雙肢薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗撞性能研究

岑貞志

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跨越能力大、施工便利和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn),在大跨橋梁建設(shè)中應(yīng)用廣泛。而大跨橋梁橋下往往為通航河道,隨著我國(guó)河道通航等級(jí)的逐步提升和船舶噸位快速增大,船舶與橋梁碰撞風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩一般為雙肢薄壁墩,具有縱向剛度較小、適應(yīng)主橋伸縮變形的優(yōu)點(diǎn),但薄壁墩體型較小,在抗船撞方面可能存在不足。為了解決這個(gè)問(wèn)題,本文以實(shí)際工程為背景,對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋雙肢薄壁墩的抗撞性能進(jìn)行深入的研究。

1 橋梁概況

崇左市麗江大橋位于崇左城區(qū)左江大道,跨越左江,連接城西片區(qū)與麗江新區(qū)。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,主橋橋跨布置為(84+160+84)=328 m,全橋長(zhǎng)521 m。主橋下部結(jié)構(gòu)中主墩為雙肢薄壁墩,過(guò)渡墩為墻式墩。大橋總體布局示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 麗江大橋總體布局示意圖

麗江大橋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn):設(shè)計(jì)時(shí)速50 km;設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載:城-A級(jí);設(shè)計(jì)洪水頻率:1/300;通航等級(jí):Ⅲ級(jí),通航凈空114 m×10 m(凈寬×凈高),單孔雙向通航。

2 通航船舶與船橋碰撞參數(shù)

2.1 代表船型

左江為郁江的一級(jí)支流,自龍州縣城到左右江匯合口,天然水位落差為42.6 m,河道平均比降為0.152‰,窄段河道寬度一般在100～150 m,寬段河道寬度一般在250～300 m,枯水期河道水深一般在3.0 m左右。根據(jù)《珠江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》,左江(龍州至宋村三江河口)為1 000噸級(jí)航道,預(yù)測(cè)到港貨運(yùn)船型將以500～1 000噸級(jí)船舶為主,旅游船舶以20～150 t客位為主。

貨船噸位重,只考慮貨船進(jìn)行船橋沖撞分析。航道貨船雖以500～1 000噸級(jí)船舶為主,但也有1 000噸級(jí)以上船型,因此船橋碰撞分析代表船型選擇2 000噸級(jí)貨船,代表船型的尺度見(jiàn)表1。

表1 代表船型尺度表

2.2 船舶撞擊速度

船舶撞擊速度以航道中心線(xiàn)為基準(zhǔn),沿航道中心線(xiàn)以撞擊速度與橋墩與航道中心線(xiàn)距離滿(mǎn)足圖2的關(guān)系進(jìn)行偏航,采用船舶可達(dá)性分析方法,確定各橋墩處船舶撞擊速度。

圖2 設(shè)計(jì)船舶撞擊速度計(jì)算曲線(xiàn)圖

圖中:V——設(shè)計(jì)船舶撞擊速度(m/s);

VT——船只正常行駛的速度(m/s);

Vmin——可根據(jù)所在水域多年平均流速確定船舶的最小設(shè)計(jì)撞擊速度(m/s);

X——橋墩中心線(xiàn)到航道中心線(xiàn)的路程(m);

XC——通道中心線(xiàn)到通道邊緣的路程(m);

XL——距離航道中線(xiàn)3倍于船長(zhǎng)的距離(m)。

在確定撞擊力的關(guān)鍵要素中,根據(jù)船舶失控情況,其下限值V取水流速度,上限值V取正常船舶航速(含水流速度),需要根據(jù)通航船舶在橋址的航速調(diào)查和氣象水文調(diào)查來(lái)確定。其中,流速包括洪水期高水位、枯水期低水位、高航行水位等多種情況。值得注意的是,撞擊速度沿航道中心線(xiàn)向兩側(cè)遞減,3倍船長(zhǎng)以外的可通航水域仍然有撞擊速度,意味著仍然有撞擊力。

