內(nèi)河高樁承臺(tái)橋梁船撞動(dòng)力響應(yīng)分析

邵俊虎，趙人達(dá)，占玉林，王明路

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

隨著高速公路的大量興建，跨越河流的橋梁也越來越多，由于近年來河流通航船舶的密度和噸位的大幅增多，船舶撞毀橋梁的風(fēng)險(xiǎn)越來越高，橋梁船撞問題日漸突出。對(duì)于船撞問題，國內(nèi)外作了大量研究，主要集中在船舶撞擊橋梁的力學(xué)分析方法以及橋梁在船舶撞擊下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。在船舶撞擊橋梁的力學(xué)分析方法上，除了各國推出的規(guī)范簡(jiǎn)化公式[1-4]外，主要采用有限元方法來對(duì)船舶撞擊橋梁的力學(xué)過程進(jìn)行計(jì)算分析，Cowan將撞擊船舶簡(jiǎn)化為一個(gè)集中質(zhì)量，并通過非線性只受壓彈簧與橋梁連接的方法對(duì)橋梁在船撞作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，并論證了這種方法的有效性[5]。文獻(xiàn)[6-10]結(jié)合有限元和碰撞—接觸算法對(duì)船舶撞擊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，分析了各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，并證明了有限元結(jié)合碰撞—接觸算法分析此類問題的可靠性。和秀嶺等[11]采用3 000 t內(nèi)河船舶撞擊時(shí)程力計(jì)算了一座拱橋在橫向和縱向船舶撞擊下拱圈的動(dòng)力響應(yīng)。楊智等[12]對(duì)一座漂浮體系斜拉橋在船撞作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，并分析了重力、斜拉索力、p—Δ效應(yīng)對(duì)船撞作用下主墩的內(nèi)力響應(yīng)的影響。朱忠義等[13]對(duì)一座已建拱橋進(jìn)行了船撞數(shù)值模擬，并與索爾—諾特—格林那公式進(jìn)行了比較，得出了一些有益于設(shè)計(jì)的結(jié)論。陳剛等[14]按照簡(jiǎn)化公式對(duì)一座內(nèi)河樁柱式橋梁在船撞作用下的橋梁內(nèi)力響應(yīng)進(jìn)行了分析研究，研究表明，設(shè)置橫系梁能有效減小被撞橋墩的內(nèi)力響應(yīng)。

船撞作用作為一種偶然作用，國內(nèi)對(duì)于船撞橋的研究主要集中在重要的大型橋梁上，對(duì)于內(nèi)河航運(yùn)等級(jí)較低的河流上的橋梁研究較少。而隨著交通發(fā)展，航運(yùn)等級(jí)較低的內(nèi)河橋梁船撞事故也時(shí)有發(fā)生。對(duì)于高樁承臺(tái)，從船舶撞擊橋梁的位置來講，一般分為撞擊承臺(tái)和撞擊樁基兩種類型。樁基主要承受豎向荷載，船舶撞擊樁基往往會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)更為不利。

1 工程概況

新建白水大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，跨徑組合為(102+168+102)m，橋梁總長388 m，橋面寬10 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)，承臺(tái)與箱梁0#塊剛性連接，構(gòu)成獨(dú)特的連續(xù)剛構(gòu)體系。姚渡岸樁基全長92 m，下承臺(tái)高5 m，廣元岸樁基全長97 m，下承臺(tái)高5 m;姚渡岸橋臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，重力式橋臺(tái)，廣元岸橋臺(tái)采用樁基礎(chǔ)，樁柱式橋臺(tái)。橋區(qū)所在河流為6級(jí)航道，橋梁的總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置(單位:cm)

2 模型建立

2.1 參數(shù)取值

主橋箱梁采用C50混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa。承臺(tái)、樁基及橋臺(tái)臺(tái)帽和背墻采用C40混凝土，彈性模量Ec=3.25×104MPa。由于本文的主要目的是為了比較不同工況下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，混凝土材料采用線彈性材料。船舶材料采用Q235鋼材，其彈性模量為Ec=2.1×105MPa，鋼材相比橋梁下部結(jié)構(gòu)，其剛度較小，更易發(fā)生塑性變形，鋼材材料采用隨動(dòng)塑性(與應(yīng)變率相關(guān))材料模型。

