規(guī)劃航道橋梁抗撞性能研究

江二中,劉耀鳳

(1.廣西北部灣投資集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西北投交通養(yǎng)護科技集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

橋梁是跨越山川、低谷與河流等障礙物的結(jié)構(gòu)物,亦是交通網(wǎng)絡中重要的樞紐。然而,于河流中的船舶而言,橋梁卻成為了阻礙船舶通行的障礙物。據(jù)統(tǒng)計,1960—2002年間,世界上至少有31座橋梁因船舶撞擊倒塌,至少342人死亡,造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。而我國在1960—2004年,船撞橋事故至少發(fā)生了251起,其中1998年龍港大橋被一艘油輪撞塌,導致4人死亡、1人受傷,橋梁重建費用為800萬元;2000年廣東省東江流域一艘載客船撞擊黎咀大橋后翻沉,致使船上44人全部落水,6人死亡、2人重傷,造成了十分惡劣的社會影響及嚴重的經(jīng)濟損失。船撞橋梁安全事故頻發(fā),我國水路運輸量亦不斷上升,亟須根據(jù)航道流量及橋梁抗撞性能對各橋梁的現(xiàn)狀通航等級進行規(guī)劃提高等級,并對橋梁抗撞性能進行評估,以保障橋梁的使用壽命和人們的出行安全。

本文以白沙大橋為工程背景,評估其抗撞性能是否滿足規(guī)劃航道的抗撞要求,明確橋梁抗撞性能的分析流程,為需要提升航道等級的橋梁提供借鑒。橋梁抗撞性能的具體分析流程如圖1所示。

圖1 橋梁抗撞性能分析流程圖

1 橋梁抗撞性能標準

根據(jù)我國《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》[1]的規(guī)定,橋梁抗撞設防目標分為3個等級(P1、P2、P3),應通過船撞重要性等級和船撞作用設防水準確定。其中橋梁的船撞重要性等級應按照所屬公路等級和橋梁分類選取,如表1所示。對于有特殊要求的橋梁,其船撞重要性等級可根據(jù)具體情況研究確定。

表1 橋梁的船撞重要性等級表

由表2可知,橋梁的抗撞性能設防目標還需通過船撞作用設防水準進行確定。對于一般橋梁,整橋的最大年倒塌概率應<1×10-3,船撞作用設防水準取L1;對于重要橋梁,整橋的最大年倒塌概率應<1×10-4,船撞作用設防水準取L2。

表2 橋梁的抗撞設防目標表

橋梁結(jié)構(gòu)的抗船撞性能等級應按表3取用,構(gòu)件的抗船撞性能等級應按表4取用。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)的抗船撞性能等級表

表4 橋梁構(gòu)件的抗船撞性能等級表

2 橋梁船撞力計算方法

船舶撞擊橋梁是能量變化的過程,其碰撞力隨著碰撞過程的推進而不斷發(fā)生變化。目前各國采用簡化經(jīng)驗公式計算船撞力,即考慮船撞力對橋梁的作用時將其等效為靜力。簡化經(jīng)驗公式是基于能量交換原理、沖量原理、船橋碰撞試驗以及大量的實際碰撞數(shù)值統(tǒng)計等擬合出計算船撞力的等效靜力方法[2]。目前認可度較高的船橋碰撞力等效靜力計算規(guī)范主要為:《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》、美國ASSHTO規(guī)范[3]、《公路橋涵設計通用規(guī)范》[4]以及《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》[5]。我國常用采用《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》來計算橋梁船撞力,見式(1):

F=α·η·γ·V·[(1+CM)·M]0.62

(1)

(2)

式中:α——輪船撞擊力系數(shù),取0.033;

η——幾何尺寸的修正系數(shù);

γ——撞擊角度的修正系數(shù);

V——船舶撞擊橋梁的速度(m/s);

CM——附連水質(zhì)量系數(shù),船撞正撞時宜取0.1～0.3,側(cè)撞時宜取0.45～0.5;

M——船舶載滿貨物時的排水量(ton);

