走錨漂流船舶撞擊下橋墩基樁損傷分析

徐靜文，李 致，蘇曉棟，何建新，陳燦明

(1.南京水利科學研究院 水利部水科學與水工程重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

馬梧高速梧州潯江特大橋位于梧州市西南12 km，大橋全長1 839 m，其中水面寬度約1 250 m。2017 年7 月3 日晚，某挖沙船因洪水上漲致使3 只主錨走錨，船舶漂流至潯江特大橋時，觸碰并橫擺壓在非主航道的19#～21#橋墩間（兩個通航孔設在9#～11#橋墩間[1]），后經(jīng)施救拖離[2]。出于運營安全考慮，對該事故中橋梁樁基的損傷情況進行檢測和評估，以查清事故中橋墩的損傷程度，為事故的賠償和結構修復提供依據(jù)[3]。

1 事故相關情況

2017 年7 月3 日晚，因洪水流量急劇上漲至33 777 m3/s，水位22.92 m，停泊在泵站對面的挖沙船船上人員沒有根據(jù)水情變化及時調(diào)整錨纜，從上游漂來的垃圾也不斷堆積在挖沙船船艏和錨鏈上，最終挖沙船發(fā)生走錨，漂流至潯江特大橋時觸碰并橫擺壓在遠離主航道、位于河道右汊的左側(cè)江心洲岸灘邊的19#～21#橋墩之間。船舶碰撞事故現(xiàn)場見圖1 所示。根據(jù)橋梁處河面寬度和河床平均高程計算的事故時平均水流速度約1.51 m/s。

挖沙船船體總長55.80 m，滿載水線長55.00 m，最大船寬11.76 m，型深2.80 m，最大船高14.00 m?？蛰d吃水1.20 m，排水量為563.200 t；滿載吃水1.50 m，排水量為705.896 t。共設有抓錨6 個，質(zhì)量為600～1 000 kg，錨鏈直徑為26.00～30.00 mm，長150～200 m。事故時船舶為空載，空載排水量為563.200 t。

挖沙船與潯江特大橋碰撞位置為19#和20#墩，該橋墩由蓋梁、系梁、基樁三部分組成，均采用雙柱式，對稱設置，樁柱中心間距8.50 m，兩墩上部覆有蓋梁，蓋梁頂截面2.3 m×13.8 m。樁基礎嵌入完整微風化巖層深度不小于6 m。單根基樁變徑澆筑，樁徑分別為1.8, 2.0 及2.2 m，樁徑1.8 和2.0 m 對應長度均為10.00 m，樁徑2.2 m 段對應長度為11.82 m（19#）和14.04 m（20#），變徑處設置系梁，系梁寬和高均為1.60 m（1.8 m 與2.0 m 變徑處）和1.80 m（2.0 m 與2.2 m 變徑處）。橋梁上部結構為連續(xù)預應力鋼筋混凝土T 梁。

圖1 船舶碰撞事故現(xiàn)場狀況Fig.1 Situation at the scene of ship collision

2 外觀檢查與檢測

通過勘驗發(fā)現(xiàn)，挖沙船與19#橋墩碰撞點位于船尾部正后方偏右側(cè)，該處船體局部鋼板凹陷變形，鋼板搭接處焊縫脫落。從船體凹陷變形處可見船體鋼板厚度約5～6 mm，變形區(qū)域無主要縱橫梁系，船體凹陷變形范圍約1.8 m。挖沙船與20#橋墩的接觸點在挖沙船左側(cè)中后部，該處船體設有汽車輪胎，船體未留下明顯碰撞痕跡。

對橋墩全面進行檢查，并根據(jù)事故過程和結構受力分析對高危損傷區(qū)域重點檢查[4-5]。19#橋墩碰撞點位于樁徑1.8 和2.0 m 變徑處系梁上方4.76 m處，碰撞處樁體無開裂和明顯破損，僅有碰擦痕跡，擦痕總長約0.60 m，其中0.40 m 范圍擦痕相對明顯，擦痕寬度2～5 cm，最大深度4 mm。

