船撞沖擊下高樁橋墩高危損傷區(qū)域分布

高榮雄，　李　敬，　唐奇文

(1.華中科技大學　a.土木工程與力學學院；b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室， 湖北　武漢　430074；

2.深圳市公路交通工程試驗檢測中心， 廣東　深圳　518049；

3.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 湖南　長沙　410000)

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船撞沖擊下高樁橋墩高危損傷區(qū)域分布

高榮雄1，李敬2，唐奇文3

(1.華中科技大學a.土木工程與力學學院；b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室， 湖北武漢430074；

2.深圳市公路交通工程試驗檢測中心， 廣東深圳518049；

3.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 湖南長沙410000)

摘要：航道橋梁的建設(shè)在一定程度上改變了船舶通航環(huán)境，船撞沖擊成為橋梁損傷倒塌的重要原因之一。高樁基礎(chǔ)具有基樁自由長度長、長徑比大和抗沖擊能力相對弱的特點，船撞沖擊更容易導致其損傷或倒塌。本文基于一內(nèi)河航道上常見的駁船和實橋橋墩模型，充分考慮土體對橋墩的約束作用和混凝土材料的彈塑性硬化特點，模擬駁船以一定速度撞擊橋墩全過程。藉此深入分析高樁橋墩船撞沖擊力的動態(tài)特征、高應力區(qū)域的分布和其應力動態(tài)時程，探討了高樁橋墩撞擊沖擊下的高危損傷區(qū)域分布。最后，基于一實橋船撞的損傷分布和病害特點，印證了高樁橋墩船撞易損區(qū)域分布結(jié)論。研究成果可為類似結(jié)構(gòu)的防撞設(shè)計、加固和開展針對性檢測提供指導。

關(guān)鍵詞：高樁橋墩；船撞沖擊；損傷區(qū)域；撞擊力時程；應力時程

盡管航道管理水平和技術(shù)在不斷提高，但是大量跨航道橋梁的建設(shè)一定程度上還是惡化了船舶通航環(huán)境，船撞風險與日俱增。作者所在的課題組根據(jù)公開文獻，對2000年以來國內(nèi)91座橋梁發(fā)生倒塌的原因進行歸類分析，結(jié)果表明撞擊(船舶或車輛)是僅次于洪水災害導致橋梁倒塌的重要因素。文獻[1]對1444～2008年期間有倒塌記錄的航道橋梁進行統(tǒng)計，造成倒塌的原因第一位是洪水，第二位是船撞，第三位和第四位分別是設(shè)計和施工。文獻[2]對國內(nèi)外458起橋梁事故的評析，也得到同樣的結(jié)論。文獻[3]對美國過去503起平均橋齡52.5a的橋梁事故案例進行研究，得出導致橋梁失效的主要因素依次是：洪水災害52.88%，撞擊11.73%，超載8.75%，結(jié)構(gòu)及材料性能退化8.55%。

船撞不僅導致橋梁構(gòu)件和船舶損傷，還帶來巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響，甚至造成橋毀人亡的嚴重后果。1980年美國Sunshine Skyway Bridge被船撞擊倒塌[4]，35人死亡；1983年，俄羅斯Volga River Railroad Bridge受輪船撞擊倒塌造成176人死亡，另一起相撞事故致使240人喪生[5]；2007年廣東佛山九江大橋被撞導致9人死亡。除了這些嚴重的橋梁撞擊事故外，處于通航河道中的橋梁，船撞橋事件時有發(fā)生，如武漢長江大橋建成至今，受到船舶撞擊多達77次[6]，水中8個橋墩都被船舶撞擊過[7]。在世界范圍內(nèi)，平均每年都有橋梁因船舶撞擊而造成嚴重損壞甚至倒塌的事故發(fā)生[8]。

