斜拉橋船撞荷載下靜動力響應(yīng)對比分析

曾 嵩，耿 波，呂成林，向明航，陳 璨，鄭 罡，

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限責(zé)任公司，重慶 400067)

斜拉橋船撞荷載下靜動力響應(yīng)對比分析

曾 嵩1，耿 波2，呂成林1，向明航1，陳 璨1，鄭 罡1，2

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限責(zé)任公司，重慶 400067)

采用船撞動力時程最大值、峰值范圍內(nèi)的局部平均值及全局平均值，作為船撞等效靜力荷載對斜拉橋進(jìn)行船撞靜力分析，將結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)與船撞動力響應(yīng)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:斜拉橋結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)、內(nèi)力響應(yīng)差別較大。建議針對存在船撞問題的斜拉橋，在設(shè)計時船撞分析盡量采用動力分析方法，以便得到更為真實(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移響應(yīng)。

斜拉橋;船撞;等效靜力

20世紀(jì)90年代以來，我國橋梁建設(shè)進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段?？缭酵ê胶恿鞯臉蛄涸絹碓蕉?，水上運(yùn)輸越來越繁忙，導(dǎo)致船舶撞擊橋梁的事故也屢見不鮮，船撞橋已經(jīng)成為航道橋梁工程設(shè)計的一個重要問題［1］。

船舶撞擊橋墩時，撞擊力不是一個恒定不變的力，而是隨時間變化的時程荷載。在工程設(shè)計中，一般將船舶撞擊力等效為靜力荷載來簡化計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。有關(guān)確定等效靜力的方法，國際上已經(jīng)提出了多種船舶撞擊力的估算公式，如Woisin公式、Pedersen公式、AASHTO規(guī)范公式、Knott公式、歐洲規(guī)范公式、挪威規(guī)范公式、我國公路規(guī)范公式及鐵路規(guī)范公式［2-7］。以上估算公式采用的方法都是先確定設(shè)計船撞力，然后將它作為靜力荷載來處理。這樣簡化的確為設(shè)計帶來了方便，但卻忽略了動力的影響因素［8］。

筆者利用大型通用有限元軟件對一座跨江斜拉橋進(jìn)行了船撞動力與靜力分析，通過比較結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的內(nèi)力和位移響應(yīng)，結(jié)構(gòu)的動力與靜力分析結(jié)果差異較大。

1 工程概況

該橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉橋，全長1 280 m，主跨680 m。采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系，主塔采用鉆石型橋塔，塔高220 m。主塔及輔助墩均采用樁基礎(chǔ)，其中主塔樁徑為2.8 m，輔助墩樁徑為1.8 m。主梁采用鋼箱梁，梁寬30.6 m(包括風(fēng)嘴)，梁高 3.5 m，橋型布置見圖1。

2 有限元模型

2.1 橋梁模型

橋梁模型如圖2，全橋共有524個單元，696個節(jié)點(diǎn)。主塔、主梁、輔助墩均采用梁單元進(jìn)行模擬;主梁與主塔、輔助墩之間采用主從約束，橋墩均采用雙支座，每個支座約束橋梁橫橋向與豎向位移，其它放開;樁土界面采用土彈簧進(jìn)行模擬;主塔采用C50混凝土，承臺及輔助墩采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土，主橋鋼箱梁采用Q370qd橋梁結(jié)構(gòu)用鋼，材料參數(shù)按規(guī)范取值，橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面參數(shù)見表1。

圖1 橋型布置(單位:m)Fig.1 Layout of bridge

圖2 橋梁有限元模型Fig.2 The finite element model of bridge

表1 關(guān)鍵截面設(shè)計參數(shù)Tab.1 Parameters of key section

2.2 船舶模型［9］

主塔的設(shè)計撞擊船舶為5 000 t級散貨船，空載壓艙排水量1 600 t，空載吃水深度2.2 m;滿載排水量6 600 t，滿載吃水深度取為7.4 m，船舶有限元模型見圖3。

圖3 船舶有限元模型Fig.3 Finite element model of ship

2.3 船撞力

如圖1，三號主塔為船舶撞擊斜拉橋的位置，文中只考慮船舶橫橋向正撞橋墩，作用力方向假定不變，船舶撞擊點(diǎn)為承臺中部。通過有限元軟件模擬得到船撞動力時程如圖4。

船撞等效靜力取動力時程中最大值Pm、峰值范圍內(nèi)的局部平均值Pl及時域內(nèi)總體平均值P［10］g，作用點(diǎn)與船撞動力作用位置相同。

圖4 船撞動力時程Fig.4 Time－h(huán)istory of vessel－bridge collision

圖4中tm為船撞力時程最大值對應(yīng)的時間，tl0、tl為 Pl取值起訖時間點(diǎn)，tg0、tg為 Pg取值起訖時間點(diǎn)。根據(jù)上述取值方法得:Pm=38 680 kN(tm=1.245 s)，Pl=21 057 kN(tl0=1.155 s、tl=1.760 s)，Pg=21 057 kN(tg0=0.035 s、tg=2.175 s)。

