橋梁結構受貨船撞擊后的影響分析★

劉 奇，江俐敏，羅 浩

(1.中鐵上海設計院上海先行建設監理有限公司，上海 230011； 2.武漢職業技術學院建筑工程學院，湖北 武漢 430074； 3.廣州城建開發設計院有限公司，廣東 廣州 510000)

隨我國交通建設的高速發展，作為跨江跨湖的橋梁工程數量也越來越多，近幾年，關于橋梁被船舶撞擊的事故時有發生[1-2]，如2019年4月6日，巴西帕拉州首府貝倫一座橫跨莫茹河的橋梁遭貨船撞擊坍塌；2019年7月16日，中國廣西貴港平南大橋拱肋被“粵云138”砂石船撞擊，船舶駕駛臺與大橋橋拱碰撞，破損嚴重；2020年7月7日，江西鄱陽縣太陽埠大橋水域發生運砂貨船撞擊橋梁事件，致橋面坍塌。一方面，受撞擊后的橋梁在安全性和抗震能力受到影響；另一方面，對水上交通中斷和人員及貨物人身財產帶來威脅，因此，橋梁界對船撞擊橋梁的安全問題也逐漸受到重視。

因為撞擊事故具有偶發性，對撞擊過程中橋梁應力變化、位移變化很難實時監測，目前針對此類問題常用的方法有理論計算方法、數值模擬分析等。常用的理論公式有:如米諾斯基理論[3](Minorsky Theory)、沃辛理論[4](Woisin Theory)、漢斯-德魯徹理論[5](Heins-Derucher Theory),這三種方法都基于能量守恒基礎上考慮船舶撞擊橋梁，其理論也得到橋梁界的認可。在數值模擬分析方法上，顏海泉等[6]采用Ls-dyna 程序模擬了散貨船撞擊江蘇蘇通長江大橋承臺；潘晉[7]結合實例對船舶與防護裝置的碰撞過程進行了全程有限元仿真模擬。面對橋梁使用和通航安全問題，提出了相應的預防措施，如鐘曉斌[8]提出考慮橋梁設計防撞冗余度，加裝防撞措施等；陳瓊[9]提出了智能化橋梁管理系統，主被動結合的方式從全方位、多角度進行管控。此類方法對模擬船舶撞擊橋梁的穩定性分析有一定的指導意義。

本文在前人的研究基礎上，采用理論分析結合數值模擬方法，以湖北境內某橋梁被貨船撞擊案例為例，考慮順橋向和垂直橋向分別撞擊橋墩，從橋梁被撞擊后的全橋應力和位移兩方面展開分析，進一步判斷橋梁受撞擊后的影響，并針對此類船舶撞擊橋梁的事故從設計、施工以及管理方面提出防撞措施，為類似橋梁受撞擊的防護措施提供參考[10]。

1 工程案例現場情況

1.1 橋梁工程概況

該公路橋梁為先簡支后連續梁橋，全長195.58 m，橋面寬9.5 m，橋跨組合為5×20 m(預應力空心板)+1×30 m(預應力T梁)+3×20 m(預應力空心板)，采用柱式墩臺、鉆孔灌注樁基礎，樁長從20 m～26 m不等。橋梁技術指標為公路Ⅱ級，通航等級為Ⅵ級。

1.2 貨船情況

撞橋的貨船共有兩艘，貨船全長為25.5 m，寬為2 m，事發時，兩艘貨船均為滿載河沙，單艘貨船總質量約為30 t，由于河流上游水庫開閘，導致下游洪水位上升，貨船失控順江而下，并依次撞擊于三號和五號橋墩，撞擊橋墩后，在橋墩上有明顯的撞擊痕跡，橋梁產生了晃動，事故現場如圖1所示。

2 工程案例分析

2.1 撞擊力確定

一般而言，船舶在撞擊橋梁時，其撞擊方向不是固定的，可能會從任一角度撞擊橋墩，其最不利的情況是船舶垂直橋向撞擊或者順橋向撞擊，為了模擬貨船撞擊橋梁的最不利情況，本文從順橋向和垂直橋向分別撞擊橋墩進行考慮。通過對比國內外船舶撞擊橋梁的眾多經驗計算公式，按最不利荷載計算結果分別進行選取，其中垂直橋向的撞擊采用《鐵路橋涵設計基本規范》，順橋向的撞擊采用米諾斯基—捷勒—沃辛公式進行確定[11]。