船撞沖擊導致橋梁結(jié)構(gòu)損傷甚至倒塌，宏觀層面主要原因是橋墩抗力小于撞擊載荷，微觀分析是瞬態(tài)撞擊導致構(gòu)件材料內(nèi)部微裂紋發(fā)展、延伸和聚合，出現(xiàn)起裂、裂紋發(fā)展，直至斷裂破壞。大量文獻統(tǒng)計表明，更多的橋梁受到撞擊后并未因此倒塌，有些甚至多次重復受撞(如1993～1994兩年間黃石長江大橋就被船舶撞擊多達19次[9])，這些橋梁雖未倒塌或出現(xiàn)宏觀裂縫，但已處于“帶病”工作狀態(tài)，內(nèi)部的損傷隱含著巨大風險。這種現(xiàn)象在高樁基礎(chǔ)中表現(xiàn)突出，一方面航道橋梁由于水深一般較深，大多采用高樁基礎(chǔ)[10]，因此其基樁自由長度長、長徑比大，基礎(chǔ)抵抗沖擊能力相對較弱，船撞沖擊過程中基樁往往產(chǎn)生較大形變而成為易損環(huán)節(jié)；另一方面，構(gòu)件的內(nèi)部損傷較難被發(fā)現(xiàn)，一旦船舶撞擊，僅依靠目測或大面積的檢測，不僅較難發(fā)現(xiàn)損傷區(qū)域，且工作效率低。由于船撞問題的復雜性和研究歷程非常短暫，該領(lǐng)域的研究亟待深入、還需不斷的總結(jié)和解決與此相關(guān)的新問題。綜合歸納現(xiàn)有研究主要集中在以下方面[11～20]：(1)船橋碰撞力學計算理論；(2)樁土動態(tài)相互作用；(3)船撞作用的損傷評估；(4)實橋船撞分析等。

基于上述考慮，探索船撞沖擊下高樁橋墩的高危損傷區(qū)域分布情況，及其內(nèi)部效應隨船撞進程變化規(guī)律，根據(jù)實橋船撞后的損傷分布及其內(nèi)部超聲探傷結(jié)果驗證理論分析的正確性，研究得出的成果有益于指導高樁橋墩船撞后水面上下構(gòu)件的高概率損傷位置判斷和開展有針對性的檢測分析，也為橋墩防撞設(shè)計和撞擊加固提供指導。

1高樁橋墩船撞分析

1.1船撞橋墩模型

1.1.1橋墩模型

橋墩模型[21]采用漢江下游一連續(xù)梁橋橋墩，墩身截面為6.6 m×2.5 m的矩形實體截面；承臺長、寬、高為7.6 m×7.6 m×3.0 m；基礎(chǔ)采用4根Φ1.8 m，樁長40 m(樁基自由長度10 m)的灌注樁。橋墩幾何及有限元模型如圖1。

圖1　高樁橋墩模型/cm

上部結(jié)構(gòu)對橋墩的作用以質(zhì)量形式施加在橋頂上，并在墩頂設(shè)置邊界條件以模擬上部結(jié)構(gòu)對橋墩的約束。墩身采用C40混凝土，承臺和基樁為C30混凝土，橋墩模擬時不考慮普通鋼筋的作用。應用LS-DYNA進行碰撞分析，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用HJC模型。該模型的狀態(tài)方程是分段式的(圖2)，三段線分別代表線彈性區(qū)、塑性過渡區(qū)和材料完全密實區(qū)(圖中的參數(shù)含義見ANSYS及LS-DYNA分析手冊，此處略)。

圖2　HJC模型的狀態(tài)方程

1.1.2土體模型

土體本構(gòu)關(guān)系采用修正Mohr-Coulomb模型，其屈服準則如下：

(1)

式中：α為和修正前模型相比的修改相識度；P為壓力；φ為土體內(nèi)摩擦角；K(θ)2為偏平面上角度方程；J2為第二應力不變量的平方根；c為土體黏聚力。

土體與基樁相互作用采用面面接觸單元處理。在土體半無限地基選取一個有限分析計算區(qū)域的處理原則是：確保應力波穿過人工邊界時不會發(fā)生反射，以便能更好地反映半無限地基中樁周土的作用。無反射邊界(Non-Reflecting Boundary)的條件如下式：

(2)

式中：ρ為土體材料的密度；cs為壓縮波速；cd為剪切波速；vnormat為邊界法向質(zhì)點運動速度；vtan為邊界切向質(zhì)點運動速度；σnormat為沿著無反射邊界的法向應力；σtan為沿著無反射邊界的切向應力。

該橋墩局部沖刷線以下均為卵石，且為單層土，依據(jù)無反射邊界條件重復試算，選取樁周土體參與分析的尺寸如表1。

表1　樁周土體模型尺寸　m

1.1.3船舶模型

船舶種類繁多，不同的船舶類型，船艏形狀和剛度千差萬別，研究無法涵蓋不同種類的船舶。以內(nèi)河航道上常見的駁船作為碰撞體，其參數(shù)見表2及圖3。

表2　駁船主尺度

圖3　標準底卸式駁船

駁船材料采用Cowper-Symonds雙線性彈塑性本構(gòu)模型，具體如下式：

(3)