2.2 有限元模型的建立

本文采用有限元方法模擬了一艘200 t的駁船以3 m/s的速度橫橋向撞擊橋梁不同部位，并分別建立了船舶和橋梁的有限元模型。船舶采用板殼單元建模，船舶撞擊部位橋梁構(gòu)件采用實(shí)體單元建模，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，非撞擊部位采取了梁?jiǎn)卧?。樁基結(jié)構(gòu)在局部沖刷線或淤泥層以下一定深度固結(jié)，不考慮土體作用，根據(jù)學(xué)者研究一般取3～4倍樁徑，本文取3倍樁徑。

為了將船舶撞擊橋梁不同部位以及船舶撞擊不同形式樁基的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行比較研究，本文選取了3種工況進(jìn)行計(jì)算:①船舶橫向撞擊橋梁承臺(tái)(樁基不設(shè)置橫系梁);②船舶橫向撞擊橋梁樁基(樁基不設(shè)置橫系梁);③船舶橫向撞擊橋梁樁基(樁基設(shè)置橫系梁)。

3 結(jié)果分析

通過有限元碰撞仿真分析，得出了船舶撞擊力以及主梁、樁基的位移時(shí)程曲線，見圖2至圖5。由圖2可以看出，船舶撞擊承臺(tái)時(shí)撞擊力最大值為3.88 MN，船舶撞擊樁基時(shí)，無論樁基有無橫系梁，其最大撞擊力均為2.56 MN左右。以上數(shù)據(jù)表明，船舶撞擊承臺(tái)碰撞力比船舶撞擊樁基碰撞力大;船舶撞擊樁基時(shí)，樁基有無橫系梁對(duì)撞擊力基本沒有影響。說明結(jié)構(gòu)形狀對(duì)碰撞力有較大影響，而采用橫系梁連接只會(huì)在一定程度上改善了樁基的整體性，并不會(huì)顯著改善船舶撞擊樁基時(shí)撞擊力大小。

圖2 撞擊力時(shí)程曲線

圖3 主梁墩頂處橫橋向位移時(shí)程曲線

圖4 主梁跨中橫橋向位移時(shí)程曲線

圖5 被撞樁基樁頂橫橋向位移時(shí)程曲線

由圖3和圖4可以看出，在船舶撞擊作用下，船舶撞擊承臺(tái)時(shí)主梁墩頂和跨中最大橫向位移分別為10.6 mm，14.1 mm;船舶撞擊樁基時(shí)，主梁墩頂和跨中最大橫向位移分別為9.7 mm，13.2 mm。樁基采用橫系梁連接后，船舶撞擊樁基時(shí)主梁墩頂和跨中最大橫向位移分別為7.6 mm，9.7 mm。從以上數(shù)據(jù)可以看出，由于船舶撞擊承臺(tái)的撞擊力比撞擊樁基時(shí)大，導(dǎo)致船舶撞擊承臺(tái)比撞擊樁基時(shí)墩頂和跨中位移略大。當(dāng)船舶撞擊樁基時(shí)，樁基采用橫系梁連接和不采用橫系梁連接時(shí)，前者位移更小。主要是由于兩種工況下，碰撞力大小相當(dāng)，而樁基采用橫系梁連接后增大了下部結(jié)構(gòu)整體剛度的緣故。

由圖5可以看出，被撞擊樁頂在工況1、工況2、工況3時(shí)最大位移分別為25.9，28.9，21 mm，當(dāng)樁基不加橫系梁時(shí)船舶撞擊樁基位移最大，樁基采用橫系梁連接后，能顯著減小被撞樁基樁頂位移。

對(duì)于樁基的應(yīng)力，主要分析了被撞樁基樁底的應(yīng)力情況，并選取了被撞樁基樁底應(yīng)力比較大的點(diǎn)繪制了應(yīng)力時(shí)程圖。工況1和工況2最大應(yīng)力點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖見圖6，工況2和工況3最大應(yīng)力點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖見圖7。

