外灘大橋被船撞后的應(yīng)急檢測(cè)和承載能力分析

鄧水源 何天濤

（寧波市市政管理處市政橋梁管理所， 浙江 寧波 315000）

1 項(xiàng)目背景

寧波市外灘大橋?qū)儆诔鞘袠蛄海鳂虿捎锚?dú)塔四索面異型斜拉橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置自西向東為主跨225m+邊跨82m+30m。主橋?yàn)榉蛛x式雙箱斷面，單幅標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?1.4m，雙向六車道，并通行非機(jī)動(dòng)車道和行人。2018年4月16日20：00左右，原停靠在江北郵輪碼頭附近的一艘裝修船只（噸位約2500噸）因失去錨碇作用，隨潮水自南向北漂移，隨即被卡在外灘大橋主跨跨中區(qū)域（南側(cè)）。經(jīng)過多部門聯(lián)合施救，被卡船只于21:40分左右被拖離。從安全考慮，養(yǎng)護(hù)管理單位采取了緊急封道的措施，并啟動(dòng)應(yīng)急檢測(cè)和承載能力分析，評(píng)價(jià)該橋的安全狀況。

圖1.1-1 船只撞擊橋梁實(shí)景照（側(cè)面）

圖1.1-2 船只撞擊橋梁實(shí)景照（俯視）

圖1.1-3 船只卡橋俯視示意圖

2 應(yīng)急檢測(cè)

檢測(cè)單位對(duì)外灘大橋橋面系及附屬結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)（含支座）、箱梁內(nèi)焊縫的超聲波探傷、索力變化等進(jìn)行了全面檢測(cè)、并與上次檢測(cè)情況進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：本次船撞事故未對(duì)外灘大橋外觀質(zhì)量造成重大損傷，人行道、橋面鋪裝未見明顯病害，鋼箱梁底部無明顯擠壓變形，支座未見明顯損傷。但是，造成鋼箱梁外表面底板有明顯擦傷痕跡約 20m2，鋼護(hù)欄和防護(hù)網(wǎng)變形約10m，鋼箱梁邊倉景觀燈帶固定條脫落約15m、人行道橋側(cè)面景觀燈帶固定條脫落約10m，通航標(biāo)志牌損傷1塊。外灘大橋人行道橋面線形平順、所測(cè)縱坡上坡段為2.3%，設(shè)計(jì)為2.45%；所測(cè)縱坡下坡段為-1.3%，設(shè)計(jì)為-1.3%；與設(shè)計(jì)縱坡基本吻合，索塔和結(jié)構(gòu)梁的空間坐標(biāo)無明顯變化，船撞事故對(duì)結(jié)構(gòu)線形無影響。根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)估外灘大橋技術(shù)狀況為“合格”狀態(tài)。

3 模態(tài)測(cè)試及對(duì)比分析

因外灘大橋的結(jié)構(gòu)箱梁為左右分幅，且各幅采用橫向鋼構(gòu)件鏈接，為宏觀掌握船撞事件對(duì)外灘大橋的影響，采用脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試和對(duì)比其自振頻率的變化情況，測(cè)試前采用Midas Civil對(duì)外灘大橋主橋建立空間梁格單元模型，計(jì)算其前三階的振型圖和自振頻率。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

圖3.1-2 脈動(dòng)試驗(yàn)傳感器布置示意圖

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

前三階自振頻率計(jì)算和測(cè)試對(duì)比表

結(jié)論：外灘大橋的基頻實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，實(shí)測(cè)振型圖與理論振型圖吻合較好說明該橋的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)剛度，船撞事故對(duì)橋梁剛度無影響。

4 船撞過程的模擬分析

4.1 船撞橋的撞擊力

撞擊荷載是一種動(dòng)力荷載，是在某一個(gè)相對(duì)比較短的時(shí)間內(nèi)積聚相對(duì)較大的能量并作用于結(jié)構(gòu)的過程。船只撞擊橋梁過程中包含了巨大的能量轉(zhuǎn)換，是一個(gè)由毫秒到秒量級(jí)的短時(shí)間動(dòng)態(tài)過程，本質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的沖擊力學(xué)問題。通常認(rèn)為解決防撞設(shè)計(jì)問題的關(guān)鍵在于設(shè)防的撞擊力。國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了計(jì)算撞，擊力的經(jīng)驗(yàn)公式。

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第4.4.2條中規(guī)定漂流物橫橋向撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值按如下公式（1）估算：