綜合上述分析，并根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)的力學特征選用了一系列單元，其中矩形墩、承臺、樁基、樁周土體采用SOLID164單元，駁船采用SHELL163單元，船橋碰撞有限元模型如圖4所示。

圖4　船橋碰撞模型

1.2船撞力及其效應

1.2.1撞擊力時程

基于上述船撞模型，駁船裝載半倉時(總重1050.0 t)以3 m/s的航速正面撞擊墩身(撞擊點距離承臺頂面5 m)，其撞擊力時程見圖5。在整個碰撞過程中，撞擊力產(chǎn)生了兩個峰值，第1個峰值在0.054 s產(chǎn)生，其峰值為14.30 MN；而第2個撞擊在0.432 s時達到，該次峰值為6.32 MN，整個撞擊過程持續(xù)約1.5 s。呈齒狀的撞擊歷程表明：該過程中船和橋墩出現(xiàn)震蕩，駁船和(或)被撞構(gòu)件出現(xiàn)了損傷，甚至失效破壞導致撞擊過程中局部剛度瞬間降低，出現(xiàn)撞擊力衰減，而后恢復進而再次進入衰減階段。

圖5　船橋碰撞撞擊力時程曲線

由上述分析可知，在碰撞過程中，撞擊力極值達到14.30 MN。而該橋防撞設(shè)計，若按現(xiàn)行規(guī)范，即使偏安全地按內(nèi)河二級航道考慮，其橫橋向設(shè)計撞擊力僅為1.1 MN[22]，實際撞擊力可能大大超出設(shè)計預期，且設(shè)計撞擊力以靜力方式作用于橋墩上，不能正確反映實際撞擊情況，撞擊發(fā)生時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷甚至開裂破壞并未在設(shè)計階段得到考慮。

1.2.2應力時程

圖6為船撞過程中各時刻高樁橋墩的應力變化歷程。從圖中清晰可見，從撞擊開始到結(jié)束的整個1.5 s時長內(nèi)，高樁橋墩的應力峰值首先出現(xiàn)在撞擊區(qū)域，而后向下延伸，依次出現(xiàn)在墩底、樁頂和樁身自由段，最后在基樁自由段產(chǎn)生高應力擴散區(qū)域，之后應力逐漸衰減，高樁橋墩內(nèi)部應力波峰呈現(xiàn)從墩身到基礎(chǔ)逐漸擴散的過程。整個應力傳遞過程中，分別在船舶直接撞擊區(qū)、墩底與承臺連接處、樁頂與承臺連接處和樁身自由區(qū)段依次產(chǎn)生應力峰值，這些部位的主拉應力峰值分別達到：20.93、3.46、10.34和16.73 MPa。撞擊出現(xiàn)的各高應力區(qū)，是高樁橋墩船撞極易損傷開裂之處，其應變波動過程表現(xiàn)如下特征：

圖6　典型時刻高樁橋墩等效應力云圖/Pa

(1)船舶直接撞擊區(qū)：應力集中非常顯著，局部混凝土應力在瞬間達到峰值，且很快衰減，而后應力變化幅度較小。受撞擊部位的高應力主要是由于船艏撞擊到墩身時，局部混凝土應力迅速超越材料彈性階段而進入彈塑性及塑性階段，混凝土內(nèi)部孔隙受到擠壓，進而產(chǎn)生微裂縫甚至出現(xiàn)宏觀裂縫，應變能得以釋放導致應力快速下降。由于強沖擊直接作用下，該區(qū)域材料內(nèi)部微裂紋發(fā)展、延伸和聚合，經(jīng)歷快速的彈性到塑性變換，因此，其損傷特征表現(xiàn)出局部混凝土材料壓碎、裂縫寬和裂縫密布的特點。其典型應力如圖7。

圖7　船舶直接撞擊區(qū)應力

(2)墩底與承臺連接處：雖然這個區(qū)域出現(xiàn)可能超出混凝土抗拉強度的高應力(圖8)，但是與船舶直接撞擊區(qū)應力分布不同的是，一方面其應力集中程度顯著降低，高低應力過渡較平緩，應力峰值也明顯減??；另一方面該部位的應力主要是由于受沖擊下高樁橋墩整體彎曲所致。應力峰值出現(xiàn)的時間滯后于直接撞擊區(qū)，并且在應力衰減過程中，出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，這與撞擊力時程相吻合，但與撞擊力峰值不同步。從應力分布可知，該區(qū)域的損傷特征主要表現(xiàn)為長裂縫，若撞擊激烈，甚至出現(xiàn)墩身從承臺頂面拔出的撕裂裂縫。裂縫主要分布于橋墩迎撞面對應的墩底段。

