船撞橋梁上部結(jié)構數(shù)值仿真分析

孟媛媛

摘 要：隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，跨越河海的橋梁建設也逐年增長。跨航道橋梁常會受到船的撞擊，因此跨航道的橋梁在設計時，應對橋梁的通航能力和承載能力進行重點考慮。通常，在對船橋相撞問題進行分析時，主要是通過半經(jīng)驗半公式的方法。隨著模擬技術的發(fā)展，仿真分析得到了廣泛的應用。針對船橋相撞問題論文進行了以下研究：有限元模型簡化、通過實際工程對仿真計算進行分析、對橋梁的動力響應和撞擊力進行分析，得到相關變化規(guī)律。為船橋相撞課題發(fā)展和研究提供了理論分析和方法。

關鍵詞：跨河橋梁;通航能力;半經(jīng)驗半公式;撞擊力

中圖分類號：U441;U447 文獻標識碼：A

0 引言

我國對于船橋相撞問題的研究起步較晚。研究初期，主要針對船橋相撞的概念、撞擊存在的風險、撞擊時橋梁的性能變化進行分析。隨著計算機水平的不斷提高，大數(shù)據(jù)對各個行業(yè)的滲透，我國開始利用有限元技術對船橋相撞問題進行分析[1]。由于初期的理論基礎較少，導致船橋相撞的模型過于簡單，對橋墩的受力情況、變形、以及船舶的能量變化分析較少[2]。本文在前期研究的基礎上，對船橋相撞的不同工況進行模擬，通過有限元軟件對撞擊過程中能量變化進行分析，具有一定的理論意義和參考價值。

1 工程概況

某跨航道橋，橋梁全長為164 m。橋跨跨徑布置為：8×20 m+4 m，上部結(jié)構采用跨徑20 m的鋼筋混凝土T梁和跨徑4 m鋼筋混凝土板梁。下部橋墩為雙柱式，樁基礎為鉆孔灌注樁。2019年一艘近400 t的貨船從橋梁下方通行時，貨船的頂部撞到了橋梁的腹板，撞擊位置為第4孔1號T梁，導致梁體開裂及腹板混凝土局部脫落。

2 結(jié)構分析

2.1 橋梁上部結(jié)構模型及參數(shù)

本文研究船橋相撞的主要部位為橋梁的上部結(jié)構與船舶的甲板室，主要是針對橋梁上部結(jié)構的動力響應進行分析，因此模型在建立過程中簡化了橋梁下部結(jié)構。橋梁上部結(jié)構為T梁，標準跨徑為20 m。有限元模型中混凝土采用solid65單元，鋼筋采用link8單元。相關材料指標按照設計規(guī)范取用。

2.2 船舶模型及參數(shù)

為便于分析，對船體曲面外觀簡按斜面處理。貨輪尺寸為26 m×4.5 m×2.2 m（長×寬×高），甲板室的尺寸為3 m×3 m×4 m（長×寬×高）。船舶有限元模型采用SHELL163殼單元，其中船艙為3層鋼板。為減少水浮力對船舶的影響，降低船舶浮動和漂流現(xiàn)象，對船舶Y和Z方向進行約束，釋放X方向的全部約束[3]。船舶的材料參數(shù)如表1所示。

2.3 船橋相撞模型建立

船橋碰撞角度為90°，撞擊接觸面為橋梁腹板與船舶甲板室。在進行模擬時主要考慮的因素有：船舶行駛速度、甲板室的鋼板厚度、接觸面高度。通過設定不同的工況進行模擬分析。船橋相撞模型如圖1所示。

2.3.1 撞擊力

當發(fā)生船橋相撞時，從二者接觸開始，撞擊力的變化為先增大，后減小。接觸瞬間撞擊力的增長速率較大，在一定的碰撞接觸時長下，撞擊力將達到最大值，然后撞擊力開始出現(xiàn)小范圍的波動，隨后開始減小直到撞擊力降低為0。

2.3.2 速度

當船橋發(fā)生撞擊到船速降為0 m/s時，用時為816 ms，當發(fā)生船橋相撞時，船舶的行駛速度開始降低。在撞擊力的持續(xù)作用下，船舶開始反向行駛，達到計算結(jié)束的時間時，船舶行駛速度為0.51 m/s。