3 計算結(jié)果分析

3.1 位移響應(yīng)比較

圖5 塔頂橫橋向位移Fig.5 Displacement of tower－tip

采用動力時程及等效靜力計算斜拉橋在船撞力作用下的塔頂、跨中、梁端及樁頂位移響應(yīng)如圖5～圖8及表2。在船撞動力荷載作用下，塔頂、跨中節(jié)點(diǎn)、梁端及樁頂橫橋向最大位移分別為 5.2，3.3，1.5，3.4，而在等效靜力荷載作用下，與上對應(yīng)的橫橋向最大位移分別為 4.3，2.7，0.2，2.5 mm。塔頂、跨中節(jié)點(diǎn)、梁端及樁頂橫橋向最大位移的動力解均大于靜力解，其中采用等效靜力Pm時，塔頂、跨中節(jié)點(diǎn)及樁頂橫橋向最大位移的靜力解約為動力解的70%～80%;梁端最大位移的靜力解約為動力解的13%。

表2 船撞力作用下結(jié)構(gòu)橫橋向最大位移響應(yīng)比較Tab.2 Comparation of maximum displacement response of structure as the impact of ship

3.2 內(nèi)力響應(yīng)比較

采用動力時程及等效靜力計算斜拉橋在船撞力作用下的塔底彎矩與塔底剪力響應(yīng)如圖9～圖10，在船撞動力荷載作用下，塔底橫橋向最大彎矩及剪力分別為37 713 k·Nm、1 310 kN。而在等效靜力荷載作用下，塔底橫橋向最大彎矩及剪力僅有817 k·Nm、22 kN。塔底橫橋向最大彎矩、最大剪力的動力解遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜力解，采用時程最大值Pm作為船撞力荷載計算的塔底內(nèi)力橫橋向最大值僅為動力解的2%?？梢娝讬M橋向內(nèi)力的動靜力解差異極大，這主要是由于船舶的撞擊作用激發(fā)了斜拉橋主塔橫橋向的振動引起的，在船撞動力荷載作用下，主塔橫橋向彎矩、剪力的最大值均滯后于船橋碰撞約1.3 s。由表3，樁頂最大彎矩、最大剪力的動力解與靜力解相差不大，采用等效靜力Pm時，樁頂最大彎矩、最大剪力的靜力解約為動力解的70% ～80%。

表3 船撞力作用下結(jié)構(gòu)橫橋向最大內(nèi)力響應(yīng)比較Tab.3 Comparation of maximum force response of structure as the impact of ship

4 結(jié)語

針對國內(nèi)典型斜拉橋結(jié)構(gòu)，分別采用傳統(tǒng)的靜力分析方法與精細(xì)動力分析方法進(jìn)行船撞分析，通過比較結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)及內(nèi)力響應(yīng)，得到結(jié)論如下:

1)在靜力分析中，船撞等效靜力取時程最大值Pm的計算結(jié)果比采用峰值范圍內(nèi)的局部平均值Pl及時域內(nèi)總體平均值Pg更接近動力分析結(jié)果。但除斜拉橋下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)外，其它部位的位移響應(yīng)及內(nèi)力響應(yīng)均小于動力荷載作用下的計算結(jié)果，且兩者相差較大。

2)采用船撞動力時程最大值Pm作為船撞等效靜力時，塔頂、跨中節(jié)點(diǎn)及樁頂橫橋向最大位移的靜力解約為動力解的70%～80%;梁端最大位移的靜力解約為動力解的13%。樁頂最大彎矩、最大剪力的靜力解約為動力解的70%～80%。

3)建議針對存在船撞問題的斜拉橋，在設(shè)計時船撞分析盡量采用動力分析方法，以便得到更為真實(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移響應(yīng)。如果要采用靜力分析方法，必須對靜力計算結(jié)果進(jìn)行修正。

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Static and Dynamic Response Comparison Analysis of Cable－stayed Bridge under Vessel Collision Load

ZENG Song1，GENG Bo2，LV Cheng-lin1，XIANG Ming-hang1，CHEN Can1，ZHENG Gang1，2
(1.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Chongqing Communications Research ＆ Design Institute Co.，Ltd.，China Merchants Bureau，Chongqing 400067，China)

The response of cable-stayed bridge under vessel collision load by dynamic and static analysis was analyzed with the maximum and the local average and the global average of the dynamic time history of ship impact as the equivalent static load.After comparison of the results it could be obtained that the response of cable-stayed bridge was different when different methods were applied.It was suggested that the cable-stayed bridge crossing the navigable river should be designed by dynamic analysis under vessel impact so as to get the displacement and force response accurately.

cable-stayed bridge;vessel-bridge collision;the equivalent static force

U442.55

A

1674-0696(2011)03-0384-04

2010-12-30;

2011-03-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51008266)

曾 嵩(1980-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析方面的研究。E-mail:zengsong-hb@163.com。