圖8　墩底與承臺連接處應力

(3)樁頂與承臺連接處：由于基樁和承臺剛度差異較大，沖擊作用下橋墩整體彎曲導致樁頂與承臺連接處產(chǎn)生較為嚴重的應力集中(圖9)。應力極值晚于前面兩個高危損傷區(qū)，但是高應力持續(xù)時間相對較長，這主要是由于撞擊力時程的不同峰值在此產(chǎn)生的效應發(fā)生疊加，大大提高了樁頂連接處起裂破壞的風險。樁頂環(huán)向裂縫、連接處局部混凝土脫落是其主要病害特征。

(4)樁身自由區(qū)段：圖10為撞擊作用下基樁第一主應力峰值情況，該圖表明：在碰撞發(fā)生后的0.972 s，基樁主應力達到峰值16.73 MPa，應力峰值大于樁頂連接處，這表明高樁基礎(chǔ)的整體彎曲導致基樁自由段產(chǎn)生顯著效應，是水下基礎(chǔ)船撞沖擊易損區(qū)段。樁頂往下15.732 m范圍內(nèi)的應力值達到2.278～16.73 MPa，均大于樁身C30混凝土抗拉極限值，是基樁損傷開裂的敏感區(qū)域。

圖9　樁頂與承臺連接處應力

圖10　樁基混凝土主應力峰值時刻云圖/Pa

2實橋船撞損傷分布及特征

2.1損傷分布及其特征

碰撞發(fā)生之后，對各墩進行了詳細外觀檢查，并采用聲波透射法對承臺內(nèi)部、基樁側(cè)面鋼護筒開口驗證；采用低應變反射波法對處于承臺底面之下水深近18 m的基樁進行檢測，收集了病害分布及其程度。撞擊現(xiàn)場損傷分布情況及受害程度與高樁橋墩船撞分析高度吻合。橋墩詳細損傷情況如下：

墩身：各墩為鋼管立柱，每個橋墩共8根鋼管，4號墩8根鋼管被直接撞斷，斷口呈現(xiàn)撕裂性破壞，有沿鋼管焊縫斷開的，也有完整鋼板被撕開。其余橋墩鋼管被撞區(qū)域局部凹陷，其它部位較完整，但沒有開裂發(fā)生。具體如圖11。

墩身與承臺連接處：如圖12所示，檢測發(fā)現(xiàn)該部位受損較為嚴重，3～5號橋墩均存在程度不同的病害。4號橋墩該處上游口裂縫寬度達到10 mm以上，且裂縫數(shù)量非常多，鋼筋暴露，裂縫深度達2 m深之多(承臺側(cè)面反射出)，造成局部混凝土完全斷裂失效。3號及5號墩身與承臺連接處存在大量微裂縫，縫寬從0.05～0.1 mm不等，縫長約為50 cm左右，承臺側(cè)面反映裂縫向下最深約35 cm，且墩柱與承臺連接部出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，表明連接部分存在較大的孔隙滲漏或輕微松動。除了4號橋墩承臺內(nèi)部受損嚴重外，其余橋墩承臺內(nèi)部采用聲波透射法檢測完好。

圖11　墩身損傷

樁頂與承臺連接處：3～5號橋墩撞擊造成基樁與承臺連接處混凝土局部掉落和連接松動(圖13)，樁頂圓周上游(迎撞面)側(cè)表現(xiàn)顯著，其余岸邊橋墩未見明顯損傷。說明基樁自由長度越長，越容易造成該處損傷，是高樁基礎(chǔ)船撞敏感損傷區(qū)。

圖12　墩身與承臺連接處損傷

圖13　樁頂與承臺連接處受損

圖14　基樁低應變反射波及損傷

樁身自由區(qū)段：由于水深達到18 m，基樁自由段很長，且基樁外表鋼護筒并未拆除，內(nèi)部的損傷肉眼無法看到，需要檢測的范圍很大，若茫無目標檢測，不僅效果差，水下作業(yè)困難，而且可能漏過損傷區(qū)域。因此，在碰撞分析的基礎(chǔ)上，對鋼護筒局部區(qū)域開口驗證，同時采用低應變反射波法對基樁進行檢測。檢測(圖14)和仿真分析結(jié)果均表明：樁頂之下5 m范圍損傷較大，并在樁頂之下1.2 m處樁身混凝土存在微小裂縫。

