白沙洲大橋船舶撞擊后安全性評估方法研究

李澤新 楊曉燕

（中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 湖北 武漢 430034）

白沙洲大橋船舶撞擊后安全性評估方法研究

李澤新 楊曉燕

（中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 湖北 武漢 430034）

白沙洲長江大橋是一座雙塔雙索面半漂浮支撐體系混合梁斜拉橋。主要介紹橋墩遭船舶撞擊之后，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性評估結(jié)果，結(jié)合外觀檢測，水下探摸以及有限元計算，評價船舶撞擊力對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

船舶撞擊；雙塔雙索面斜拉橋；有限元分析；安全性評估

1 概述

白沙洲長江大橋是武漢市中環(huán)線跨越長江的雙塔雙索面半漂浮支撐體系混合梁斜拉橋。大橋主塔為鉆石型結(jié)構(gòu)，承臺以上全高178.75m，箱形斷面。主橋斜拉索每塔24對，共192根，橫橋向中心距28.4m，斜拉索采用扇形布置。正橋跨徑布置為（50＋180＋618＋180＋50）m，橋面寬27m，設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車－超20級，掛車－120級，設(shè)計日通車能力5萬輛次，橋梁立面圖如圖1.1所示。

圖1.1 橋梁立面圖(單位：m)

2014年10月26日23:40時，某貨運(yùn)船（自重1512t，載碎石2200t，在船船員5人，從赤壁至白沙洲），在白沙洲水道抬船路二碼頭水域拋錨過程中擱淺，經(jīng)自行救助脫淺后船舶失控，并順?biāo)飨绿手涟咨持薮髽驑騾^(qū)北岸副通航孔內(nèi)。經(jīng)初步調(diào)查判斷，該船船艏觸損白沙洲大橋北岸副通航孔2#主橋墩承臺漢陽側(cè)，導(dǎo)致船舶前艙進(jìn)水，于10月27日00:20時在離北岸水沫線50米處水域坐沉，無人員傷亡。

2. 外觀檢測

外觀檢測主要檢測2#橋墩盆式支座及橫向限位裝置以及2#主塔附近橋面系、人行走道、行車道和相關(guān)附屬設(shè)施，檢測結(jié)果表明2#主塔支座處于正常工作狀態(tài)，橫向限位裝置完好；橋面系在本次事故中未發(fā)現(xiàn)明顯病害。

3. 線形檢測

本次應(yīng)急檢查主要針對2#墩附近橋面線性測點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并將此次測量數(shù)據(jù)和前期測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，來計算事故對橋面線形影響。監(jiān)測結(jié)果表明，此次測量數(shù)據(jù)高程變化量在2cm左右，考慮到本橋車輛荷載及溫度和測量誤差對線形的影響，可以認(rèn)為本次事故對橋面線形基本無影響。

4. 塔偏監(jiān)測

本次塔偏利用漢陽側(cè)BSZ2#基準(zhǔn)點(diǎn)作為后視點(diǎn)，BSZ1#基準(zhǔn)點(diǎn)作為前視，建立臨時觀測坐標(biāo)系，通過連續(xù)觀測及上期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，來分析本次事故對2#主塔影響。通過對比，塔偏變化量規(guī)律性不強(qiáng)，應(yīng)該為日照溫差及車輛荷載作用下的正常變化，塔偏無明顯異常。

5. 水下探摸

潛水員從2#墩身一個側(cè)面下水，對結(jié)構(gòu)的外觀情況由上至下進(jìn)行全面檢測。檢測結(jié)果如下：

1）區(qū)域一：塔座的斜角總長300cm，自頂面往下100cm到斜角底部范圍內(nèi)混凝土破損脫落，最大破損寬度有20cm、深度4cm；斜角下方為垂直高度150cm的邊角，邊角自上往下30cm有破損露筋，最大破損寬度有30cm、深度10cm、外露長度20cm的鋼筋2根；

