L041橋墩船撞局部應力分析中船墩接觸面積計算方法

李建，王善春，夏偉

（安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引 述

目前,橋墩船撞局部應力分析通常都是建立船舶與橋梁結構的有限元模型進行碰撞接觸計算，但這種方法耗時耗力，不便于工程界廣泛使用。如按簡化靜力分析，則需確定橋墩船撞過程中的船撞力與船墩接觸面積。目前,多國橋梁設計規范中已確定船撞力的靜力計算方法，但均未提及船墩接觸面積的計算。本文以蕪湖長江公路二橋的橋墩船撞局部應力分析為例，淺談船墩接觸面積的確定方法。

1 橋梁概況（見圖1）

蕪湖長江公路二橋及接線是安徽省高速公路網規劃“ 四縱八橫”中“ 縱二”的一段，是連接安徽省長江兩岸的又一條快速通道,主橋采用100m+308m+806m+308m+100m 五跨鋼箱梁斜拉橋，基礎采用直徑3m 鋼筋混凝土群樁基礎；主橋南、北近端引橋為跨徑55m 預應力混凝土連續箱梁橋，基礎采用直徑2m 鋼筋混凝土群樁基礎。

2 橋墩船撞可能性

蕪湖長江公路二橋位處長江黃金水道，航運較繁忙。據統計，2008 年1～12 月份通過銅陵大橋斷面船舶平均日流量為1381 艘次，通過蕪湖大橋斷面船舶平均日流量為1611 艘次；2011 年1～12 月份通過銅陵大橋斷面船舶平均日流量為986 艘次，通過蕪湖大橋斷面船舶平均日流量為1540 艘次。從現場觀測資料和統計分析可以看出，擬建橋梁所在河段船舶類型主要包括：客船、普通貨船、集裝箱船、危險品船、船隊和其他船舶。其中普通貨船最多，占總流量的90%以上。

根據“《蕪湖長江公路二橋船舶撞擊力標準研究報告》”，經船舶可達性分析、通航橋孔可能的船舶撞擊部位分析，得出江邊小堤和繁昌大堤內部的各墩的可能船舶撞擊部位，見表1（表中斜線表示不能到該墩）。

橋墩可能船撞部位一覽表 表1

3 橋墩設防船撞力

根據《蕪湖長江公路二橋初步設計》，主橋各橋墩設防船撞力見表2。

橋墩設防船撞力一覽表 表2

南主塔船墩接觸范圍及荷載一覽表 表3

4 橋墩船撞局部應力分析

考慮到各種墩型結構的相似性，僅以南主塔為例闡述局部應力分析過程。

4.1 船墩接觸范圍及荷載

“蕪湖長江公路二橋船舶撞擊力標準研究報告”在南主塔未配布防撞設施工況下，考慮萬噸海輪以3.59m/s 速度正撞塔身，利用LS-DYNA 進行了碰撞過程的數值模擬。船墩碰撞全程歷時2.25s，碰撞力最大值出現在1.07s，船舶撞擊力時程見圖2。

從撞擊力時程可以看出，在0s～1.07s 間船撞力近似線性上升； 在1.07s～2.0s 間船撞力緩速衰減， 保持較大撞擊力；在2.0s～2.25s 間船撞力急速減小?？紤]到船舶與橋墩間為接觸傳力，只能傳遞壓力而不能傳遞拉力的特性，結合撞擊力時程定性分析如下：船墩從0s 時開始接觸，因橋墩剛度大于船舶，故船墩接觸主要呈船舶以彈塑性變形貼合橋墩，可認為船舶變形在較大撞擊力末期(即2.0s 時)達到最大，此時船速近似衰減為0，此后船舶開始進行彈性變形的恢復直至脫離橋墩，在0s～2.25s 的全程，船舶始終受橋墩撞擊反力的作用而減速；在2.25s時船舶反彈脫離橋墩，此時船速應為負值，即已改變方向，但船速較小，船舶保留塑性變形。

根據上述分析可近似認為， 船舶以初始速度3.59m/s 經歷0s～1.07s 間的線加速度減速及1.07s～2.0s 間的勻加速度減速后速度為0。取最大加速 度 為a， 加 速 度 方 程 為ab(t)，v 為 初 始 速 度3.59m/s，速度方程為vb(t)，船舶撞深方程為L(t)。

聯列求解可得，2s 時L 為4.434m，進一步可求得0.25s、0.5s、0.75s、1.07s時的船舶撞深分別為0.892m、1.747m、2.532m、3.374m。

以長江內常規萬噸級貨船的尺度、形狀進行橋墩船撞局部應力分析,見圖6。

根據船舶撞深和對應的船舶型線圖上可得船墩接觸面積。

以面積相等、撞高相等將船墩接觸面積換算為矩形。

4.2 有限元分析

利用結構計算軟件ANSYS 建立實體有限元模型，承臺底部采用固定約束，單元模型選取8 節點SOLID65 實體單元。模型的坐標系為：X 向為橫橋向，Y 向為順橋向，Z 向為豎直方向，共剖分單元數26678，節點數31132。0.25s 撞擊產生橫橋向位移及撞擊產生主拉、壓應力如圖8～11 所示，其余時間節點不再敷述。

5 結 語

本文通過對船舶撞擊時程進行分析，認為在已知撞擊力時程的條件下可通過運動方程簡化求得船舶的撞深- 時間函數關系，進而結合船舶型線圖得出任一時間點的船墩接觸面積。

考慮到目前歐洲統一規范已提出船舶沖擊的荷載- 時間的函數關系，若能對各種不同噸位不同船型的船舶型線進行歸納，利用本文的方法可非常方便的求得船墩接觸面積，具有較高的工程應用價值。

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