挖沙船與19#橋墩碰撞后船體轉(zhuǎn)向被20#橋墩阻攔后橫跨在二橋墩間，20#橋墩碰擦處未留下明顯痕跡。19#和20#橋墩樁與蓋梁間連接完好，未見結構性開裂；檢查時19#和20#橋墩樁系梁（1.8 和2.0 m 變徑處）位于水下0.50 m 左右，透過水體未見系梁與樁基間存在明顯異常。19#和20#橋墩上部鋼筋混凝土預應力連續(xù)T 梁與蓋梁間擱置良好，蓋梁與支座間、支座與鋼筋混凝土預應力連續(xù)T 梁之間未見位移痕跡。

3 損傷檢測

采用超聲檢測儀 RS-DT01D（P）檢測（平測和雙向斜測）19#橋墩碰撞區(qū)域混凝土內(nèi)部是否存在損傷（缺陷）。根據(jù)橋樁被撞特點在橋樁碰撞點上、下各1.20 m 范圍的圓周，通過圓心布置等間距網(wǎng)格測線，豎向間距取100 mm，對應測點從上向下編號為A～Y；環(huán)向分為36 點，18 條測線，從上游頂端逆時針編號為1～18 和1′～18′。平測布置測線450 條，斜測布置測線756 條（定義上游高下游低測線為正向A～E，下游高上游低測線為反向E～A），超聲對測測點布置見圖2。

構件內(nèi)部是否存在損傷（缺陷）通過測點聲學參數(shù)測值的異常進行判別認證，當測值存在單個異常值或相鄰異常值時，混凝土內(nèi)部可能存在損傷缺陷。實測的被撞擊區(qū)域橋墩樁基混凝土均勻性判定結果列于表1，測點特征值曲線見圖3～4。

從檢測結果看，19#排架被撞樁基實測的超聲波波速值和波幅值均在正常范圍，實測最小值均大于單點臨界值，且無連續(xù)的相鄰點異常值，這表明被檢區(qū)域混凝土內(nèi)部無明顯損傷（缺陷）。

采用RS-1616K（S）樁基動態(tài)檢測儀對與挖沙船出現(xiàn)碰撞和接觸的19#及20#橋墩的4 根樁基進行了樁身完整性檢測。

圖2 混凝土內(nèi)部損傷檢測測點布置示意Fig.2 Layout diagram of detection points of concrete internal damage

表1 撞擊區(qū)域橋墩樁基混凝土均勻性判定Tab.1 Determination of concrete uniformity of pile foundation in impact area

圖3 撞擊區(qū)域混凝土超聲平測特征值曲線Fig.3 Ultrasonic plane test characteristic value curve of concrete in impact area

圖4 撞擊區(qū)域混凝土超聲斜測（正向）特征值曲線Fig.4 Ultrasonic oblique test (forward) characteristic value curve of concrete in impact area

樁身完整性采用反射波法（低應變動力法），它通過實測樁頂加速度或速度響應時域曲線，即一維波動理論分析來判定樁基完整性。被測樁基為鉆孔灌注樁，樁底嵌入完整微風化巖層深度不小于6 m（檢測計算樁長時按6 m 計）。檢測時傳感器布置在1.8 m 與2.0 m 變徑處系梁上方2.0 m 的樁側(cè)面，敲擊點與傳感器高程一致，成90°夾角。為對比分析，在19#墩蓋梁樁的上方布置傳感器和敲擊點進行了測試。

根據(jù)測試結果分析判斷，現(xiàn)場檢測的19#和20#排架下4 根樁基樁身結構完整，波形規(guī)則衰減，無缺陷反射波存在，樁底清晰，波速正常，樁身完好，屬Ⅰ類樁。

4 走錨漂流船舶作用下橋墩受力分析

4.1 橋墩結構計算模型與相關假定

利用ABAQUS 建立梧州潯江特大橋19#橋墩的三維有限元模型[6-8]，計算分析走錨漂流船舶撞擊作用下橋墩受力狀況。為簡化計算，建立19#橋墩模型時不單獨建立碰撞船舶和橋墩上部結構實體模型，樁底邊界條件設置為固接，模型單元采用三維8 節(jié)點減縮積分單元（C3D8R）。根據(jù)實際情況將船舶撞擊力、水流力[9]、上部結構自重及傳遞的風荷載、橋墩自重等施加在橋墩模型上，計算時不考慮橋墩與船舶碰撞的動力響應影響，也不考慮橋墩混凝土內(nèi)部鋼筋。