圖5.1 2#墩漢陽面向撞擊部位現(xiàn)狀示意圖（單位：cm）

2）區(qū)域二：塔座漢陽面向斜坡面的底邊在上游角往下方向 300cm處有寬度60cm×高度20cm×深度5cm的混凝土破損脫落；該300cm范圍的斜坡面還有刮痕；

3）區(qū)域三：承臺在上游迎水面靠漢陽方位的圓弧邊角有220cm（寬）×40cm（高）×45cm（深）的范圍混凝土破損脫落，鋼筋外露；承臺頂面往下100cm到鋼圍堰頂部。

6.數(shù)值計算

表6-1 內(nèi)河船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值

6.1 撞擊等效靜力計算

船舶與橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞過程十分復(fù)雜，與碰撞時的環(huán)境因素（風(fēng)浪、氣候、水流等）、船舶特性（船舶類型、船舶尺寸、行駛速度、裝載情況以及船艏、船殼和甲板室的強(qiáng)度和剛度等）、橋梁結(jié)構(gòu)因素（橋梁構(gòu)件的尺寸、形狀、材料、質(zhì)量和抗力特性等）及駕駛員的反應(yīng)時間等因素有關(guān)，因此，精確確定船舶與橋梁的相互作用力十分困難[1]。

我國《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》[2]中規(guī)定：位于通航河流中的橋梁墩臺，設(shè)計時應(yīng)考慮船舶的撞擊作用，其撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下列規(guī)定采用或計算。

可能遭受大型船舶作用的橋墩，應(yīng)根據(jù)橋墩自身的抗撞擊能力、橋墩的位置和外形、水流流速、水位變化、通航船舶類型和碰撞速度等因素，進(jìn)行橋墩防撞設(shè)施的設(shè)計。

當(dāng)缺乏實(shí)際調(diào)查資料時，內(nèi)河上船舶撞擊作用的標(biāo)準(zhǔn)值可按表6-1選取。

我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[3]對船舶撞擊力也給出了計算方法，計算式如下：

式中：F為撞擊力（kN）;γ為動能折減系數(shù)（s/m1/2），當(dāng)船只斜向（對墩臺法面方向而言）撞擊時可采用0.2，正面撞擊時可采用0.3；v為船只撞擊橋墩時的速度（m/s），對于船只來說，此項(xiàng)速度可采用航運(yùn)部門提供的數(shù)據(jù)，對于本案例來說，可以通過分析錄像得出船撞擊時的速度；α為船只駛近方向與橋墩撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角，應(yīng)根據(jù)具體情況而定，如有困難，可取α=20o；W 為船舶的重量（kN），C1、C2為船舶的彈性變形系數(shù)或橋墩圬工的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時可假定C1+C2=0.0005m/kN。

美國州公路和交通運(yùn)輸協(xié)會于2007年頒布的《LRFD bridge design specifications, 4th edition》[4]中規(guī)定，對于通航橋孔的橋墩，船舶對橋墩的等效靜態(tài)撞擊力 FS按下式計算：

式中：DWT 為船舶（包括船體、貨物、燃油和水）的總噸位（Mg）；V為船舶對橋墩的撞擊速度（m/s）。

依據(jù)上述公式，對撞擊力進(jìn)行估算，結(jié)果如下表：

表6-2 撞擊力計算結(jié)果

為安全起見，取中國鐵路規(guī)范公式計算結(jié)果作為撞擊力等效靜力，對橋墩在撞擊力下的響應(yīng)進(jìn)行計算。橋梁設(shè)計較早，設(shè)計規(guī)范采用89規(guī)范。在設(shè)計圖紙及設(shè)計說明中未找到該橋船舶撞擊力設(shè)計值，設(shè)計說明上設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用內(nèi)河航道等級一級來設(shè)計，查找舊規(guī)范，內(nèi)河航道等級一級對應(yīng)的設(shè)計橫橋向撞擊力為900kN。本橋本次事故橫橋向撞擊力比舊規(guī)范值大。

6.2 橋墩撞擊有限元計算分析

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范估算的船撞擊力大小，采用有限元分析軟件ANSYS12.0建立橋塔有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析。