2.3.3 能量變化

因能量守恒，船橋相撞時，船舶的內(nèi)能會突然增長。但隨著船舶的撞擊速度增長，內(nèi)能占總能量的比重越來越低，此時的內(nèi)能已經(jīng)轉(zhuǎn)化為變形能，同時也說明橋梁變形吸收的能量較少。通過分析可以總結(jié)出：發(fā)生船橋相撞時，橋梁的破壞較小，船舶的破壞較大。且速度越快，船舶變形越嚴重。

2.3.4 位移

船舶的甲板室與T梁碰撞時，橋梁腹板會發(fā)生橫向位移，通過對腹板的外側(cè)和內(nèi)側(cè)位移進行分析可知：T梁腹板內(nèi)側(cè)位移最大值為350.89 mm，外側(cè)位移最大值為351.24 mm，說明發(fā)生撞擊時腹板內(nèi)外側(cè)位移基本無差別。

3 橋梁動力響應分析

3.1 不同速度影響

船橋相撞時，船舶的速度對T梁以及自身甲板室的影響較大，因此在碰撞高度以及甲板室的鋼板厚度一定的條件下，分析不同速度對撞擊效果的影響。船舶不同行駛速度工況如表2所示。

通過對不同速度工況下船橋相撞進行模擬分析，主要分析指標為撞擊力和位移，具體如下。

3.1.1 撞擊力變化

當速度由0.5 m/s變化到4.0 m/s時：隨著速度的增大，撞擊力發(fā)生的響應也越來越大。通過縱向比較，撞擊力的最大值與速度的最大值具有良好的相關性。以撞擊力大小為因變量，以速度大小為自變量，對模擬數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果表明二者的相關系數(shù)為0.974，同時進一步證明速度對撞擊力具有較大影響。擬合的撞擊力-速度變化曲線如圖2所示。

3.1.2 位移變化

為說明不同撞擊速度下橋梁位移的變化規(guī)律，選取腹板底部節(jié)點和翼緣板外側(cè)節(jié)點進行分析。腹板節(jié)點位移（y）與撞擊速度（x）間存在關系為：y=﹣18x2+177.5x-19.53。通過模擬分析與公式表明：撞擊速度由4 m/s變化到0.5 m/s時，腹板節(jié)點的位移量在逐漸減小，且位移最大值也在逐漸減小。利用相同的方法對翼緣板的節(jié)點進行分析，二者的相關系數(shù)為0.994，說明速度對腹板位移影響程度較大。

3.2 不同撞擊高度影響

撞擊高度對T梁的上部結(jié)構影響程度較大。因此在撞擊速度、鋼板厚度相同的條件下，選取撞擊高度為0.1～0.8 m，通過撞擊力和節(jié)點位移的變化情況來說明撞擊高度的具體影響。不同撞擊高度工況如表3所示。

3.2.1 撞擊力變化

經(jīng)分析不同撞擊高度情況下撞擊力變化規(guī)律可知：撞擊力隨撞擊高度的增大而增大。通過對模擬數(shù)據(jù)進行擬合，撞擊力的最大值與撞擊高度存在線性關系。二者的相關系數(shù)高達0.991。擬合的撞擊力-高度變化曲線如圖3所示。

3.2.2 位移變化

為說明不同撞擊高度下橋梁位移的變化，選取腹板底部節(jié)點和翼緣板外側(cè)節(jié)點進行分析。對于腹板節(jié)點選取時，應考慮混凝土失效引發(fā)位移失真。經(jīng)分析得出結(jié)論為：在8種不同工況下，腹板節(jié)點的位移值變化規(guī)律一致，腹板節(jié)點位移先增加，在特定的撞擊高度下達到最大值，然后緩慢降低。翼緣板位移變化情況與腹板情況相同。通過對模擬數(shù)值進行擬合，得出節(jié)點位移（y）與撞擊高度（x）之間的關系：y=﹣345.7x2+225.2x+139.4。通過對該方程對應曲線進行分析，驗證了上述結(jié)論的正確性。