橋墩混凝土設計強度等級C40，混凝土為彈塑性材料，模型中采用了ABAQUS 混凝土塑性損傷模型，可有效模擬橋墩樁基在船舶撞擊作用下混凝土的拉裂和壓碎等現(xiàn)象[10]。計算中取混凝土密度2 500 kg/m3，彈性模量32.5 GPa，泊松比為0.20。混凝土材料本構曲線和損傷因子曲線根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）計算求得。

4.2 主要荷載與組合

4.2.1 主要荷載

（1）橋墩及上部結構自重 橋墩及上部結構混凝土密度取2 500 kg/m3，橋墩自重通過設置橋墩體力施加，上部結構自重以靜荷載施加于橋墩蓋梁頂面。

（2）水流力 橋墩樁基所受水流力的計算一般根據(jù)公路橋涵設計通用規(guī)范或經(jīng)典水力學理論方法計算水流力的大小和作用點位置，然后以靜荷載的形式施加于樁身。當考慮水體-結構動力相互作用時一般采用附加水質(zhì)量法或簡化流固耦合分析法[11]等。簡化的流固耦合分析法計算結果更偏于保守和安全，經(jīng)典水力學法計算結果偏于危險，規(guī)范計算結果與簡化流固耦合法較為相近。本文不考慮橋墩結構與水體的動力響應問題，水流力計算采用公路橋涵設計通用規(guī)范的方法：

式中：Fw為流水壓力標準值（kN）；γ 為水的重度（kN/m3）；V 為設計流速（m/s）；A 為橋墩阻水面積（m2），計算至一般沖刷線處；g 為重力加速度（m/s2）；K 為橋墩形狀系數(shù)。流水壓力合力的著力點假定在設計水位線以下0.3 倍水深處。

（3）撞擊力 船舶撞擊力規(guī)范計算公式包括公路規(guī)范、鐵路規(guī)范、AASHTO 規(guī)范、IABSE 公式以及歐洲規(guī)范等。雖然計算公式種類較多，但均與船舶撞擊時的速度和重量有關。事故發(fā)生時船舶處于停泊無動力狀態(tài)，在走錨的過程中，船舶拖帶的三根主錨起到大阻力作用，使挖沙船漂向下游的速度理論上遠小于水流速度。因此橋墩基樁所受的船舶撞擊力可按漂流物撞擊力計算，并視作最危險的正撞擊情況，撞擊作用位置根據(jù)現(xiàn)場撞痕取1.8 m 與2.0 m 變徑處系梁上方4.76 m 處。漂流物撞擊力采用公路橋涵設計通用規(guī)范的公式：

式中：W 為漂流物重力（kN），事故時船舶為空載，船舶重量為563.2 t，但考慮到船體周圍有大量垃圾附著，取船舶重量為滿載重量705.896 t；v 為水流流速（m/s）；T 為撞擊時間（s）；g 為重力加速度（m/s2）。

（4）風壓力 風荷載根據(jù)公路橋涵設計通用規(guī)范計算求得，并以切向靜荷載的形式施加于蓋梁頂面。事故當天風力為3 級，風速為3.4 ～5.4 m/s，橋梁設計風速為百年一遇風速24 m/s。

4.2.2 主要計算工況

（1）考慮走錨影響工況[12]風速為事故當天實際風速取5.4 m/s；橋墩位于遠離主航道的河道右汊的左側(cè)江心洲岸灘邊，水流速度偏安全取事故時斷面平均水流速度1.51 m/s；船舶下漂速度考慮3 個主錨共同作用對下漂速度的降低，取0.76 m/s；從船體局部鋼板凹陷變形、鋼板搭接處焊縫脫落情況分析，船體為碰撞擠壓破壞，實際撞擊時間應在3～5 s 以上，取3 s。

（2）不考慮走錨影響工況 風速仍取為事故當天實際風速5.4 m/s；水流速度取事故時斷面平均水流速度1.51 m/s；船舶下漂速度不考慮3 個主錨作用對下漂速度的降低，即為水流速度1.51 m/s；撞擊時間按剛性碰撞取1 s。