2.2碰撞分析

應用LS-DYNA進行碰撞分析，碰撞歷程總計1356 ms，應力波從上往下傳遞的過程中，同樣在上述4個區(qū)域出現(xiàn)較大的應力峰值(圖15)，印證了損傷分布特點。

由圖15可見，墩柱鋼管撕裂區(qū)最大剪應力達到230.8 MPa，超過Q345容許剪應力145 MPa；墩柱與承臺連接處主拉應力達到18.02 MPa；樁頂與承臺連接處主拉應力為18.88 MPa；基樁自由段較大范圍出現(xiàn)主拉應力超標，樁頂段5 m多長度內(nèi)尤其明顯。上述區(qū)域應力集中且嚴重超標，數(shù)值仿真與實際情況吻合的相當好。

圖15　撞擊過程中某時刻應力分布/MPa

3結(jié)論

(1)現(xiàn)行規(guī)范船撞橋墩作用以靜力形式施加于結(jié)構(gòu)上，雖然簡單明了，但無法很好模擬船撞橋墩的瞬態(tài)沖擊過程。且實際撞擊力峰值要顯著大于設(shè)計撞擊力，橋墩防撞設(shè)計應適當考慮兩者差異，在無法模擬船撞瞬態(tài)碰撞仿真分析時，應考慮留足安全儲備，避免船撞橋塌事故重演；

(2)橋墩船撞沖擊以波動形式向基礎(chǔ)傳遞，各構(gòu)件應力峰值出現(xiàn)具有時間差。在應力波的傳播過程中，由于能量的耗時和轉(zhuǎn)化，高樁基樁入土部分沖擊效應較弱；

(3)船舶直接撞擊區(qū)、墩底與承臺連接處、樁頂與承臺連接處和樁身自由區(qū)段是高樁橋墩船撞沖擊的四個高危損傷區(qū)域。實橋船撞案例所收集到的病害分布和特征驗證了高樁橋墩撞擊分析結(jié)論的可靠性。

(4)高樁橋墩撞擊高應力易損區(qū)是撞擊后檢測的重點部位，其損傷分布特征可為類似結(jié)構(gòu)的事先防撞設(shè)計和事后加固提供指導。

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Investigation on Distribution of High Risk Damaged Areas

of High Pile Bridge Pier Under Vessel Collision Impact

GAORong-xiong1,LIJing2,TANGQi-wen3

(1.a.School of Civil Engineering and Mechanics; b.Hubei Key Laboratory of Control Structure,

Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;

2. Shenzhen Traffic Construction Engineering Test and Detection Center, Shenzhen 518049, China;

3. Power China Zhongnan Engineering Co Ltd, Changsha 410000, China)

Abstract:At some degree, bridge constructions spanning shipping channel have changed navigational conditions for vessels. Hence, vessel collision has been one of the major causes of bridge damage or collapse. Owing to these features of high pile foundation as followings: longer free length, lager length to diameter ratio and weaker anti-impact capacity, vessel impact can easily leads high pile bridge pier to damage or collapse. Based on an inland waterway channel barge and a real bridge pier model, considering the fully constraint effect of soil to pile and elastic-plastic hardening of concrete, the whole process of barge colliding bridge pier was simulated. Thereby, dynamic features of collision force, distribution of stress concentration areas and stress dynamic time-history were deeply analyzed, and distribution of high risk damaged regions under vessel collision impact was also investigated. Lastly, on the basic of distribution of damaged areas and characters of defects about a real vessel collision with bridge pier, this conclusion about distribution of damaged areas of high pile bridge pier was confirmed. These above research results may guide anti-collision design, strengthening and specific detection for similar structures.

Key words：high pile bridge pier; vessel collision impact; damaged area; collision force time-history; stress time-history

中圖分類號：U447; U441+.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)01-0024-08

作者簡介：高榮雄(1969-)，男，福建福安人，博士，副教授，研究方向為橋梁船撞、損傷與加固(Email: bridge115@hust.edu.cn)

收稿日期：2015-09-19修回日期： 2015-10-29