表2列出了按照上述方法計(jì)算麗江大橋航道邊橋墩撞擊速度的結(jié)果。

表2 船舶撞擊速度計(jì)算結(jié)果表

2.3 船舶撞擊力

船橋碰撞過(guò)程雖持續(xù)時(shí)間短,但集合了材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性及邊界非線(xiàn)性,各種作用相互耦合,結(jié)構(gòu)響應(yīng)難以完全模擬。通過(guò)學(xué)術(shù)界的多年研究,已經(jīng)總結(jié)出了一套相對(duì)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)的仿真計(jì)算方法,收錄在《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)[1],規(guī)范規(guī)定了應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)防代表船型、撞擊速度、被撞體厚度、船艏高度等因素來(lái)綜合考慮輪船的設(shè)防船撞力,并給出了計(jì)算公式,麗江大橋主墩4#、5#墩船舶橫橋向和順橋向的撞擊力結(jié)果如表3所示。

表3 船舶撞擊力計(jì)算結(jié)果表

3 橋梁撞后分析

3.1 計(jì)算模型

采用三維有限元軟件Midas Civil對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析,并著重進(jìn)行了船橋碰撞分析,以檢驗(yàn)墩柱結(jié)構(gòu)的抗撞安全性。全橋共建184個(gè)單元、199個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 麗江大橋主橋結(jié)構(gòu)有限元仿真模型圖

3.2 撞機(jī)分析工況

橋梁抗撞性能分析計(jì)算需進(jìn)行不同的荷載組合,按照“永久作用+可變作用+一種偶然作用”的形式計(jì)算橋墩的撞擊響應(yīng),利用動(dòng)力時(shí)程分析方法分析橋墩受船舶撞擊的響應(yīng),得到關(guān)鍵部位的內(nèi)力及變形情況,采用最不利工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行防撞性能驗(yàn)算。結(jié)合該項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)有相關(guān)研究成果,確定高水位情況下船舶撞擊為該項(xiàng)目的最不利碰撞工況,具體撞擊計(jì)算工況如圖4～5所示。

圖4 船舶正撞的計(jì)算工況模型圖

圖5 船舶側(cè)撞的計(jì)算工況模型圖

由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性,因此正撞和側(cè)撞均僅考慮4#墩受撞的工況。

3.3 撞擊時(shí)程函數(shù)

船橋碰撞問(wèn)題屬于動(dòng)力問(wèn)題,直接計(jì)算難度大、耗時(shí)長(zhǎng),因此常用等效靜力法模擬,即將動(dòng)力問(wèn)題等效為靜力問(wèn)題求解,但等效靜力方法忽略了沖擊動(dòng)力效應(yīng),已有的研究表明,該方法有時(shí)會(huì)產(chǎn)生工程設(shè)計(jì)不可接受的誤差。為了改進(jìn)誤差,本次將采用強(qiáng)制振動(dòng)法對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的船撞效應(yīng)進(jìn)行分析和計(jì)算。強(qiáng)制振動(dòng)法起源于動(dòng)力學(xué)的理論,目前已發(fā)展成熟,其計(jì)算結(jié)果較為可靠。

強(qiáng)制振動(dòng)法的船橋碰撞過(guò)程可根據(jù)下列公式模擬:

(1)

(2)

式(1)(2)中,0<τ<1。

(3)

經(jīng)計(jì)算,船舶撞擊力的時(shí)程荷載曲線(xiàn)如圖6所示,可導(dǎo)入有限元分析模型。

圖6 橋墩受撞力的時(shí)程荷載曲線(xiàn)圖

3.4 撞擊響應(yīng)

通過(guò)理論分析和建模計(jì)算,得到橋墩的結(jié)構(gòu)響應(yīng),計(jì)算工況分為正撞工況和側(cè)撞工況,分別列出兩個(gè)工況的內(nèi)力圖,如圖7和圖8所示。

(a)軸力

(a)軸力

4 抗撞性能評(píng)估

4.1 墩身抗彎性能評(píng)估

麗江大橋抗船撞設(shè)防目標(biāo)為P1級(jí),即結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性能完全保持,局部允許損傷,可以進(jìn)行耐久性的補(bǔ)修。

根據(jù)這個(gè)要求,結(jié)構(gòu)可以部分進(jìn)入塑性,但不應(yīng)全截面進(jìn)入塑性,換言之,要求構(gòu)件在船撞作用下的截面彎矩應(yīng)小于等效屈服彎矩。

通過(guò)彎矩-曲率計(jì)算的纖維模型,將鋼筋看作彈塑性豎向纖維,混凝土分為保護(hù)層混凝土和鋼筋內(nèi)部的核心混凝土,采用不同的本構(gòu)關(guān)系曲線(xiàn),分別劃分為小網(wǎng)格,也將其等效為豎向纖維,于是可以計(jì)算出橋墩構(gòu)件的M-φ曲線(xiàn)。4#墩截面纖維模型和M-φ曲線(xiàn)如下頁(yè)圖9～10所示。

