船撞鋼筋混凝土箱型拱橋受力性能及穩(wěn)定性研究

黃海珊，林本虎，梁高榮，2

（1.廣西交建工程檢測咨詢有限公司，南寧 530024；2.廣西路建工程集團有限公司，南寧 530001）

近年來，隨著航運事業(yè)的不斷發(fā)展，內(nèi)河航運噸位越來越大，航運船只撞擊橋梁的事件時有發(fā)生，給橋梁安全及人民生命財產(chǎn)帶來極大隱患。船橋碰撞問題也越來越引起學(xué)者們關(guān)注，并對船橋碰撞問題開展研究。郭健等[1]運用層次分析法和熵權(quán)法對舟山朱家尖跨海大橋進行船撞橋風(fēng)險評估，并提出相應(yīng)的風(fēng)險控制對策及措施。鐘智福等[2]以某船撞橋梁為工程背景，基于橋梁鑒定檢測結(jié)果，提出橋梁加固措施。王貴春等[3]研究了不同樁土模型下的船橋碰撞動力性能差異、船舶航速和質(zhì)量對橋墩船撞動力性能的影響，并比較采用相關(guān)經(jīng)驗公式和各國橋梁設(shè)計規(guī)范評估撞擊力時的適用性。曹明等[4]采用動力分析軟件LS-DYNA進行了不同船速、不同通航水位、不同基礎(chǔ)形式和不同船型等因素對船撞力的影響分析研究，并對船撞力計算公式提出改進方法。張愛鋒等[5]采用非線性有限元仿真方法，研究船舶航速、船舶載況、碰撞角度和橫向偏移距橋墩截面形式5個因素對船橋碰撞力及接觸時間的影響，得出各因素作用下船撞力差異?？梢姡瑢Υ矘蛄旱陌踩u估，以往的研究成果大多針對橋梁下部結(jié)構(gòu)的船橋碰撞問題，而對于上部結(jié)構(gòu)遭受撞擊后的承載能力研究則鮮有報道。本文以某鋼筋混凝土箱型拱橋為對象，運用數(shù)值模擬的方式對拱圈遭受船舶撞擊前后橋梁的受力情況、活載作用下橋梁撓度及穩(wěn)定性進行了分析研究。

1 工程背景

某鋼筋混凝土箱型拱橋橋梁全長366.2 m，橋梁寬度12.5 m，橋梁跨徑組合為5×65 m。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱拱，每跨7片拱箱，拱箱為懸鏈線拱箱，m=1.988，f0/L0=1/7，混凝土材料等級為C30。下部結(jié)構(gòu)為重力式橋墩橋臺，墩臺基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)。橋梁單向坡度為0.75%，西低東高。橋梁設(shè)計荷載等級為汽車-20級、掛車-100級，航道等級為6級航道，于1987年建成通車。該橋某年遭受通航船舶凸起物沿拱底全截面劃過，損傷寬度約20 cm。橋梁跨徑布置圖如圖1所示。

2 有限元模型的建立

采用專用橋梁結(jié)構(gòu)計算軟件Midas Civil建立該鋼筋混凝土箱型拱橋模型。考慮到該橋橋墩抗推剛度較大，忽略連拱效應(yīng)，因此僅建立被撞橋跨的有限元模型。建模時，跨中拱頂受損處在20 cm內(nèi)以去除拱肋截面底板的方式進行模擬；該橋為實腹式上承式拱橋，僅考慮主拱作為主要承重結(jié)構(gòu)。有限元模型如圖2所示。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)損傷前后拱頂拱肋應(yīng)力對比分析

在分析結(jié)構(gòu)船撞損傷前后拱頂拱肋應(yīng)力時，考慮以下荷載組合。

（1）組合1：恒載+GC+人群；

（2）組合2：恒載+QC+人群；

（3）組合2：恒載+GC+人群+溫升；

（4）組合2：恒載+GC+人群+溫降；

（5）組合2：恒載+QC+人群+溫升；

（6）組合2：恒載+QC+人群+溫降。

不同荷載組合下，結(jié)構(gòu)損傷前后拱頂與全拱肋的最大應(yīng)力計算結(jié)果見表1；限于篇幅，文章僅給出組合1和組合2的全拱肋應(yīng)力云圖，如圖3和圖4所示。