3.3 不同鋼板厚度影響

在速度和撞擊高度相同的條件下，建立不同鋼板厚度的船舶模型，針對撞擊力和節(jié)點位移進行分析，如表4所示。

3.3.1 撞擊力變化

通過對3種工況下撞擊力的模擬數(shù)據(jù)進行分析可知：甲板厚度越大，撞擊力的最大值越大。鋼板厚度越大，撞擊力減小到0的時間越短，主要原因為鋼板厚度增加，船橋的撞擊力增加，二者碰撞時的能量交換較大，動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的速度變快。通過對模擬數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)：鋼板厚度（x）與撞擊力（y）間滿足一次函數(shù)關系y=0.777x-2.776，相關系數(shù)為0.98，驗證了以上數(shù)據(jù)分析的正確性。

3.3.2 位移變化

為說明不同鋼板厚度下橋梁位移的變化，選取腹板底部節(jié)點和翼緣板外側(cè)節(jié)點進行分析。通過對3種工況下節(jié)點的位移的模擬數(shù)據(jù)進行分析可知：鋼板厚度越大，腹板產(chǎn)生的位移值也越大。翼緣板位移變化情況與腹板情況相同。通過對模擬數(shù)值擬合發(fā)現(xiàn)：鋼板厚度（x）與節(jié)點位移（y）間滿足一次函數(shù)關系y=49.19x-286.7，相關系數(shù)為0.999。

4 撞擊力分析

4.1 不同速度影響

通過對不同速度下的撞擊力最大值與規(guī)范值進行對比得出速度-撞擊力變化規(guī)律如圖4所示：當速度為0.5～

3.0 m/s時，計算值大于各國的規(guī)定值;當速度為3.0 m/s時，計算值與美國的規(guī)定值較為接近;當速度為3.5～4.0 m/s時，計算值小于美國規(guī)定值，大于其他國家的規(guī)定值。（其中仿真值為模擬分析結(jié)果，公路規(guī)范、鐵路規(guī)范均為中國規(guī)范，且規(guī)范計算值與模擬分析計算結(jié)果差異較小，本文對此進行忽略）。

4.2 不同撞擊高度影響

通過對不同撞擊高度下的撞擊力最大值與規(guī)范值進行對比得出高度-撞擊力變化規(guī)律如圖5所示：撞擊高度在0.1～0.8 m內(nèi)，最大撞擊力的計算值小于美國規(guī)范值，大于其他國家規(guī)范值。（其中仿真值為模擬分析結(jié)果，公路規(guī)范、鐵路規(guī)范均為中國規(guī)范）。

4.3 不同鋼板厚度影響

通過對不同鋼板厚度的撞擊力最大值與規(guī)范值進行對比得出厚度-撞擊力變化規(guī)律如圖6所示：鋼板厚度與撞擊高度對撞擊力的影響變化規(guī)律一致（其中仿真值為模擬分析結(jié)果，公路規(guī)范、鐵路規(guī)范均為中國規(guī)范）。

通過對撞擊力進行分析可知：各國對于撞擊力的計算方法和參數(shù)取值不同，因此導致最終的規(guī)定值不同。我國撞擊力最大值的規(guī)定均小于其他國家的規(guī)定，說明我國的設計過于保守。從具體的計算角度分析，國外將船橋相撞定為風險事件，而我國是將撞擊力定為偶然荷載，因此在設計思路和計算方法上是不同的。

5 結(jié)語

為使計算簡單，本文對模型進行了簡化處理，并對橋梁上部結(jié)構以及參數(shù)進行設定。

通過對船撞橋梁動力響應進行分析研究，結(jié)果表明：

（1）船橋相撞發(fā)生過程中，撞擊力先增大后減小;速度逐漸降低;能量變化為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為變形能;腹板內(nèi)側(cè)與外側(cè)位移差別較小。

（2）當速度、撞擊高度、鋼板厚度增大時，最大撞擊力、節(jié)點位移也增大。不同速度下，計算值大于規(guī)范值;當速度為3.0 m/s時，撞擊力變化與美國規(guī)定值相近;不同撞擊高度、不同鋼板厚度條件下，撞擊力的計算值大于其他國家的規(guī)定值，小于美國規(guī)定值。本文通過模擬結(jié)果與公式計算結(jié)果進行分析，表明不同撞擊速度下，二者的偏差最大值僅為計算值的2.57%。

參考文獻：

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