圖6 被撞樁基樁底最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖7 被撞樁基樁底最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖6可以看出，船舶撞擊橋梁下部結(jié)構(gòu)過程中，船舶撞擊樁基工況比船舶撞擊承臺(tái)工況較為不利，最大應(yīng)力相差可達(dá)2 MPa，說明橋梁最不利撞擊點(diǎn)應(yīng)處于樁基處。由圖7看以看出，當(dāng)船舶撞擊樁基時(shí)，將樁基采用橫系梁連接后，可較大程度上降低應(yīng)力水平。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)船舶撞擊樁基時(shí)，樁基采用橫系梁連接能使樁基之間內(nèi)力重分配，有效降低了被撞樁基應(yīng)力，降低了樁基被撞擊失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

通過對(duì)高樁承臺(tái)不同部位進(jìn)行船橋碰撞計(jì)算分析，主要得出了以下結(jié)論:

1)船舶撞擊承臺(tái)和撞擊樁基兩種工況下，船撞力大小和接觸碰撞時(shí)間顯著改變，而樁基有無橫系梁對(duì)船撞力大小并無太大影響，表明船撞力大小和被撞結(jié)構(gòu)的幾何形狀有關(guān)，橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度對(duì)船撞力大小影響較小。

2)船舶撞擊樁基比撞擊承臺(tái)工況更為不利，主要原因是船舶撞擊樁基時(shí)，大部分船撞力主要由單根被撞樁基承擔(dān)，導(dǎo)致了單根樁的失效風(fēng)險(xiǎn)增大。

3)當(dāng)船舶撞擊樁基時(shí)，橋梁處于較不利工況，而將樁基采用橫系梁連接后，較大程度上降低了被撞樁基的應(yīng)力水平。說明采用橫系梁連接樁基的措施使船撞作用下樁基的內(nèi)力進(jìn)行了重新分配，能有效地降低船舶撞擊時(shí)單根樁基失效的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]AASHTO 2009.Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges[S].Washington D C:American Association of State Highway and Transportation Officials，2009.

[2]MINORSKY V U.An Analysis of Ship Collisions With Reference to Protection of Nuclear Power Plants[J].Journal of Ship Research，1959(10):1-4.

[3]Eurocode 1:Actions on structures-Part 1-7:General actions，Accidentalactions[S].Brussels:European Commitee Standardization，2002.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[5]DAVID R C.Development of Time-history and Response Spectrum Analysis Procedures for Determining Bridge Response to Barge Impact Loading[D].Florida:University of Florida，2007.

[6]何勇，金偉良，張愛暉，等.船橋碰撞動(dòng)力學(xué)過程的非線性數(shù)值模擬[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2008，42(6):1065-1071.

[7]李軍，王君杰，歐碧峰，等.船橋碰撞數(shù)值模擬方法研究[J].公路，2010(10):14-19.

[8]王自力，顧永寧.船舶碰撞動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)值仿真研究[J].爆炸與沖擊，2001，21(1):29-34.

[9]王繼乾，程曄，龔維明，等.船舶碰撞動(dòng)力響應(yīng)有限元模擬[J].低溫建筑技術(shù)，2011(12):34-36.

[10]肖波，鹿道凡.船橋碰撞問題的有限元仿真分析[J].船海工程，2011，40(1):143-151.

[11]和秀嶺，姚盛丹.大跨徑鋼筋混凝土拱橋船橋碰撞分析[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào):理工版，2009，34(2):49-52.

[12]楊智，袁萬城，樊偉.飄浮體系斜拉橋全橋船撞動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010，26(2):63-68.

[13]朱忠義，楊峰.紹興曹娥江袍江大橋船撞橋墩撞擊力分析[J].世界橋梁，2011(5):61-64.

[14]陳剛，葉建龍，何為，等.內(nèi)河樁柱式橋墩抗船撞能力分析[J].橋梁建設(shè)，2010(2):14-17.