ΔH——被撞體厚度(m);

HS——船艏高度(m);

β——為統(tǒng)計系數(shù),取4.0。

3 橋梁抗撞性能驗算

橋梁抗船撞性能評估是設置橋梁防撞設施的前提,是車輛安全通行的保障。我國對橋梁船撞效應和橋梁船撞性能指標做出了規(guī)范要求,橋梁受到大船撞擊后應通過強度驗算的方式對橋梁抗船撞性能進行評估。

3.1 抗彎承載力計算

《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》中指出,軸壓比<0.5,且剪跨比為1.5以上的鋼筋和鋼筋混凝土柱式構(gòu)件的彎曲性能應按圖2進行驗算,彎曲變形性能等級的界限值θd可按式(3)進行計算,其他鋼筋混凝土柱式構(gòu)件的彎曲性能應進行專門研究。

圖2 彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線圖

(3)

θpu=(φu-φy)Lp

(4)

式中:K——構(gòu)件極限塑性轉(zhuǎn)角的安全系數(shù),取1.5;

α——構(gòu)件性能等級系數(shù),按規(guī)范進行取值;

θpu——構(gòu)件塑性區(qū)的極限塑性轉(zhuǎn)角(rad);

φu——塑性鉸區(qū)極限曲率(m-1);

φy——塑性鉸區(qū)屈服曲率(m-1);

LP——塑性鉸長度(m),Lp=1.0H,H為計算方向截面高度。

3.2 抗剪承載力計算

《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》中給出了鋼筋構(gòu)件抗剪承載力Vyd的計算公式,本文采用式(5)對墩柱關(guān)鍵截面進行抗剪能力計算分析。

Vyd=φs(Vcd+Vwd)

(5)

式中:Vcd——混凝土部分的抗剪承載力設計值(kN);

Vwd——箍筋部分的抗剪承載力設計值(kN);

φs——抗剪沖擊效應折減系數(shù),取0.7。

4 工程分析

4.1 工程概況

本文以白沙大橋為工程依托進行規(guī)劃航道橋梁抗撞性能分析。其主橋全長395.0 m,主孔為2×122.5 m門式索塔,主梁為π型截面預應力混凝土梁,梁高2.0 m,橫梁間距為5.0 m。直線門型橋塔高69.0 m,兩邊對稱分布22對扇形拉索,橋面索間距為5.0 m。設計荷載等級為汽車-超20級、掛車-120,人群荷載為3.5 kN/m2。本橋設計采用單孔雙向通航,主通航孔為SZ#～NZ#墩?，F(xiàn)狀航道等級下最高通航水位標高為76.63 m,最低通航水位標高為67.05 m,滿載排水量為1 500 t。為了適應不斷提升的船舶流量及墩量,將原Ⅲ級航道規(guī)劃為Ⅱ級航道。Ⅱ級航道最高通航水位標高為77.8 m,最低通航水位標高為67.05 m,滿載排水量為2 500 t。

4.2 抗撞性能參數(shù)

白沙大橋?qū)儆诖笮椭匾こ?投資大,使用年限長,應盡量減少大橋受船舶撞損的風險,故橋墩采用1×10-4的撞損頻率。本研究工作中白沙大橋船撞設防水準為L2,橋梁船撞重要等級為C1級,由表2可知,白沙大橋的抗船撞設防目標為P1等級,各構(gòu)件的抗船撞性能等級為JX1,要求橋梁構(gòu)件在碰撞后正常工作,無須維修。

船舶撞擊方向與橋軸線法向平行,撞擊角度為0°交角正向撞擊,計算時間為3 s;船速根據(jù)《公路橋梁撞擊設計規(guī)范》規(guī)定的船舶撞擊速度曲線進行取值,為4.2 m/s。由于該橋橋型對稱,本文僅以最具代表性的橋墩ZZ#墩作為研究對象,采用2 000 t的代表船型噸位進行規(guī)劃航道橋梁抗撞性能分析。