垂直橋向的撞擊根據我國《鐵路橋涵設計基本規范》規定[12]，橋梁承受平均撞擊力F為：

(1)

其中，γ為動能折減系數，s/m0.5；V為船速，取2.5 m/s；α為船只撞擊切線夾角，取17°；W為船舶重，取300 kN；C1,C2分別為船舶與橋墩的彈性變形系數，設C1+C2=0.000 5 m/kN。

將已知條件代入式(1)后進行計算，得到垂直橋向的最大撞擊力大小為580.9 kN，將此數據作為有限元數值模擬時的垂直橋向撞擊力進行計算分析。

順橋向的撞擊按照米諾斯基-捷勒-沃辛公式[12]進行計算。

P=24(VD)2/3

(2)

其中，P為船的撞擊力，kN；V為船速，取2.5 m/s；D為船排水量，取30 t。

將已知條件代入式(2)后進行計算，得到順橋向的撞擊力大小為213.5 kN，將此數據作為有限元數值模擬時的順橋向撞擊力進行計算分析。

2.2 有限元模型

采用北京邁達斯技術有限公司的數值分析軟件MIDAS/CIVEL進行，模擬過程按兩只貨船分別撞擊三號橋墩和五號橋墩作為兩種工況展開分析，通過現場調查三號橋墩柱長11.7 m，樁長20 m，五號橋墩柱長14.6 m，樁長26 m，橋梁采用C40混凝土材料，橋梁樁基底端采用固定約束，橋面兩端采用單向約束，考慮到貨船在撞擊過程中主要是通過船緣部分與橋梁的接觸方式碰撞，因此，撞擊荷載采用集中荷載的方式，橋梁受撞擊模型見圖2。

2.3 有限元分析結果

現場撞擊過程中，貨船與橋墩并不是垂直撞擊，而是呈一定角度斜向撞擊，從橋梁安全角度考慮，在進行數值模擬時，按最不利撞擊情況考慮，分別從垂直橋向和順橋向兩種方式進行分析。

2.3.1 三號橋墩分析結果

1)垂直橋向撞擊。

考慮撞擊時水位及貨船高度，取撞擊點為距梁底7.0 m處進行分析，其作用點如圖3所示。

受貨船垂直向撞擊后全橋的應力分布如圖4所示，應力變化較大區域主要在受撞橋墩處，其最大值位置位于撞擊部分，最大應力值為σ=-6.41 MPa。

受貨船垂直向撞擊后全橋的位移變化如圖5所示，通過大變形顯示，最大值位置位于撞擊部分，其最大位移值為s=1.99 mm，其他部分的變形影響較小。

2)順橋向撞擊。

受貨船順橋向撞擊后全橋的應力分布如圖6所示，應力變化較大區域主要在受撞橋墩處，最大值位置位于撞擊部分，其最大應力值為σ=-2.52 MPa。

受貨船垂直向撞擊后全橋的位移變化如圖7所示，通過大變形顯示，最大值位置位于撞擊部分，其最大位移值s=0.82 mm，除撞擊橋墩上方橋面板有一定的變形影響外，其他部分的變形影響較小。

對比現場三號橋墩的破壞情況，現場橋墩表面撞擊處只出現了擦痕，擦痕長度大約25 cm，初步判斷撞擊時間較短，沒有明顯的裂隙和缺塊，橋墩與蓋梁連接處未發現有裂縫，說明不論是從垂直橋向撞擊，還是順橋向撞擊，對三號橋墩的影響不大。

