船撞條件下鋼筋混凝土桁架式懸索橋承載能力評估

許華聰

(福建省永正工程質量檢測有限公司 福建福州 350012)

0 引言

隨著國民經濟的發展，跨越大江大河的橋梁越來越多，各類船舶的數量、噸位、航速不斷增加，船舶撞擊橋梁的事故越來越多[1]。國內外學者圍繞著船舶互相碰撞做了大量的研究，研究重點主要集中在：船舶撞擊力的確定，船舶撞擊橋梁概率、橋墩與橋梁的破壞，船橋碰撞仿真數值研究同，防撞設施的研制等[2-3]。

鋼筋混凝土桁架式懸索橋是福建省20世紀90年代修建的一種特色橋型。受限于當時的建造水平及資金情況，此類橋梁目前普遍存在病害發展迅速且各構件、指標富余系數偏低的情況[4]，而且此類橋梁普遍建設在具有通航需求的大江大河上。隨著大型船舶的不斷增多和管理不善，目前部分橋梁已發生過船舶撞擊事故。此類橋梁的船舶撞擊問題與目前船舶撞擊研究的重點不同，船舶撞擊的部位集中在鋼筋混凝土桁架上，而非橋墩，此類的研究目前相對較少。

本文擬以某鋼筋混凝土桁架式懸索橋受到一次船舶撞擊為工程背景，對船舶撞擊的此類橋梁進行承載能力檢測評估，以期為類似工程提供一定的借鑒。

1 工程背景

某三跨簡支鋼筋混凝土桁架式懸索橋位于福建某出海口，海上經濟是當地收入的主要支柱之一。橋梁全長466.0m，主跨為208.0m。近年來，大型運輸船舶越來越多，原有設計通航高度富余較少，橋梁受船舶撞擊的風險日益增大。2016年10月18日20時50分，海水處于漲潮期間，橋梁被運沙船海潤635號撞擊，現場撞擊圖如圖1所示。

圖1 船舶撞擊圖

2 船舶撞擊過程及影響分析

2.1 撞擊過程及特點

結合視頻資料、走訪及外觀調查分析，此次船舶撞擊的特點及影響分析如下：

(1)由于海水處于漲潮期間，橋下凈空減少；而運砂船海潤635號又處于空載狀態，吃水較淺；船長疏于觀察，未將輸送帶架放平，最終導致輸送帶架撞擊橋梁。

(2)撞擊時船舶未開啟船身動力，順流而下。輸送帶架首先撞擊到38#～39#吊桿間，第一個撞擊點為下弦桿，持續約1s，然后是兩根斜撐處；隨后船舶被卡在橋梁前方，船長緊急開啟動力，帶動整個船舶逆流后退，并放下輸送帶架。整個過程持續約5min。

(3)根據事后調查，撞擊時，船身重量約為500t。當時水流速度約1.96m/s。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTJ 021—15)附錄四[5]計算可知，第一次撞擊的下弦桿處撞擊力計算如下：

P=Wv/(gT)=(5000×1.96)/(9.81×1)≈1000kN

式中：W為漂流物重量(kN)；v為水流速度(m/s)；T為撞擊時間(s)；g為重力加速度，取9.81m/s2。

(4)根據外觀檢測結果，船舶撞擊處，下弦桿、斜桿處節點及兩根斜桿存在混凝土剝落，骨架外露；其中下弦桿和其中1根斜桿處鋼筋外露、扭屈變形，但并未發現鋼筋斷裂。撞擊處附近吊桿僅發現局部漆皮剝落現象。主纜、支座等未見明顯滑移現象。部分外觀檢測照片，如圖2所示。

圖2 船舶撞擊位置病害照片

2.2 影響范圍分析

采用MIDAS有限元軟件建立橋梁三維有限元模型，并賦予初始剛度。將撞擊力等效為一個集中力，作用于下弦桿上，對橋梁進行擬靜力計算(僅對第一處撞擊點進行計算)。建立的橋梁模型如圖3所示。 部分計算結果如圖4～圖5所示。

