁经常使用的防船撞实施，依据桩基承台抵抗水平撞击力的能力确定防撞等级。本文结合目前的桥梁防船撞研究进展及相关规范，对船舶撞击的产生的水平力进行系统性分析研究，并就桩基承台的水平承载能力计算理论进行梳理，并通过工程背景对上述理论进行计算验证，为相关工程的设计和施工提供参考。
关键词：非通航孔；桩基承台；撞击力；水平承载能力
引言
由于跨海大桥非通航孔桥墩数量多、自身防撞等级低，因此遭受船舶撞击的风险较主通航孔更大，相应防护设施由于保护范围大而必须考虑其经济性。根据文献调研，非通航孔桩基承台式拦阻设施施工难度低、结构简单、造价低廉，因此得到了广泛应用，如舟山朱家尖大桥、台州椒江大桥等。桩基式拦截系统保护了桥梁免受撞击，那其自身遭受船舶撞击就在所难免，因此设计时必须充分考虑其自身有足够的水平抗撞能力。本文结合目前的桥梁防船撞研究进展及相关规范，对桩基承台式桥梁抗船舶撞击拦阻系统的水平抗撞能力进行分析、研究，为相关工程的设计和施工提供参考。
1.船舶撞击力确定
船舶撞击桥梁或防撞设施本质是一个撞击力F随时间t变化的冲击动力学问题，但由于计算方法复杂，从工程应用而言，国内外普遍采用的是将撞击力F看做在撞击过程保持不变的一个“准静态平衡”过程，如我国公路规范、铁路规范、美国AASHTO公式、欧洲统一规范公式，从本质上而言都是基于动能原理或动量原理建立在船撞结构物（刚体或弹性体）整体碰撞的基础上，经若干参数修正的半经验公式。我国《公路桥梁抗撞防撞设计指南》基于我国10艘代表性船舶（500DWT-50000DWT）的船撞动态时间过程数据的数理统计的桥梁撞击力公式：
式中 M—船舶总质量（t）；V—水流流速（m/s）；CM—附连水质量系数；η、γ—系数。
从公式中可以看出，要求得撞击力，要确定的参量为：撞击物的重力（质量），撞击速度。
1.1撞击船舶的确定
对桥梁防撞工程的撞击船舶的选择，美国《公路桥梁船舶撞击设计指导规范及评述》还是我哥《公路桥梁抗撞防撞设计指南》都采用了概率分析、经验公式等方法来确定桥梁设防船舶的等级及及相应的重力。
1.2撞击速度
实际船舶撞击桥墩或拦阻设施的情况多种多样，从设计依据而言，业内普遍还是采用的是美国AASHTO《公路桥梁船撞设计指南》的船舶撞击速度计算方法：认为船舶的设计撞击速度是根据船舶在航道内的正常行驶速度、航道中心线距桥墩的距离及船长来确定的：在航道涨潮范围内，船舶以正常航速行驶；在航道中心线3倍船长之外时，以水流速度漂流，水流速度取航道所处的多年平均流速确定Vmin；在此两者之间的区域，设计船速按线性内插确定。
1.3撞击力
虽然得到船舶吨位、船速及撞击时间后，撞击力可以按规范的公式确定，但各规范公式计算的结果相差较大。因此除给出计算公式外，各相关规范还结合试验或经验直接给出了桥梁设防船撞力的大小经验取值。如我国《公路桥梁抗撞防撞设计指南》给出的防船撞力经验取值如图1所示。
表1 船舶设防船撞力经验取值（MN）
2桩基承台的水平承载能力计算理论
2.1单桩承载力
在水平荷载作用下，桩身产生挠曲变形，变形的形式与桩和地基的刚度有关。桩的水平力计算理论是把承受水平荷载的桩视作弹性地基（由水平向弹簧组成）中的竖直梁，通过求解梁的挠曲微分方程来计算桩身的弯矩和剪力以及桩的水平承载力。其中地基水平抗力系数的分布和大小，将直接影响挠曲微分方程的求解和桩身截面内力的变化。各种计算理论假定的对地基刚度分布图式不同。较为常用的是m法和c值法，实测资料表明：m法（当桩的水平位移较大时）和c值法（当桩的水平位移较小时）比较接近实际。我国港口桩基规范规定当有经验时也可采用假想嵌固点法计算，假想嵌固点位置为：t=η·T（t—受弯嵌固点距泥面深度；T—桩的相对刚度特征值；η—系数）。
2.2桩基承台
对于有承台的水中桩基而言，由于桩头嵌固在承台中，能够显著提高桩基的水平承载力，增加抵抗水平变形的能力。试验表明与单桩相比，二桩承台水平极限荷载为单桩的295%~338%，即提高了47％~69%。
3桩基承台的水平承载力计算
3.1工程背景
某跨海大桥，通航等级为500吨级，通航净高21米，通航净宽135米；主桥为大跨径预应力混凝土连续箱梁，引桥为先简支后连续预应力混凝土T梁。主桥通航孔按通航500吨级设计，为避免主墩受船舶撞击，在主墩上下游设置4座防撞墩台。防撞墩台由三根D180钢桩基础，上设直径8m、厚3m的钢筋混凝土承台。承台采用C35混凝土。桩基采用厚度为1.8cm，直径1.8m的Q235钢桩，桩身斜度为1：8；桩长50m，水深10m，基础层次从上往下依次为：可冲刷淤泥层（约2m）、海相卵砾石（约8m）、冲洪积粘土（约10m）、坡洪积-残坡积粘土（约20m）、基岩。
3.2模型建立
按港口桩基规范规定的2种方法分别计算桩基水平承载力：（1）假想嵌固点法；（2）m法。采用有限元建立防撞设施的模型，将桩基、承台均建立为空间梁单元。根据实际参数计算结果设置对应的边界条件；根据通航等级，采取500吨级多用途船舶作为代表船型，航速按4m/s考虑，船舶撞击水平力按3100kN设定。
3.3数值计算及比较
根据计算结果绘制桩基在撞击力作用下，假想嵌固点法和m法计算得到的桩身变形计弯矩图，如图1、2所示。
（1）假想嵌固点模型（2）m法模型
图3 桩身最大组合应力
从图中可知，m法计算得到的桩顶位移要大于嵌固点法计算值，但弯矩略小于嵌固法计算值。将自重和水平撞击力按基本组合（系数均为1），得到2种计算方法的桩身最大组合应力分布，如图3所示，最大拉应力均在桩顶，其中嵌固点法为185.3MPa，m法为160.9MPa，均小于材料18mm厚Q235钢管的抗拉强度205Mpa。说明结构的选择能满足设计要求，如果考虑桩塞及承台的作用，则结构整体具备一定的安全储备。
4 结语
本文针对桩基承台型船舶拦阻设施的水平承载力计算从理论上进行了梳理，并通过实际工程计算了桩基承台受水平撞击力产生的弯矩及位移，其中m法与假想嵌固点法计算的弯矩值较为接近，而位移大于假想嵌固点法。但上述2种方法计算得到的桩身应力均未超过材料的强度。
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论文作者:徐建武
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/14
标签：桩基论文; 船舶论文; 水平论文; 桥梁论文; 承载力论文; 弯矩论文; 假想论文; 《防护工程》2018年第36期论文;