圖9 4#墩截面纖維模型圖

(a)橫橋向

計(jì)算得到的4#墩截面等效屈服彎矩My與船舶撞擊計(jì)算彎矩M的對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 橋墩抗彎計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)驗(yàn)算,船舶橫橋向撞擊所產(chǎn)生墩底彎矩小于等效屈服彎矩,4#墩墩身滿(mǎn)足抗彎性能要求。

4.2 墩身抗剪性能評(píng)估

墩身抗剪性能評(píng)價(jià)可根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T3360-02-2020)的規(guī)定計(jì)算,計(jì)算公式復(fù)雜,篇幅較長(zhǎng),本文不詳細(xì)列舉,可翻閱規(guī)范查看。

根據(jù)該橋的實(shí)際情況,4#墩的墩身抗剪計(jì)算參數(shù)按照表5取值。4#墩墩身抗剪承載能力設(shè)計(jì)值通過(guò)復(fù)雜計(jì)算如表6所示。

表5 橋墩截面抗剪承載力計(jì)算參數(shù)取值表

表6 橋墩截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果表

通過(guò)計(jì)算,4#橋墩墩身最不利截面在橫橋向、順橋向船舶撞擊力作用下所承受剪力小于橋墩自身抗剪承載力設(shè)計(jì)值,順橋向船舶撞擊力作用下所承受剪力均小于橋墩自身抗剪承載力設(shè)計(jì)值。4#橋墩抗剪性能滿(mǎn)足要求[2-3]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以麗江大橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行了橋梁抗撞性能研究,根據(jù)計(jì)算分析,該橋在通航代表船型2 000噸級(jí)船隊(duì)碰撞速度3.4 m/s條件下,船隊(duì)若意外撞擊墩柱,橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載能力能滿(mǎn)足規(guī)范要求,并且通過(guò)荷載的設(shè)計(jì)值和構(gòu)件承載能力值相比較,該橋承載能力仍具有一定的富余,這說(shuō)明雙肢薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋具有較好的抗撞效果,該橋型一般不會(huì)因?yàn)榇暗淖矒舳艿捷^大的損害。但為確保橋墩結(jié)構(gòu)及船舶安全,建議設(shè)置簡(jiǎn)易的防撞設(shè)施。

連續(xù)剛構(gòu)橋具有較好的抗撞性能,分析原因,主要可以歸納為以下三個(gè)方面:

(1)連續(xù)剛構(gòu)橋雙肢薄壁墩配筋富余,截面強(qiáng)度和截面韌性較好。該橋橋墩為單肢截面尺寸為6 m×1.8 m的雙肢薄壁墩,但鋼筋配筋率達(dá)到3.8%,配筋充足,計(jì)算截面彎矩-曲率后發(fā)現(xiàn),截面強(qiáng)度高,并且韌性好,可以有效傳遞荷載和分散荷載,因此抗撞承載能力好。

(2)連續(xù)剛構(gòu)橋自重較大,可以有效提供橋墩預(yù)壓力?；炷吝B續(xù)剛構(gòu)橋由于上構(gòu)較為龐大,梁高最高達(dá)到了10 m,因此給橋墩提供了良好的預(yù)壓力。而且,由于雙肢薄壁截面較小,預(yù)壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力較大,這種壓應(yīng)力恰好克服了混凝土抗拉能力弱的缺點(diǎn),使得橋墩結(jié)構(gòu)抗撞性能力好。

(3)連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁跨徑較大,橋墩結(jié)構(gòu)雖為薄壁墩,但大跨橋梁相比中小跨徑橋梁,橋墩結(jié)構(gòu)仍然偏大,因此大跨徑橋梁普遍具有良好的抗撞效果。

本文針對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋雙肢薄壁墩抗撞性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其具有較好的抗撞性能,同時(shí)分析了良好抗撞性能的形成原因。研究成果對(duì)同類(lèi)型橋梁的防撞設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用,同時(shí)也為設(shè)置防撞設(shè)施提供了借鑒。鑒于目前船橋碰撞研究還較為缺乏,詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)實(shí)體模型研究和工程試驗(yàn)將是下一階段的研究重點(diǎn)。