圖3 橋梁有限元模型

圖4 橫橋向位移靜力計算結果

圖5 應力靜力計算結果

由圖中可知，船舶撞擊的主要影響范圍在撞擊處附近約6m；在撞擊處附近，下弦桿位移及應力均產生突變；橋梁最大橫向位移達到28.9cm；撞擊點應力遠遠超過混凝土拉應力允許值。這與實際外觀檢測結果一致。

3 基于考慮損傷模擬的橋梁承載能力檢算

船舶撞擊后，桁架部分構件出現混凝土碎裂，甚至可能失效的情況。因此，下文通過采用考慮損傷后的橋梁進行模擬計算(模擬的方法是構件截面折減)，對桁架主要構件承載能力進行檢算分析。

3.1 橋梁自振頻率檢測評定

采用環境隨機振動法測定橋梁結構豎向自振頻率。通過在上游側橋面吊索處布設豎向加速度傳感器，以觀測橋梁豎向自振特性，全橋共布置42個測點，測點布置如圖6所示。

表1 實測自振頻率與理論自振頻率對比

圖6 加速度傳感器縱橋向布置圖

從表1中可知，盡管橋梁局部構件損傷，但橋梁實測自振頻率大于計算值，且振型基本一致，說明橋梁整體剛度仍滿足要求。根據文獻[6]中第5.9.2條的規定，該橋自振頻率評定標度為2。另外，從表1中也可知，第三階實測與理論差異略大，這說明理論模擬中的一些假設，如忽略梁梁連接、梁柱連接帶來的尺寸變大效應等，可能會對結構的高階計算頻率產生較大影響。

3.2 構件承載能力惡化系數

橋梁承載能力檢算前，除對橋梁進行自振頻率檢測外，還對橋梁進行外觀及結構無損檢測。限于篇幅，本文不再贅述。該懸索橋檢測結果匯總如表2～表4所示。

表2 承載力惡化狀況評定標度

注：由于鋼筋銹蝕電位評定標度為1，混凝土電阻率、混凝土碳化狀況、氯離子含量不檢測，標度直接取1。

根據表2及文獻[6]第7.7.4條的規定，承載能力惡化系數取0.04。

3.3 截面折減系數

根據表3及文獻[6]第7.7.6條的規定，截面折減系數取0.98；鋼筋截面折減系數取1.0。

表3 材料風化、碳化及物理與化學損傷評定標度

3.4 承載能力檢算系數

根據表4及文獻[6]第7.7.1-2條的規定，軸心受拉時，承載力檢算系數Z1=0.995；軸心受壓時，承載力檢算系數取Z1=1.09；對于拉索構件，根據外觀檢測結果，取Z1=1.0。

表4 橋梁承載力檢算系數

3.5 檢算工況

根據上節分析結果，這里主要對被撞擊處附近6m左右的截面進行構件承載能力計算，驗算荷載為設計荷載(汽-10級，人群荷載3.5kN/m2)。計算工況如表5所示。

表5 承載能力檢算工況

圖7 橋梁靜載試驗測試截面(單位：cm)

3.6 承載能力檢算結果

根據文獻[6]第7.3.1條及7.5.1條的規定，計算結構最終極限承載能力。

對于鋼筋混凝土構件，按下式進行計算評定：

γ0S≤R(fd,ζcαdc,ζsαds)Z1(1-ζe)

(1)

式中，γ0為結構的重要性系數；S為荷載效應函數；R(·)為抗力效應函數；αdc為構件混凝土幾何參數值；αds為構件鋼筋幾何參數值；其余參數見上文。

對于吊桿構件，按下式進行計算評定：

(2)

