內河高樁承臺橋梁船撞動力響應分析

邵俊虎，趙人達，占玉林，王明路

(西南交通大學橋梁工程系，四川成都 610031)

隨著高速公路的大量興建，跨越河流的橋梁也越來越多，由于近年來河流通航船舶的密度和噸位的大幅增多，船舶撞毀橋梁的風險越來越高，橋梁船撞問題日漸突出。對于船撞問題，國內外作了大量研究，主要集中在船舶撞擊橋梁的力學分析方法以及橋梁在船舶撞擊下結構的動力響應。在船舶撞擊橋梁的力學分析方法上，除了各國推出的規范簡化公式[1-4]外，主要采用有限元方法來對船舶撞擊橋梁的力學過程進行計算分析，Cowan將撞擊船舶簡化為一個集中質量，并通過非線性只受壓彈簧與橋梁連接的方法對橋梁在船撞作用下的動力響應進行了研究，并論證了這種方法的有效性[5]。文獻[6-10]結合有限元和碰撞—接觸算法對船舶撞擊結構的動力響應進行了計算，分析了各種因素對結構動力響應的影響，并證明了有限元結合碰撞—接觸算法分析此類問題的可靠性。和秀嶺等[11]采用3 000 t內河船舶撞擊時程力計算了一座拱橋在橫向和縱向船舶撞擊下拱圈的動力響應。楊智等[12]對一座漂浮體系斜拉橋在船撞作用下的動力響應進行了研究，并分析了重力、斜拉索力、p—Δ效應對船撞作用下主墩的內力響應的影響。朱忠義等[13]對一座已建拱橋進行了船撞數值模擬，并與索爾—諾特—格林那公式進行了比較，得出了一些有益于設計的結論。陳剛等[14]按照簡化公式對一座內河樁柱式橋梁在船撞作用下的橋梁內力響應進行了分析研究，研究表明，設置橫系梁能有效減小被撞橋墩的內力響應。

船撞作用作為一種偶然作用，國內對于船撞橋的研究主要集中在重要的大型橋梁上，對于內河航運等級較低的河流上的橋梁研究較少。而隨著交通發展，航運等級較低的內河橋梁船撞事故也時有發生。對于高樁承臺，從船舶撞擊橋梁的位置來講，一般分為撞擊承臺和撞擊樁基兩種類型。樁基主要承受豎向荷載，船舶撞擊樁基往往會對橋梁結構更為不利。

1 工程概況

新建白水大橋為預應力混凝土連續剛構，跨徑組合為(102+168+102)m，橋梁總長388 m，橋面寬10 m。橋梁下部結構采用鉆孔樁基礎、高樁承臺，承臺與箱梁0#塊剛性連接，構成獨特的連續剛構體系。姚渡岸樁基全長92 m，下承臺高5 m，廣元岸樁基全長97 m，下承臺高5 m;姚渡岸橋臺采用擴大基礎，重力式橋臺，廣元岸橋臺采用樁基礎，樁柱式橋臺。橋區所在河流為6級航道，橋梁的總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置(單位:cm)

2 模型建立

2.1 參數取值

主橋箱梁采用C50混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa。承臺、樁基及橋臺臺帽和背墻采用C40混凝土，彈性模量Ec=3.25×104MPa。由于本文的主要目的是為了比較不同工況下結構動力響應，混凝土材料采用線彈性材料。船舶材料采用Q235鋼材，其彈性模量為Ec=2.1×105MPa，鋼材相比橋梁下部結構，其剛度較小，更易發生塑性變形，鋼材材料采用隨動塑性(與應變率相關)材料模型。

2.2 有限元模型的建立

本文采用有限元方法模擬了一艘200 t的駁船以3 m/s的速度橫橋向撞擊橋梁不同部位，并分別建立了船舶和橋梁的有限元模型。船舶采用板殼單元建模，船舶撞擊部位橋梁構件采用實體單元建模，為節省計算時間，非撞擊部位采取了梁單元建模。樁基結構在局部沖刷線或淤泥層以下一定深度固結，不考慮土體作用，根據學者研究一般取3～4倍樁徑，本文取3倍樁徑。

