某橋受船舶撞擊受力行為影響分析

胡曉勇，劉菊玖

（廣州市市政工程設計研究院，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，造成橋梁結構損傷[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成本，工程技術人員需要較為準確地計算評估橋梁結構受船舶撞擊力后的損傷情況，作為設計與維護決策的依據(jù)[2]。

本文采用某預應力混凝土梁橋受船舶撞擊工程實例，分別采用簡化模型、空間桿系有限元計算分析模型、空間實體有限元計算分析模型等三種計算模型分別評定船舶撞擊對該橋受力行為的影響，排查隱患，為下一步是否需要對該橋梁加固設計提供依據(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，橋寬17.4 m；樁基礎分為兩種形式、三種規(guī)格，其中：0#、28#臺及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高強管樁。該橋設計荷載標準：汽車-超20級、掛車-120。該橋概貌如圖1所示。該橋橋墩設敷管桁架，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，致使蒸汽管及保護桁架發(fā)生明顯扭曲變形、個別桁架桿甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，如圖2、圖3所示。

圖2 蒸氣管桁架斷裂實景

圖3 蒸氣管及桁架扭曲變形實景

2 結構分析模型建立

本文采用某預應力混凝梁橋受船舶撞擊工程實例。為計算船舶撞擊對該橋的受力影響，確定該橋的安全性，為盡快通車提供依據(jù)，分別采用以下三個步驟進行計算：

（1）通過對被撞擊結構進行計算簡化，對被撞擊橋跨的承載能力進行初步評價，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算分析模型，模擬該橋受船只撞擊過程的力學行為，分析橋梁的結構性能。

（3）建立空間實體有限元計算分析模型，精細模擬船只撞擊所引起的附加應力、變形，以及下部結構地基土的擾動情況，精確分析撞擊對橋梁產(chǎn)生的影響。

根據(jù)現(xiàn)場桁架受損情況，通過反復試算并結合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（TJG D62-2004）內河船舶撞擊作用標準值及肇事船只噸位偏安全取船舶撞擊作用力為1 400kN。

2.1 簡化計算模型

為對被撞跨橋墩進行承載能力驗算，采用橋梁結構專業(yè)計算軟件MIDAS2010對14#橋墩進行計算分析。建模時根據(jù)14#橋墩處地質資料及《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》考慮4/α樁長對結構的影響，將上部結構轉化為荷載考慮上部結構的影響。

根據(jù)14#橋墩處地質資料及《公路橋涵地基與基礎設計規(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設計規(guī)范》公式(P.0.1-1)～(P.0.1-4)可得樁基的計算寬度b1。b1＝2.25 m，EI＝0.8EcI＝5 066 930（kN·m2），α＝0.266 7。故計算模型中考慮地面以下樁長H=4/α=14.998 m，共計考慮樁長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，計算模型見圖4所示。

2.2 空間桿系有限元計算分析模型

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

圖4 簡化計算模型

利用Midas/Civil建立了空間桿系有限元模型，對13#墩～14#墩間橋跨進行橋梁結構驗算，模型共建立了595個節(jié)點和1 132個單元，其中梁單元641個，桁架單元491個，有限元計算模型如圖5所示。利用該有限元模型詳細分析橋墩、樁的承載能力。

圖5 橋跨受撞擊空間桿系模型

2.3 空間實體有限元計算分析模型

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#軸跨的空間三維實體有限元計算模型進行局部分析，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個節(jié)點和46 185個單元（有限元計算模型如圖6所示）。

圖6 13#～14#軸全橋+土體有限元計算模型

3 計算結果及分析

3.1 簡化計算模型計算結果（見表1）

表1 墩柱控制截面強度驗算匯總表

采用簡化計算模型，為對被撞跨橋墩的承載能力進行初步評價，以便對被撞擊結構是否可繼續(xù)通車做出迅速判斷，本章采用橋梁結構專業(yè)計算軟件MIDAS2010對14#橋墩進行簡化分析。計算時根據(jù)14#橋墩處地質資料及《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》考慮4/α樁長對結構的影響（但不考慮樁土相互作用的影響），將上部結構轉化為荷載考慮上部結構的影響。可得出如下結論：按《公路橋涵設計通用規(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，結構安全。

3.2 空間桿系有限元計算分析模型計算結果 (見表2)

采用橋梁結構Midas/Civil建立空間桿系有限元模型計算，考慮了船舶撞擊對橋梁結構的影響，對受船舶撞擊影響的13#～14#墩間橋墩和樁進行承載力驗算。13#～14#跨間橋墩計算分析結果：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，樁基礎的承載力滿足規(guī)范要求。

3.3 空間實體有限元計算分析模型計算結果（見表3）

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

表2 偶然組合作用下橋墩承載能力復核匯總表

表3 墩和樁在各種荷載作用下的第三主應力值匯總表（單位：MPa）

4 結論

根據(jù)橋梁結構采取不同分析模型后的仿真分析結果，對該橋梁受船舶撞擊受力行為影響分析，可得如下結論：

（1）船舶撞擊致使本實例橋梁結構被撞橋跨桁架桿受到了嚴重的損壞，對熱力管道的正常使用造成了極大的安全隱患，但總體上對被撞橋跨下部結構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）針對橋梁結構受船舶撞擊后，應該根據(jù)實際需要，針對橋梁結構被撞的病害特點，按照簡化計算模型、空間桿系有限元模型、空間實體有限元模型，分層次分步驟的進行分析。既可以保證對被撞擊橋跨的承載能力進行初步評價，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，又能夠對橋梁受船舶撞擊受力行為進行全面分析，為下一步是否需要對該橋梁進行加固設計提供依據(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，2003，（05）.

[2]黃健超，李運喜，劉永健.船舶撞擊連續(xù)梁橋風險評估[J].公路工程，2008，（03）.

[3]林鐵良，陳艾榮，王君杰.船舶撞擊橋梁風險評價[D].上海：同濟大學，2006.

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