式中：Tj為計入活載影響修正系數的計算索力；A為索的計算面積；[σ]為容許應力限值。

根據式(1)和式(2)進行承載能力計算，限于篇幅，各構件尺寸及鋼筋配置不再贅述，最終計算結果如表6所示。

表6 承載能力檢算結果

注：模型1、模型2定義參考表5。

因此，根據文獻[6]第3.2.4條的規定，模型2中，縱桁下弦桿作用效應的比值為1.03，處于1.0～1.2的范圍內，需要通過荷載試驗來評定橋梁的承載能力。

4 基于荷載試驗的橋梁承載能力檢算

通過對橋梁進行靜載試驗及承載能力檢算，確定橋梁承載能力是否滿足要求。

4.1 靜載測試項目

根據橋梁的結構特點及現階段技術狀況，對主橋受海潤635號船舶撞擊受損截面進行靜力荷載試驗，主要測點布設距船舶撞擊處兩側6.0m處。靜載試驗測試截面如圖7所示，測試項目為加勁桁架控制截面桿件在試驗荷載作用下的應力(應變)及撓度。

4.2 試驗車輛及加載布置

試驗采用4輛約20t兩軸重車，荷載試驗效率為0.98，車輛布置圖如圖8所示。

(a)加載車輛平面布置圖

(b)加載車輛橫向布置圖圖8 車輛布置(單位：cm)

4.3 測點布置

應變測試采用電阻應變片和DH3819型靜態應變儀進行采集。根據第3.6節的檢算結果，本次測點主要布置在橋梁受損截面(1-1)附近6m的下弦桿處。累計布置6個應變測點，如圖9所示。

主橋撓度采用全站儀進行測試。撓度測點布置在受損截面，累計布置2個撓度測點。具體測點布置如圖10所示。

(a)下游側縱桁應變測點布置圖

(b)上游側縱桁應變測點布置圖圖9 應變測點布置

圖10 撓度測點布置

4.4 靜載測試結果

部分現場試驗照片如圖11所示。表7～表8列出荷載作用下各應變及撓度測點的實測值和理論計算值。

圖11 試驗現場

測點位置試驗值(με)構件測點編號實測值殘余理論值(με)校驗系數相對殘余應變(%)縱桁下弦桿下游側上游側1523146420.792.682287163320.825.573425135520.753.06442405830.730.00537594720.782.406345214240.766.09

表8 各測點撓度實測值與理論值的比較

由表7～表8中有限元計算結果與實測結果的比較可得：

(1)在試驗荷載作用下控制斷面主要測點應變及撓度校驗系數在0.73～0.86之間，符合規程(JTG/T J21-2011)規定的不大于1.00的限值要求。

(2)退載后各測試截面應變及變位基本可恢復，最大相對殘余應變/變位為5.57%，小于規程(JTG/T J21-2011)規定的20.00%的限值要求。

4.5 橋梁承載能力檢算結果

根據文獻[6]第8.3.2條的規定，檢算系數Z2取1.02。將檢算系數Z2代入式(1)中進行計算可知，模型2中，下弦桿的荷載效應/抗力效應為1.01，根據文獻[6]第8.3.3條的規定，應判定橋梁承載能力滿足要求。

5 結論

本文對船舶撞擊過程的特點及影響范圍進行分析，通過建立兩種有限元模型，結合多種檢測手段(外觀檢測、結構檢測、荷載試驗)，對鋼筋混凝土桁架式懸索橋進行承載能力檢算評估。研究結果表明，盡管該橋梁局部構件受到撞擊損壞，但該橋仍能滿足設計荷載(汽-10級，人群荷載3.5kN/m2)的承載能力要求。

參 考 文 獻

[1] 鄧江濤.橋梁船撞作用及對行車安全性影響研究[D]．西安：西安交通大學，2014.

[2] 陳濤,王建國.船橋碰撞撞擊力的有限元數值模擬與分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2018,41(01):82-87.

[3] 張景峰,李小珍,肖林,等.兩類船-橋碰撞力差異及橋梁結構響應分析[J].振動與沖擊,2016,35(04):156-161.

[4] 陳昀明.鋼筋混凝土加勁桁梁架懸索橋空間受力性能分析[D].福州：福州大學，2001．

[5] JTG/T D60-2015 公路橋梁設計通用規范[S].2015.

[6] JTG/T J21-2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].2011.