為了將船舶撞擊橋梁不同部位以及船舶撞擊不同形式樁基的動力響應進行比較研究，本文選取了3種工況進行計算:①船舶橫向撞擊橋梁承臺(樁基不設置橫系梁);②船舶橫向撞擊橋梁樁基(樁基不設置橫系梁);③船舶橫向撞擊橋梁樁基(樁基設置橫系梁)。

3 結果分析

通過有限元碰撞仿真分析，得出了船舶撞擊力以及主梁、樁基的位移時程曲線，見圖2至圖5。由圖2可以看出，船舶撞擊承臺時撞擊力最大值為3.88 MN，船舶撞擊樁基時，無論樁基有無橫系梁，其最大撞擊力均為2.56 MN左右。以上數據表明，船舶撞擊承臺碰撞力比船舶撞擊樁基碰撞力大;船舶撞擊樁基時，樁基有無橫系梁對撞擊力基本沒有影響。說明結構形狀對碰撞力有較大影響，而采用橫系梁連接只會在一定程度上改善了樁基的整體性，并不會顯著改善船舶撞擊樁基時撞擊力大小。

圖2 撞擊力時程曲線

圖3 主梁墩頂處橫橋向位移時程曲線

圖4 主梁跨中橫橋向位移時程曲線

圖5 被撞樁基樁頂橫橋向位移時程曲線

由圖3和圖4可以看出，在船舶撞擊作用下，船舶撞擊承臺時主梁墩頂和跨中最大橫向位移分別為10.6 mm，14.1 mm;船舶撞擊樁基時，主梁墩頂和跨中最大橫向位移分別為9.7 mm，13.2 mm。樁基采用橫系梁連接后，船舶撞擊樁基時主梁墩頂和跨中最大橫向位移分別為7.6 mm，9.7 mm。從以上數據可以看出，由于船舶撞擊承臺的撞擊力比撞擊樁基時大，導致船舶撞擊承臺比撞擊樁基時墩頂和跨中位移略大。當船舶撞擊樁基時，樁基采用橫系梁連接和不采用橫系梁連接時，前者位移更小。主要是由于兩種工況下，碰撞力大小相當，而樁基采用橫系梁連接后增大了下部結構整體剛度的緣故。

由圖5可以看出，被撞擊樁頂在工況1、工況2、工況3時最大位移分別為25.9，28.9，21 mm，當樁基不加橫系梁時船舶撞擊樁基位移最大，樁基采用橫系梁連接后，能顯著減小被撞樁基樁頂位移。

對于樁基的應力，主要分析了被撞樁基樁底的應力情況，并選取了被撞樁基樁底應力比較大的點繪制了應力時程圖。工況1和工況2最大應力點的計算結果對比圖見圖6，工況2和工況3最大應力點的計算結果對比圖見圖7。

圖6 被撞樁基樁底最大應力點應力時程曲線

圖7 被撞樁基樁底最大應力點應力時程曲線

由圖6可以看出，船舶撞擊橋梁下部結構過程中，船舶撞擊樁基工況比船舶撞擊承臺工況較為不利，最大應力相差可達2 MPa，說明橋梁最不利撞擊點應處于樁基處。由圖7看以看出，當船舶撞擊樁基時，將樁基采用橫系梁連接后，可較大程度上降低應力水平。計算結果表明當船舶撞擊樁基時，樁基采用橫系梁連接能使樁基之間內力重分配，有效降低了被撞樁基應力，降低了樁基被撞擊失效的風險。

4 結論

通過對高樁承臺不同部位進行船橋碰撞計算分析，主要得出了以下結論:

1)船舶撞擊承臺和撞擊樁基兩種工況下，船撞力大小和接觸碰撞時間顯著改變，而樁基有無橫系梁對船撞力大小并無太大影響，表明船撞力大小和被撞結構的幾何形狀有關，橋梁結構整體剛度對船撞力大小影響較小。

2)船舶撞擊樁基比撞擊承臺工況更為不利，主要原因是船舶撞擊樁基時，大部分船撞力主要由單根被撞樁基承擔，導致了單根樁的失效風險增大。

3)當船舶撞擊樁基時，橋梁處于較不利工況，而將樁基采用橫系梁連接后，較大程度上降低了被撞樁基的應力水平。說明采用橫系梁連接樁基的措施使船撞作用下樁基的內力進行了重新分配，能有效地降低船舶撞擊時單根樁基失效的風險。

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