4.3 計算結果與分析

4.3.1 考慮走錨影響工況 考慮走錨影響的有限元模型計算結果見圖5。對于設計強度等級為C40 的混凝土，抗壓強度標準值fck為26.8 MPa，抗拉強度標準值ftk為2.39 MPa。計算結果表明，考慮走錨影響時混凝土灌注樁樁身豎向最大壓應力為4.369 MPa，遠小于混凝土抗壓強度標準值；樁身豎向最大拉應力為0.062 MPa，遠小于混凝土抗拉強度標準值。橋墩樁基受船舶撞擊樁身最大位移為2.74 mm（樁頂處）。從橋墩基樁受壓和受拉損傷云圖可見，考慮走錨影響工況時樁身完好，不存在樁身混凝土損傷。

圖5 考慮走錨影響計算結果Fig.5 Calculating results considering the effect of dragging anchor

4.3.2 不考慮走錨影響工況 不考慮3 根主錨影響的有限元模型計算結果見圖6。根據(jù)計算結果，不考慮走錨影響工況下樁身豎向最大壓應力為6.204 MPa，樁身豎向最大拉應力為1.357 MPa，均小于混凝土強度標準值。圖6(b)為橋墩受船舶撞擊的樁身位移云圖，樁身最大位移11.46 mm（樁頂處）。從橋墩混凝土損傷云圖可知，不考慮走錨影響工況下橋墩混凝土存在輕微受壓和受拉損傷，具體損傷位置見圖7。

圖6 不考慮走錨影響計算結果Fig.6 Calculating results without considering the effect of dragging anchor

不考慮走錨影響工況下受撞橋墩在船舶碰撞處表面局部存在混凝土受壓損傷，在系梁與樁基連接處局部存在輕微的混凝土受拉損傷。系梁最先出現(xiàn)受拉損傷的位置在系梁左上側(cè)和右下側(cè)見圖7(b)。在水平外荷載作用下受撞樁基與相鄰樁基位移云圖見圖6(b)，受撞樁基樁身傾斜率明顯大于相鄰樁基，系梁位移并非單純的水平位移，而是出現(xiàn)了輕微轉(zhuǎn)動，因此系梁在左上和右下區(qū)域出現(xiàn)較大的拉應力區(qū)。

圖7 不考慮走錨影響模型損傷細部Fig.7 Detailed diagrams of damage model without considering the effect of dragging anchor

綜合不考慮走錨影響工況時橋墩樁身應力和損傷因子計算結果，撞擊點處樁身受壓損傷僅存在于樁身表面，這也與現(xiàn)場撞擊點遺留的擦痕相吻合，不影響橋墩樁基承載性能。由于未考慮混凝土內(nèi)鋼筋的作用，計算的系梁在左上和右下區(qū)域局部出現(xiàn)拉應力區(qū)，系梁最大水平拉應力2.721 MPa，受拉損傷因子為0.88，這些區(qū)域在未配筋時可能出現(xiàn)一定的受拉損傷，配置受拉鋼筋后該部位鋼筋拉應力約為16.74 MPa，拉應力完全可由受拉鋼筋承擔。

5 結 語

通過對事故中挖沙船和橋墩外觀檢查、超聲法檢測混凝土內(nèi)部損傷、低應變檢測樁身完整性以及基于ABAQUS 有限元數(shù)值模擬等多種技術手段，綜合分析判斷事故中橋墩的損傷程度，為事故的后續(xù)處理提供了技術依據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場檢查，橋墩碰撞處無開裂和明顯破損，僅有碰擦痕跡。橋墩樁與蓋梁間連接完好，上部結構與橋墩間擱置正常。超聲對測法檢測的碰撞區(qū)域混凝土內(nèi)部無明顯損傷，低應變檢測的受撞橋墩的樁身結構完整，無明顯缺陷。根據(jù)事故時的風、流條件和走錨漂流碰撞的數(shù)值模擬分析也可判定本次碰撞事故未對19#和20#橋墩結構造成損傷。數(shù)值模擬結果表明，船舶與橋墩結構碰撞其高危損傷區(qū)域為變徑處系梁的左上和右下連接處；考慮走錨影響和不考慮走錨影響的漂流船舶對橋墩的撞擊作用效應差別巨大。