某橋受船舶撞擊受力行為影響分析

胡曉勇，劉菊玖

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060）

0 前言

我國現(xiàn)有五千余座公路與鐵路大橋，橋墩經(jīng)常被船只撞擊，造成橋梁結(jié)構(gòu)損傷[1]。為提高橋梁在受船舶撞擊力作用下的安全性，并降低橋梁的建造和維護(hù)成本，工程技術(shù)人員需要較為準(zhǔn)確地計(jì)算評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)受船舶撞擊力后的損傷情況，作為設(shè)計(jì)與維護(hù)決策的依據(jù)[2]。

本文采用某預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋受船舶撞擊工程實(shí)例，分別采用簡化模型、空間桿系有限元計(jì)算分析模型、空間實(shí)體有限元計(jì)算分析模型等三種計(jì)算模型分別評(píng)定船舶撞擊對(duì)該橋受力行為的影響，排查隱患，為下一步是否需要對(duì)該橋梁加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 橋梁概況

某橋跨徑組成為：12×16 m（簡支T梁）+4×35 m（工字簡支梁）+12×16 m（簡支 T梁），橋梁全長529.74 m，橋?qū)?7.4 m；樁基礎(chǔ)分為兩種形式、三種規(guī)格，其中：0#、28#臺(tái)及12#～16#、19#橋墩采 用 Φ150 cm 鉆 孔 灌 注 樁 ；4#、5#、9#～11#、17#～18#、20#～27#墩采用 Φ120 cm鉆孔灌注樁；1#～3#、6#～8#采用Φ50 cm PHC高強(qiáng)管樁。該橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車-超20級(jí)、掛車-120。該橋概貌如圖1所示。該橋橋墩設(shè)敷管桁架，將兩根Φ480熱力蒸汽管道置于桁架上。

2010年6月11日該橋13#～14#橋跨受大型船只碰撞，致使蒸汽管及保護(hù)桁架發(fā)生明顯扭曲變形、個(gè)別桁架桿甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，如圖2、圖3所示。

圖2 蒸氣管桁架斷裂實(shí)景

圖3 蒸氣管及桁架扭曲變形實(shí)景

2 結(jié)構(gòu)分析模型建立

本文采用某預(yù)應(yīng)力混凝梁橋受船舶撞擊工程實(shí)例。為計(jì)算船舶撞擊對(duì)該橋的受力影響，確定該橋的安全性，為盡快通車提供依據(jù)，分別采用以下三個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算：

（1）通過對(duì)被撞擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算簡化，對(duì)被撞擊橋跨的承載能力進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，為該橋能否繼續(xù)通車提供依據(jù)[3][4]。

（2）建立空間桿系有限元計(jì)算分析模型，模擬該橋受船只撞擊過程的力學(xué)行為，分析橋梁的結(jié)構(gòu)性能。

（3）建立空間實(shí)體有限元計(jì)算分析模型，精細(xì)模擬船只撞擊所引起的附加應(yīng)力、變形，以及下部結(jié)構(gòu)地基土的擾動(dòng)情況，精確分析撞擊對(duì)橋梁產(chǎn)生的影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)桁架受損情況，通過反復(fù)試算并結(jié)合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJG D62-2004）內(nèi)河船舶撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值及肇事船只噸位偏安全取船舶撞擊作用力為1 400kN。

2.1 簡化計(jì)算模型

為對(duì)被撞跨橋墩進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)計(jì)算軟件MIDAS2010對(duì)14#橋墩進(jìn)行計(jì)算分析。建模時(shí)根據(jù)14#橋墩處地質(zhì)資料及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮4/α樁長對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為荷載考慮上部結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)14#橋墩處地質(zhì)資料及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式(P.0.2-3)取：第一層土厚度h1=4.3 m,非巖石地基水平向抗力系數(shù)m=3 000 kN/m4，第二層土厚度hm=0.7 m，非巖石地基水平向抗力系數(shù) m=5 000 kN/m4，取 r=0.980 4，m=3 039.2 kN/m4，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式(P.0.1-1)～(P.0.1-4)可得樁基的計(jì)算寬度b1。b1＝2.25 m，EI＝0.8EcI＝5 066 930（kN·m2），α＝0.266 7。故計(jì)算模型中考慮地面以下樁長H=4/α=14.998 m，共計(jì)考慮樁長h=18.74 m(地面以上樁長為3.74 m),從偏安全考慮，則不考慮樁土相互作用，計(jì)算模型見圖4所示。

2.2 空間桿系有限元計(jì)算分析模型

為獲得在船舶撞擊之前與之后下部結(jié)構(gòu)（橋墩和樁）的應(yīng)力變化情況是該項(xiàng)分析的主要目的。從分析目的出發(fā)，建立空間桿系有限元計(jì)算分析模型，模擬該橋受船只撞擊過程的力學(xué)行為。

圖4 簡化計(jì)算模型

利用Midas/Civil建立了空間桿系有限元模型，對(duì)13#墩～14#墩間橋跨進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，模型共建立了595個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 132個(gè)單元，其中梁單元641個(gè)，桁架單元491個(gè)，有限元計(jì)算模型如圖5所示。利用該有限元模型詳細(xì)分析橋墩、樁的承載能力。

