斜拉橋船撞荷載下靜動力響應對比分析

曾 嵩，耿 波，呂成林，向明航，陳 璨，鄭 罡，

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074;2.招商局重慶交通科研設計院有限責任公司，重慶 400067)

斜拉橋船撞荷載下靜動力響應對比分析

曾 嵩1，耿 波2，呂成林1，向明航1，陳 璨1，鄭 罡1，2

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074;2.招商局重慶交通科研設計院有限責任公司，重慶 400067)

采用船撞動力時程最大值、峰值范圍內的局部平均值及全局平均值，作為船撞等效靜力荷載對斜拉橋進行船撞靜力分析，將結構靜力響應與船撞動力響應進行對比分析。結果表明:斜拉橋結構位移響應、內力響應差別較大。建議針對存在船撞問題的斜拉橋，在設計時船撞分析盡量采用動力分析方法，以便得到更為真實的結構內力和位移響應。

斜拉橋;船撞;等效靜力

20世紀90年代以來，我國橋梁建設進入了突飛猛進的發展階段。跨越通航河流的橋梁越來越多，水上運輸越來越繁忙，導致船舶撞擊橋梁的事故也屢見不鮮，船撞橋已經成為航道橋梁工程設計的一個重要問題［1］。

船舶撞擊橋墩時，撞擊力不是一個恒定不變的力，而是隨時間變化的時程荷載。在工程設計中，一般將船舶撞擊力等效為靜力荷載來簡化計算結構響應。有關確定等效靜力的方法，國際上已經提出了多種船舶撞擊力的估算公式，如Woisin公式、Pedersen公式、AASHTO規范公式、Knott公式、歐洲規范公式、挪威規范公式、我國公路規范公式及鐵路規范公式［2-7］。以上估算公式采用的方法都是先確定設計船撞力，然后將它作為靜力荷載來處理。這樣簡化的確為設計帶來了方便，但卻忽略了動力的影響因素［8］。

筆者利用大型通用有限元軟件對一座跨江斜拉橋進行了船撞動力與靜力分析，通過比較結構關鍵部位的內力和位移響應，結構的動力與靜力分析結果差異較大。

1 工程概況

該橋為雙塔雙索面斜拉橋，全長1 280 m，主跨680 m。采用半漂浮結構體系，主塔采用鉆石型橋塔，塔高220 m。主塔及輔助墩均采用樁基礎，其中主塔樁徑為2.8 m，輔助墩樁徑為1.8 m。主梁采用鋼箱梁，梁寬30.6 m(包括風嘴)，梁高 3.5 m，橋型布置見圖1。

2 有限元模型

2.1 橋梁模型

橋梁模型如圖2，全橋共有524個單元，696個節點。主塔、主梁、輔助墩均采用梁單元進行模擬;主梁與主塔、輔助墩之間采用主從約束，橋墩均采用雙支座，每個支座約束橋梁橫橋向與豎向位移，其它放開;樁土界面采用土彈簧進行模擬;主塔采用C50混凝土，承臺及輔助墩采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土，主橋鋼箱梁采用Q370qd橋梁結構用鋼，材料參數按規范取值，橋梁結構關鍵截面參數見表1。

圖1 橋型布置(單位:m)Fig.1 Layout of bridge

圖2 橋梁有限元模型Fig.2 The finite element model of bridge

表1 關鍵截面設計參數Tab.1 Parameters of key section

2.2 船舶模型［9］

主塔的設計撞擊船舶為5 000 t級散貨船，空載壓艙排水量1 600 t，空載吃水深度2.2 m;滿載排水量6 600 t，滿載吃水深度取為7.4 m，船舶有限元模型見圖3。

圖3 船舶有限元模型Fig.3 Finite element model of ship

2.3 船撞力

如圖1，三號主塔為船舶撞擊斜拉橋的位置，文中只考慮船舶橫橋向正撞橋墩，作用力方向假定不變，船舶撞擊點為承臺中部。通過有限元軟件模擬得到船撞動力時程如圖4。

船撞等效靜力取動力時程中最大值Pm、峰值范圍內的局部平均值Pl及時域內總體平均值P［10］g，作用點與船撞動力作用位置相同。

圖4 船撞動力時程Fig.4 Time－history of vessel－bridge collision

圖4中tm為船撞力時程最大值對應的時間，tl0、tl為 Pl取值起訖時間點，tg0、tg為 Pg取值起訖時間點。根據上述取值方法得:Pm=38 680 kN(tm=1.245 s)，Pl=21 057 kN(tl0=1.155 s、tl=1.760 s)，Pg=21 057 kN(tg0=0.035 s、tg=2.175 s)。