2.3.2 五號橋墩分析結果

1)垂直橋向撞擊。

同樣，考慮撞擊時水位及貨船高度，取撞擊點為距梁底7.0 m處進行分析，其作用點如圖8所示。

受貨船垂直向撞擊后全橋的應力分布如圖9所示，應力變化較大區域主要在受撞橋墩處和樁基底部，最大值位置位于撞擊部分，其最大應力值σ=-7.36 MPa。

受貨船垂直向撞擊后全橋的位移變化如圖10所示，通過大變形顯示，最大值位置位于撞擊部分，其最大位移值s=1.97 mm，其他部分的變形影響較小。

2)順橋向撞擊。

受貨船順橋向撞擊后全橋的應力分布如圖11所示，應力變化較大區域主要在受撞橋墩處和樁基底端，最大值位置位于撞擊部分，其最大應力值σ=-2.73 MPa。

受貨船垂直向撞擊后全橋的位移變化如圖12所示，通過大變形顯示，最大值位置位于撞擊部分，其最大位移值s=0.74 mm，除撞擊橋墩上方橋面板有一定的變形影響外，其他部分的變形影響較小。

通過對比現場五號橋墩的破壞情況，橋墩表面出現了較長的擦痕，擦痕長度大約40 cm，初步判斷撞擊時間比三號橋墩時間長，但沒有明顯的裂隙和缺塊，橋墩與蓋梁連接處未發現有裂縫，說明不論是從垂直橋向撞擊，還是順橋向撞擊，對五號橋墩的影響不大。

通過數值模擬分析，從撞擊最大應力來看，兩艘貨船對三號墩和五號墩在垂直撞擊下的最大應力值分別為σ=-6.41 MPa,σ=-7.36 MPa，順橋向撞擊的最大應力值分別為σ=-2.52 MPa,σ=-2.73 MPa。均滿足橋梁混凝土材料最大抗壓強度以及橋梁允許最大變形值要求。

3 預防對策

針對貨船撞擊橋梁的事故分析，從橋梁的設計、施工以及后期管理三方面提出以下預防措施：

1)設計角度。根據現場貨船撞擊橋梁后出現的破壞現象，從橋梁自身的安全穩定性及后期使用耐久性考慮，提高橋梁設計的安全冗余度，建議在中間三號至五號墩柱增加系梁，加大橋梁對撞擊承載能力；對常水位附近增厚保護層，必要時增加柔性防船撞擊設施。

2)施工角度。在施工過程中，建議采取必要的措施，如在常水位附近橋墩表面涂抹防水材料，增加橋梁使用壽命，防止橋墩出現老化，并使用高強混凝土進行修復，在橋墩外圍布置剛性較大的防撞圈，設置夜間通行醒目標志，在施工結束后建立橋梁運營監測系統。

3)管理角度。加強橋梁與河道管理部門之間的溝通，橋梁運營管理部分應加強航道通行管理措施，設置通航警示標牌和限高架，在橋梁上下游一定范圍內利用浮標設置通航路線；通航管理部門加大巡航力度，加強監管，加強船舶操作人員的安全責任意識。

4 結論

本文采用理論分析結合數值模擬方法，對比不同方法，確定了貨船撞擊橋梁的最大撞擊力，并考慮垂直向和順橋向的撞擊作用，模擬撞擊過程中，橋墩最大應力和位移的變化規律，并提出了相應的預防措施，主要有以下結論：1)從應力變化角度分析，垂直撞擊橋墩作用下，三號橋墩和五號橋墩所受最大應力值分別為σ=-6.41 MPa，σ=-7.36 MPa，滿足混凝土材料最大抗壓強度；順橋向撞擊橋墩作用下，三號橋墩和五號橋墩所受最大應力值分別為σ=-2.52 MPa，σ=-2.73 MPa，均滿足混凝土材料最大抗壓強度。2)從橋梁變形角度分析，垂直撞擊橋墩作用下，三號橋墩和五號橋墩所受最大位移值分別為s=1.99 mm，s=1.97 mm，滿足混凝土材料最大抗壓強度；順橋向撞擊橋墩作用下，三號橋墩和五號橋墩所受最大位移值分別為s=0.82 mm,s=0.74 mm，均滿足橋梁允許最大變形值。3)從橋梁設計、施工和管理三方面出發，提出了相關的預防貨船撞擊橋梁的對策和措施，對橋梁正常使用及貨船安全通航提供了保障。