4.3 有限元模型的建立

運用Midas Civil軟件進行建模,全橋均采用梁單元進行模擬,主梁采用C50混凝土的參數(shù),材料本構(gòu)模型取為彈性本構(gòu);橋塔采用C50混凝土的參數(shù),主墩采用C30混凝土,材料本構(gòu)模型取為彈性本構(gòu);樁基礎的材料參數(shù)為C25混凝土,以彈性梁單元進行模擬。全橋共建立955個梁單元以及88個桁架單元,得到如圖3所示的有限元模型。

圖3 全橋船撞分析有限元模型圖

4.4 橋梁船撞效應

根據(jù)《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》的船撞力計算方法,得到規(guī)劃Ⅱ級航道的船舶撞擊橋墩的力為15.1 MN,將計算所得的船撞力施加于有限元模型,獲得ZZ#墩橋梁船撞效應如圖4所示。

(a)高水位彎矩(kN·m)

由圖4可得,河流處于高水位狀態(tài)的最大彎矩效應值為-142 877.12 kN·m,最大剪力效應值為-19 190.75 kN;河流處于低水位狀態(tài)的最大彎矩值為-182 838.34 kN·m,最大剪力效應值為-28 548.02 kN。根據(jù)最大彎矩和最大剪力的受力位置可知,無論河流處于高水位或低水位狀態(tài),船舶撞擊橋墩時,最不利彎矩和最不利剪力的受力位置均為橋墩的中下部分。原有航道等級的提升使得船舶的噸量隨之增加,導致河流高水位對船舶的影響較小,撞擊時仍與低水位撞擊橋梁的部位接近。

4.5 橋梁抗撞性能驗算

本節(jié)通過抗彎承載力以及抗剪承載力兩個方面評估規(guī)劃Ⅱ級航道下橋梁的抗撞性能。若船撞效應值均滿足截面抗彎承載力以及抗剪承載力要求,說明橋梁的抗撞性能良好,提升航道等級后無須增設抗撞設施;否則橋梁抗撞性能較差。

通過《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》計算可得橋梁的抗彎和抗剪承載力分別為207 200 kN·m和7 346 kN。其抗撞性能驗算結(jié)果如表5所示。在規(guī)劃Ⅱ級航道等級下,橋墩的抗彎承載力均能抵御船舶在高水位和低水位行駛過程中對橋梁的撞擊。

表5 橋墩船撞彎矩效應和剪力效應驗算結(jié)果表

橋墩的剪力承載力值與船舶撞擊橋梁的剪力效應值差距較大。船舶在高水位狀態(tài)下撞擊橋墩的剪力效應值比剪力承載力值高1.6倍;船舶在低水位狀態(tài)下撞擊橋墩的剪力效應值比剪力承載力值高2.9倍。

該橋的抗彎承載力滿足抗撞強度驗算,然而抗剪承載力遠不足以抵抗規(guī)劃Ⅱ級航道下2 000 t船舶撞擊橋墩的撞擊力,因此該橋的抗撞性能較差,需增設相應的抗撞設施,適應不斷增加的船舶流量和噸量,以保障橋上行人及船舶的安全。

5 結(jié)語

(1)本文明確了橋梁抗撞性能的分析流程,先確定橋區(qū)航道、通航安全性、船型模型及橋梁的基本參數(shù),根據(jù)基本參數(shù)選擇橋梁抗撞性能標準,計算船撞力,并施加于有限元模型中獲取最大彎矩效應和最大剪力效應,最后通過抗彎承載力和抗剪承載力驗算其強度是否通過,通過則說明橋梁抗撞性能良好,否則較差。

(2)當規(guī)劃航道的等級遠高于橋梁所處的原航道等級時,船舶對橋墩的撞擊損壞面位于中下部位。

(3)白沙大橋在規(guī)劃Ⅱ級航道等級中受到2 000 t的船舶撞擊時,其抗撞性能較差,抗剪效應值幾乎高出抗彎承載力兩倍,無法抵抗船舶撞擊時所產(chǎn)生的抗剪效應,橋墩造成抗剪破壞。若要提升該橋的航道等級,需有針對性地增設防撞設施。