式中：W ——漂流重力（kN），應(yīng)根據(jù)河流中漂流物情況，按照實(shí)際調(diào)查確定；

V ——水流速度（m/s）；

T ——撞擊時(shí)間，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際資料估計(jì)，無實(shí)際資料時(shí)可用1s；

g——重力加速度，g=9.81(m/s)。

4.2 簡化船撞力曲線

美國、英國、日本、意大利和聯(lián)邦德國等做了一定數(shù)量的船舶撞擊試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)知，船舶直角撞擊剛性橋墩時(shí)，其撞擊力可以在計(jì)算的基礎(chǔ)上修正。其中由沃辛教授主持的原聯(lián)邦德國GKSS試驗(yàn)中以1:75和1:12兩種比例的12對(duì)船舶模型，作了 24次試驗(yàn)，得出“沃辛試驗(yàn)船舶撞擊力曲線圖”，為便于計(jì)算，根據(jù)沖量等效的原則，對(duì)該曲線做簡化后得出本次船撞力曲線如圖5.2-2所示。

圖4.2-2 簡化船撞力曲線

圖4.2-2中的撞擊力曲線將原沃辛船撞曲線簡化為若干段脈沖荷載，這些荷載對(duì)應(yīng)著船舶碰撞的8個(gè)階段，瞬態(tài)動(dòng)力分析時(shí)間間隔取為0.005秒，碰撞時(shí)間取按1秒計(jì)，通過試算確定碰撞計(jì)算時(shí)間為5秒。具體劃分情況見表4.2-3。

表 4.2-3 簡化曲線各階段數(shù)值表

說明：船撞力＝撞擊力系數(shù)×Pmax

圖4.3-1 船撞擊位置與主橋空間示意圖

4.3 有限元分析

4.3.1 位移分析

船舶撞擊橋梁過程中最大橫橋向位移云圖如圖4.4-1所示。

圖4.4-1 船撞力作用下橫橋向位移（mm）

最大位移出現(xiàn)在 6個(gè)橫橋向撞擊點(diǎn)縱橋向 6m范圍內(nèi)，局部數(shù)值為 64.5～89.7mm，其余部位數(shù)值均在60mm范圍內(nèi)。

4.3.2 應(yīng)力分析

船舶撞擊橋梁過程中最大應(yīng)力增量云圖如圖4.5-1所示。

圖4.5-1 船撞力作用下最大應(yīng)力增量（MPa）

最大應(yīng)力增量出現(xiàn)在兩主梁間連系跨中橫梁上（撞擊點(diǎn)右側(cè)附近），為局部應(yīng)力集中，面積為0.4m2，最大值為72.2MPa，其它主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力均位于40MPa以內(nèi)。

4.3.3 索力分析

船舶撞擊橋梁過程中拉索索力變化值及最大索力如圖4.6-1、圖4.6-2所示。

圖4.6-1 船撞力作用下拉索索力變化（kN）

圖4.6-2 船撞力作用下拉索最大索力（kN）

（1）拉索索力最大變化值（增量）出現(xiàn)于外側(cè)拉索ZW10、ZW9、ZW8（撞擊點(diǎn)左側(cè)），數(shù)值分別為141.3.3kN、141.0 kN、130.5 kN，索力增幅分別為4.0%、3.7%、3.7%，其余拉索索力增幅在1.3%以內(nèi)。

（2） 最大索力位于內(nèi)側(cè)拉索ZN12，數(shù)值為6320 kN，增幅為1.3%。

使用MIDAS/CIVIL 2015建立外灘大橋全橋有限元模型，并模擬船撞擊過程，得出外灘大橋船撞擊動(dòng)力響應(yīng)分析主要結(jié)果如表5.6-1所示。

表4.6-1 外灘大橋撞擊響應(yīng)分析主要結(jié)果

5 結(jié)論

（1）應(yīng)急檢測(cè)得出該橋的技術(shù)狀況等級(jí)為合格，關(guān)鍵構(gòu)件的空間坐標(biāo)無明顯變化。

（2）外灘大橋的基頻實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，實(shí)測(cè)振型圖與理論振型圖吻合較好說明該橋的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)剛度，船撞事故對(duì)橋梁剛度無影響。

（3）有限元模擬船撞事故對(duì)外灘大橋的位移、應(yīng)力和索力的影響分析，增量突變處于局部小范圍內(nèi)、符合撞擊荷載效應(yīng)的受力特征，本次船舶撞擊對(duì)全橋承載能力無明顯影響。