表1 結(jié)構(gòu)損傷前后不同荷載組合下拱頂與全拱肋的最大應(yīng)力 MPa

由表1可知，拱頂損傷前后主要影響的是恒載以及溫度荷載作用下的應(yīng)力，對恒載與活載共同作用下的影響較小：恒載單獨作用時拱頂損傷后拱頂最大應(yīng)力增大28.09%，全拱肋最大應(yīng)力增大1.35%；恒載與活載（不論是GC還是QC）共同作用時，損傷前后拱頂最大應(yīng)力相差不超過1.50 MPa，且不論疊加何種車輛荷載，全拱肋最大應(yīng)力基本不發(fā)生變化，但應(yīng)該注意的是，車輛荷載為GC時拱肋最大應(yīng)力的最大增幅會比QC大5.00 MPa左右；降溫對全橋的影響大于升溫。

3.2 結(jié)構(gòu)損傷前后撓度對比分析

在分析船撞前后橋梁撓度時，考慮以下荷載組合。

（1）組合1：GC+人群；

（2）組合2：QC+人群。

2種荷載組合作用下拱肋的最大撓度見表2，相應(yīng)的拱肋變形如圖5和圖6所示。

表2 不同荷載組合作用下拱肋的最大撓度mm

由表2可知，2種荷載組合作用下，船撞前后拱頂拱肋最大撓度基本相同。由圖5和圖6可知，2種荷載組合作用下拱頂損傷前后拱肋出現(xiàn)最大撓度的位置均在約L/4跨處。

3.3 結(jié)構(gòu)損傷前后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對比分析

對結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析，結(jié)果見表3，屈曲模態(tài)如圖7所示。由表3及圖7可知，損傷前后結(jié)構(gòu)首次發(fā)生失穩(wěn)時的穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)基本未發(fā)生變化，穩(wěn)定系數(shù)約為22.11，屈曲模態(tài)為面內(nèi)失穩(wěn)。且前10階內(nèi)未發(fā)生面外失穩(wěn)。

表3 損傷前后結(jié)構(gòu)首次發(fā)生失穩(wěn)時的穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)

3.4 影響線及車輛加載分析

在最不利荷載作用下，拱肋出現(xiàn)最大應(yīng)力時的影響線如圖8所示?？梢?，拱頂在船撞損傷前后，當(dāng)拱肋在最不利荷載作用下達到最大應(yīng)力時，活載的布置位置相同。

考慮到拱肋所用材料為C30，為保守計算，以荷載組合“恒載+QC+人群”作用下的拱肋最大應(yīng)力值-10.66 MPa作為標(biāo)準(zhǔn)進行車輛加載分析。

按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》里的標(biāo)準(zhǔn)車輛，在圖9中影響線范圍內(nèi)施加車輛荷載，在拱肋最大應(yīng)力達到-10.66 MPa時停止加載，以此時的車輛數(shù)作為橋梁限載通行數(shù)量。通過分析表明：當(dāng)車輛達到4輛時，拱腳最大應(yīng)力為-11.42 MPa（如圖9所示），與-10.66 MPa基本吻合，因此建議限制4輛以下的標(biāo)準(zhǔn)車輛通行。

4 結(jié)束語

通過借助有限元軟件采用不同的荷載組合，對某鋼筋混凝土箱型拱橋被船舶撞擊后的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進行模擬分析，結(jié)果表明：

（1）在不同荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)損傷前后拱頂最大應(yīng)力差值均小于1.50 MPa；

（2）結(jié)構(gòu)損傷前后拱肋最大撓度、穩(wěn)定性系數(shù)和最不利荷載作用下的最大應(yīng)力位置基本保持不變。

（3）采用影響線進行模擬分析，給出橋梁通行車輛的限載數(shù)量。