某通航橋梁抗撞性能評估

吉順莉，陸萍

（江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010）

近年來，隨著全國交通基礎設施建設的日益加快，跨越通航水域的橋梁不斷增多，對于水中設墩的跨航橋梁，船舶碰撞跨河橋梁的風險日趨加大，且事故頻發。為了進一步提升通航橋區水域通航環境，有效防范船舶碰撞橋梁事故發生，本文結合某通航橋梁抗撞性能評估實例，為提升橋梁防撞能力提供支撐，保障跨河橋梁安全和船舶航行安全。

1 橋梁基本情況

該大橋是高速公路大橋，主跨為PC 變截面連續箱梁，橋梁中心線軸線與航道中心線夾角為15°，本橋所在航段航道等級為五級，規劃三級。

本橋為雙幅橋，全長903 .4 米，橋面全寬28m，采用預應力連續箱梁結構型式。橋梁共31 孔，中間第16#孔主跨雙向通航，單幅涉水橋墩2 個，共4 個。

橋梁結構立面圖、結構平面圖見圖1 至圖2 所示。

2 橋梁抗撞性能驗算

2.1 相關參數確定

2.1.1 驗算工況

依據交通運輸部指南相關要求，本次橋梁綜合評估抗撞性能驗算主要針對現狀設防代表船型開展，同時補充驗算了建設期工況及規劃航道等級對應船型驗算，具體船型噸級取值如表1：

表2 橋梁抗船撞設防目標

2.1.2 橋梁性能標準

橋梁抗撞性能標準是橋梁抗撞能力是否滿足的判別尺度，與橋梁的重要性等級、設防水準及構件性能等級息息相關。

本橋梁為高速公路上的大橋，依據《公路橋梁抗撞設計規范》相關要求[1]，橋梁抗船撞設防目標均為P1，橋梁的總體結構和構件受船舶撞擊后其承載能力和通行能力均不能降低，各部構件均保持正常工作，船舶的撞擊過程中結構仍處于彈性階段，只能發生局部損傷（如保護層混凝土剝落等）影響橋梁的耐久性，需要進行耐久性的補修。

2.1.3 設防代表船型

驗算中提出的設防代表船型是作為計算橋墩、防撞設施船舶撞擊力使用，取單船作為計算船舶撞擊力的代表船型，本橋的代表船型為1000 噸級單船，兼顧90TEU 集裝箱船和1 拖+5×1000 拖帶船隊。代表船型尺度為60×10.8×2.5（長×寬×吃水，單位m）。

2.1.4 材料力學特性

（1）混凝土：通航孔主墩橋墩及承臺為C30混凝土，鉆孔樁為C30 水下混凝土，上部結構采用C50 混凝土，容重γ=26kN/m3，彈性模量分別為E=3.45x104MPa、E=3.00x104MPa。

（2）鋼筋：HRB400 鋼筋抗拉強度fsd=300MPa。

2.1.5 荷載

2.1.5.1 二期恒載

包括橋面混凝土鋪裝、瀝青鋪裝及依據橫向分布影響線分配的護欄荷載。

2.1.5.2 流水壓力

作用于橋墩上的流水壓力按《公路橋涵設計通用規范》第4 .3 .9 條計算[2]。

2.1.5.3 船舶撞擊力[3]

2.1.5.3.1 計算方法

通過對各規范船舶撞擊力理論、演變分析，并依據《橋梁通航安全風險及抗撞性能綜合評估工作及技術指南》相關要求，本橋梁的抗撞性能評估參照《公路橋梁抗撞設計規范》，為了更準確地得到真實的橋梁抗撞性能，采用強迫振動法（動力法）進行抗撞性能分析驗算。

強迫振動方法可以提供更合理的船撞效應計算結果，是將船撞作用力的時程曲線施加于橋墩上，進行時程分析得到橋梁的響應。

2.1.5.3.2 船舶撞擊速度

橋梁的設防船撞力與設防代表船型及船舶撞擊速度息息相關，本橋梁船舶撞擊速度是根據橋區水域的實測數據確定，對各橋梁過橋船舶速度進行實測，船舶過橋航速在1.7m/s～3.7m/s 之間，參照AIS 系統，選取不同時段具有代表性的過橋航速作為本次設計的船舶撞擊速度，同時參照《上海市內河跨航道橋梁水中墩防撞（護）設計導則》的相關規定，Ⅱ～Ⅴ航道防撞速度取3.61m/s，Ⅵ～Ⅶ航道取2.77m/s，綜合考慮，取該大橋船舶過橋航速為3.6m/s。