橋塔及樁基礎(chǔ)采用beam188單元，考慮單元剪切變形，承臺及塔座采用solid45單元。橋塔混凝土彈性模量取 E=3.45×104MPa；承臺及樁基礎(chǔ)混凝土彈性模量取E=2.8×104MPa；塔座混凝土彈性模量取E=3.0×104MPa，泊松比μ=0.1667，按線彈性進(jìn)行計算。有限元模型如圖6.1，其中土體對樁基礎(chǔ)的約束用m法[5]來模擬，樁基深入巖層部分采用固結(jié)約束。梁單元與實(shí)體單元采用剛臂進(jìn)行連接。

橋塔及樁基礎(chǔ)在撞擊力作用下的位移見圖 6.2，其中，塔頂橫橋向位移為2.54mm，順橋向位移為 0.98mm；支座處橫橋向位移為 1.97mm，順橋向位移為3.63mm；墩底橫橋向位移為1.87mm，順橋向位移為0.63mm；承臺橫橋向位移為3.66mm，順橋向位移為3.67mm；樁基礎(chǔ)最大橫橋向位移為3.30mm，順橋向最大位移為3.28mm。

圖6.1 橋塔有限元模型

圖6.2 撞擊力作用下，結(jié)構(gòu)位移

橋塔及樁基礎(chǔ)在撞擊力作用下的最大拉應(yīng)力分布如下圖：

圖6.3 撞擊力作用下，橫橋向拉應(yīng)力圖

圖6.4 撞擊力作用下，縱橋向拉應(yīng)力圖

自重、上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載及撞擊力作用下，橋塔及樁基礎(chǔ)最小壓應(yīng)力分布圖如下：

圖3.5 縱橋向壓應(yīng)力分布圖

圖3.6 橫橋向壓應(yīng)力分布圖

圖6.7 橫橋向剪應(yīng)力分布圖

圖6.8 縱橋向剪應(yīng)力分布圖

由上圖可見，橋塔在撞擊力作用下，樁基礎(chǔ)端部出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為1.40MPa；在橋塔及樁基礎(chǔ)在自重及上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載作用下，軸向壓應(yīng)力較大，與撞擊力產(chǎn)生的應(yīng)力疊加后，橋塔及樁基礎(chǔ)均不會出現(xiàn)拉應(yīng)力。橋塔及樁基礎(chǔ)在撞擊力作用下的最大剪應(yīng)力為0.66MPa，剪應(yīng)力較小。計算表明，橋塔及樁基礎(chǔ)在撞擊力作用下，應(yīng)力分布在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

7.結(jié)論

本次事故造成白沙洲大橋2號橋墩承臺混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重破損露筋，且部分區(qū)域鋼筋外露較多，鋼筋變形嚴(yán)重，綜合橋面線性、主塔偏位監(jiān)測結(jié)果、有限元計算結(jié)果及其它外觀檢查結(jié)果，認(rèn)為本次事故未對橋梁安全運(yùn)營構(gòu)成實(shí)質(zhì)性的損害，橋梁處于安全正常工作狀態(tài)，但此事故造成的橋梁損傷對結(jié)構(gòu)耐久性有較大影響，給橋梁結(jié)構(gòu)安全造成隱患，應(yīng)盡快組織維修。

[1]夏超逸. 撞擊荷載作用下車橋系統(tǒng)的動力響應(yīng)及高速列車運(yùn)行安全研究[D].北京交通大學(xué), 2012：35-41.

[2]中交公路規(guī)劃設(shè)計院. JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[M]. 中華人民共和國交通部,2004:36.

[3]鐵道第三勘察設(shè)計研究院. TB10002.1 -2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[M]. 中國鐵道出版社,2005:30-31.

[4] AASHTO I.RFD.AASHTO LRFD bridge design specifications [S]. Washington, D.C. 1991.American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007.

[5] 中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司. JTG D63 -2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計基本規(guī)范[M]. 中華人民共和國交通部,2005:83-98.

李澤新（1988-），男，助理工程師，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，2013年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士。

TU714

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1007-6344（2016）03-0240-02

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