圖5 橋跨受撞擊空間桿系模型

2.3 空間實(shí)體有限元計(jì)算分析模型

為精確模擬該橋13#墩～14#墩間的橋跨受船只碰撞后的影響，利用ANSYS軟件建立了13#～14#軸跨的空間三維實(shí)體有限元計(jì)算模型進(jìn)行局部分析，梁體、蓋梁、墩、樁、土采用Solid65單元模擬，樁與土之間的接觸采用接觸單元模擬，其中樁的表面接觸用Targe170單元模擬，土的表面接觸用Contac173單元模擬，用共建立了54 153個(gè)節(jié)點(diǎn)和46 185個(gè)單元（有限元計(jì)算模型如圖6所示）。

圖6 13#～14#軸全橋+土體有限元計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 簡化計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果（見表1）

表1 墩柱控制截面強(qiáng)度驗(yàn)算匯總表

采用簡化計(jì)算模型，為對(duì)被撞跨橋墩的承載能力進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，以便對(duì)被撞擊結(jié)構(gòu)是否可繼續(xù)通車做出迅速判斷，本章采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)計(jì)算軟件MIDAS2010對(duì)14#橋墩進(jìn)行簡化分析。計(jì)算時(shí)根據(jù)14#橋墩處地質(zhì)資料及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮4/α樁長對(duì)結(jié)構(gòu)的影響（但不考慮樁土相互作用的影響），將上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為荷載考慮上部結(jié)構(gòu)的影響。可得出如下結(jié)論：按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取船舶橫向撞擊荷載P=1 400kN，在該工況下橋墩與樁基均能滿足承載能力要求，結(jié)構(gòu)安全。

3.2 空間桿系有限元計(jì)算分析模型計(jì)算結(jié)果 (見表2)

采用橋梁結(jié)構(gòu)Midas/Civil建立空間桿系有限元模型計(jì)算，考慮了船舶撞擊對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)受船舶撞擊影響的13#～14#墩間橋墩和樁進(jìn)行承載力驗(yàn)算。13#～14#跨間橋墩計(jì)算分析結(jié)果：13#～14#跨間橋墩在自重、附加熱力管道荷載和受到偶然荷載船舶撞擊作用下，橋墩的承載力滿足規(guī)范要求，橋墩抗裂性能滿足規(guī)范要求，樁基礎(chǔ)的承載力滿足規(guī)范要求。

3.3 空間實(shí)體有限元計(jì)算分析模型計(jì)算結(jié)果（見表3）

通過對(duì)13#-14#橋跨建立空間三維實(shí)體有限元計(jì)算模型進(jìn)行局部的計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：橋墩在最不利荷載即：恒載+活載+船舶撞擊荷載作用下，橋墩的豎向壓應(yīng)力約為4.97 MPa，未超過C25混凝土的抗壓強(qiáng)度值；樁在最不利荷載即：恒載+活載+船舶撞擊荷載作用下，樁的豎向壓應(yīng)力約為3.53 MPa，未超過C20混凝土的抗壓強(qiáng)度值；樁底土層在最不利荷載作用下的豎向應(yīng)力最大值約為1.41 MPa，未超過勘察值（巖石單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值6.0 MPa）。船舶撞擊荷載對(duì)橋下部結(jié)構(gòu)有一定的影響，但橋墩和樁的壓應(yīng)力沒有超過混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)注值，樁底土層的壓應(yīng)力也未超過該土層的抗壓強(qiáng)度標(biāo)注值。

表2 偶然組合作用下橋墩承載能力復(fù)核匯總表

表3 墩和樁在各種荷載作用下的第三主應(yīng)力值匯總表（單位：MPa）

4 結(jié)論

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)采取不同分析模型后的仿真分析結(jié)果，對(duì)該橋梁受船舶撞擊受力行為影響分析，可得如下結(jié)論：

（1）船舶撞擊致使本實(shí)例橋梁結(jié)構(gòu)被撞橋跨桁架桿受到了嚴(yán)重的損壞，對(duì)熱力管道的正常使用造成了極大的安全隱患，但總體上對(duì)被撞橋跨下部結(jié)構(gòu)的極限承載能力和正常使用性能影響不是很大，尚能滿足規(guī)范要求。

（2）針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受船舶撞擊后，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)被撞的病害特點(diǎn)，按照簡化計(jì)算模型、空間桿系有限元模型、空間實(shí)體有限元模型，分層次分步驟的進(jìn)行分析。既可以保證對(duì)被撞擊橋跨的承載能力進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，為該橋能否繼續(xù)通車提供依據(jù)，將被船撞擊后的影響降低到最小限度，又能夠?qū)蛄菏艽白矒羰芰π袨檫M(jìn)行全面分析，為下一步是否需要對(duì)該橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1]劉建成，顧永寧.基于整船整橋模型的船橋碰撞數(shù)值仿真[J].工程力學(xué)，2003，（05）.

[2]黃健超，李運(yùn)喜，劉永健.船舶撞擊連續(xù)梁橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].公路工程，2008，（03）.

[3]林鐵良，陳艾榮，王君杰.船舶撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[4]Ship Collision due to the Presence of Bridges.Report of Working Group 19 of the INLAND NAVIGATION COMMISSION.2001.