2.1.5.3.3 船舶排水量

采用5%準則確定，即取95%分位對應的船舶在載重噸作為計算船舶撞擊力載重噸。

船舶排水量＝載重噸/0.75=1933 噸。

2.1.5.3.4 船舶撞擊作用點

根據《公路橋梁抗撞設計規范》《公路橋涵設計通用規范》取設計最高通航水位線以上2.0m 位置作為撞擊力作用點。

2.1.5.4 活載

（1）汽車荷載：按原設計文件，根據《公路橋涵設計通用規范》規定取用，公路一Ⅰ級。

（2）汽車沖擊力：汽車荷載考慮沖擊系數，按《公路橋涵設計通用規范》第4.3.2 條取用。

2.1.6 荷載組合

根據《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02-2020）第4.3.2 條規定，船撞力作用效應是考慮船撞作用的偶然組合下的作用效應設計值，考慮的作用包括永久作用標準值、流水壓力標準值、汽車荷載標準永久值及設防船撞力，船舶撞擊的荷載組合為：1.0 永久作用標準值＋1.0 設防船撞力標準值＋1.0 水流、波浪壓力標準值＋0.4 汽車荷載標準值（考慮沖擊系數）[7]。

2.1.7 樁—土相互作用

樁側土對樁基的約束效應采用土彈簧來進行模擬（節點彈性支承），土彈簧剛度計算采用《公路橋涵地基及基礎設計規范》（JTG 3363-2019）中給定的"m"法計算[4]。

2.1.8 邊界條件

連接橋梁上、下 部結構的支座采用彈性連接模擬，支座約束特性通過輸入的彈性連接剛度模擬；支座與上、下部結構之間通過主從約束連接：蓋梁與橋墩、承臺與樁基之間均通過主從約束連接。

2.1.9 結構重要性系數

結構重要性系數取為1.0（偶然組合）。

2.2 抗撞性能驗算結果

2.2.1 模型建立

通過Midas/Civil 建立全橋有限元模型，共離散為807 個單元，840 個節點，其中主梁、橋墩、樁基等均采用梁單元模擬[5]，并模擬樁—土相互作用，計算模型如圖3 所示。

圖3 該大橋抗撞性能分析模型

2.2.2 基于現狀設防代表船型橋梁抗撞性能驗算

依據有限元分析結果，本橋考慮船舶撞擊力的偶然組合作用下的作用響應分析包括橋墩、樁基礎及支座等，如下所示。

2.2.2.1 橋墩強度

船撞作用偶然組合下橋墩剪力、彎矩及軸力包絡見圖4 所示。

圖4 大橋橋墩響應包絡圖（kN）

船撞作用偶然組合下橋墩最不利位置強度驗算結果見表3 所示。

表3 大橋橋墩強度驗算結果表

表4 橋墩變形能力驗算

經計算，通呂運河大橋橋墩順橋向軸壓比為0 .075＜0 .5，墩柱順橋向剪跨比為1.7 ＞ 1.5，根據《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02-2020）第4.3.3條及附錄A.1.3 規定進行橋墩變形驗算。

2.2.2.2 樁基強度

大橋樁基順橋向、橫橋向均屬于矮墩，按《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T2231-01-2020）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）、《公路橋梁抗撞》、《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02-2020）驗算偶然組合下樁基強度。

船撞作用偶然組合下樁基抗剪、抗壓承載力驗算結果見表5。

表5 大橋樁基強度驗算結果表

2.2.2.3 樁基豎向承載力

大橋樁基豎向承載力驗算結果見表6 所示。

表6 大橋樁基豎向承載力驗算結果表

2.2.2.4 樁基位移

依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363-2019），驗算橋墩樁基沖刷線處位移，見表7 所示。

表7 大橋樁基沖刷線處位移驗算結果表

2.2.2.5 支座

依據《公路橋梁抗撞設規范》（JTG/T 3360-02-2020），對通航孔主墩盆式支座水平位移及水平承載力進行驗算，見表8 所示。

表8 大橋盆式支座驗算結果表

3 結論

依據相關規范，船撞作用偶然組合下對該大橋橋墩、樁基及支座進行抗撞性能驗算，主要結論如下：

（1）按照原建設期《公路橋涵設計通用規范》對應Ⅲ級航道設防標準，橋梁抗撞承載能力及變形滿足規范要求。

（2）按照現狀設防代表船型，參照《公路橋梁抗撞設計規范》相關條文進行驗算，橋梁抗撞承載能力及變形滿足規范要求。

（3）按照規劃航道等級對應代表船型，參照《公路橋梁抗撞設計規范》相關條文進行驗算，橋梁抗撞承載能力及變形滿足規范要求。