3 計算結果分析

3.1 位移響應比較

圖5 塔頂橫橋向位移Fig.5 Displacement of tower－tip

采用動力時程及等效靜力計算斜拉橋在船撞力作用下的塔頂、跨中、梁端及樁頂位移響應如圖5～圖8及表2。在船撞動力荷載作用下，塔頂、跨中節點、梁端及樁頂橫橋向最大位移分別為 5.2，3.3，1.5，3.4，而在等效靜力荷載作用下，與上對應的橫橋向最大位移分別為 4.3，2.7，0.2，2.5 mm。塔頂、跨中節點、梁端及樁頂橫橋向最大位移的動力解均大于靜力解，其中采用等效靜力Pm時，塔頂、跨中節點及樁頂橫橋向最大位移的靜力解約為動力解的70%～80%;梁端最大位移的靜力解約為動力解的13%。

表2 船撞力作用下結構橫橋向最大位移響應比較Tab.2 Comparation of maximum displacement response of structure as the impact of ship

3.2 內力響應比較

采用動力時程及等效靜力計算斜拉橋在船撞力作用下的塔底彎矩與塔底剪力響應如圖9～圖10，在船撞動力荷載作用下，塔底橫橋向最大彎矩及剪力分別為37 713 k·Nm、1 310 kN。而在等效靜力荷載作用下，塔底橫橋向最大彎矩及剪力僅有817 k·Nm、22 kN。塔底橫橋向最大彎矩、最大剪力的動力解遠遠高于靜力解，采用時程最大值Pm作為船撞力荷載計算的塔底內力橫橋向最大值僅為動力解的2%。可見塔底橫橋向內力的動靜力解差異極大，這主要是由于船舶的撞擊作用激發了斜拉橋主塔橫橋向的振動引起的，在船撞動力荷載作用下，主塔橫橋向彎矩、剪力的最大值均滯后于船橋碰撞約1.3 s。由表3，樁頂最大彎矩、最大剪力的動力解與靜力解相差不大，采用等效靜力Pm時，樁頂最大彎矩、最大剪力的靜力解約為動力解的70% ～80%。

表3 船撞力作用下結構橫橋向最大內力響應比較Tab.3 Comparation of maximum force response of structure as the impact of ship

4 結語

針對國內典型斜拉橋結構，分別采用傳統的靜力分析方法與精細動力分析方法進行船撞分析，通過比較結構的位移響應及內力響應，得到結論如下:

1)在靜力分析中，船撞等效靜力取時程最大值Pm的計算結果比采用峰值范圍內的局部平均值Pl及時域內總體平均值Pg更接近動力分析結果。但除斜拉橋下部結構的內力響應外，其它部位的位移響應及內力響應均小于動力荷載作用下的計算結果，且兩者相差較大。

2)采用船撞動力時程最大值Pm作為船撞等效靜力時，塔頂、跨中節點及樁頂橫橋向最大位移的靜力解約為動力解的70%～80%;梁端最大位移的靜力解約為動力解的13%。樁頂最大彎矩、最大剪力的靜力解約為動力解的70%～80%。

3)建議針對存在船撞問題的斜拉橋，在設計時船撞分析盡量采用動力分析方法，以便得到更為真實的結構內力和位移響應。如果要采用靜力分析方法，必須對靜力計算結果進行修正。

［1］陳國虞，王禮立.船撞橋及其防御［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

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［10］王君杰，陳誠，汪宏，等.基于碰撞數值模擬的橋梁等效靜力船撞力:基本公式［J］.公路交通技術，2009(2):66-70.

WANG Jun-jie，CHEN Cheng，WANG Hong，et al.Equivalent static force of ship impact to bridge based on impact numeric simulation:fundamental formula［J］.Technology of Highway and Transport，2009(2):66-70.

Static and Dynamic Response Comparison Analysis of Cable－stayed Bridge under Vessel Collision Load

ZENG Song1，GENG Bo2，LV Cheng-lin1，XIANG Ming-hang1，CHEN Can1，ZHENG Gang1，2
(1.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Chongqing Communications Research ＆ Design Institute Co.，Ltd.，China Merchants Bureau，Chongqing 400067，China)

The response of cable-stayed bridge under vessel collision load by dynamic and static analysis was analyzed with the maximum and the local average and the global average of the dynamic time history of ship impact as the equivalent static load.After comparison of the results it could be obtained that the response of cable-stayed bridge was different when different methods were applied.It was suggested that the cable-stayed bridge crossing the navigable river should be designed by dynamic analysis under vessel impact so as to get the displacement and force response accurately.

cable-stayed bridge;vessel-bridge collision;the equivalent static force

U442.55

A

1674-0696(2011)03-0384-04

2010-12-30;

2011-03-09

國家自然科學基金資助項目(51008266)

曾 嵩(1980-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事橋梁結構分析方面的研究。E-mail:zengsong-hb@163.com。