船撞條件下鋼筋混凝土桁架式懸索橋承載能力評(píng)估

許華聰

(福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 福建福州 350012)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，跨越大江大河的橋梁越來越多，各類船舶的數(shù)量、噸位、航速不斷增加，船舶撞擊橋梁的事故越來越多[1]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞著船舶互相碰撞做了大量的研究，研究重點(diǎn)主要集中在：船舶撞擊力的確定，船舶撞擊橋梁概率、橋墩與橋梁的破壞，船橋碰撞仿真數(shù)值研究同，防撞設(shè)施的研制等[2-3]。

鋼筋混凝土桁架式懸索橋是福建省20世紀(jì)90年代修建的一種特色橋型。受限于當(dāng)時(shí)的建造水平及資金情況，此類橋梁目前普遍存在病害發(fā)展迅速且各構(gòu)件、指標(biāo)富余系數(shù)偏低的情況[4]，而且此類橋梁普遍建設(shè)在具有通航需求的大江大河上。隨著大型船舶的不斷增多和管理不善，目前部分橋梁已發(fā)生過船舶撞擊事故。此類橋梁的船舶撞擊問題與目前船舶撞擊研究的重點(diǎn)不同，船舶撞擊的部位集中在鋼筋混凝土桁架上，而非橋墩，此類的研究目前相對(duì)較少。

本文擬以某鋼筋混凝土桁架式懸索橋受到一次船舶撞擊為工程背景，對(duì)船舶撞擊的此類橋梁進(jìn)行承載能力檢測(cè)評(píng)估，以期為類似工程提供一定的借鑒。

1 工程背景

某三跨簡(jiǎn)支鋼筋混凝土桁架式懸索橋位于福建某出海口，海上經(jīng)濟(jì)是當(dāng)?shù)厥杖氲闹饕е弧蛄喝L(zhǎng)466.0m，主跨為208.0m。近年來，大型運(yùn)輸船舶越來越多，原有設(shè)計(jì)通航高度富余較少，橋梁受船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)日益增大。2016年10月18日20時(shí)50分，海水處于漲潮期間，橋梁被運(yùn)沙船海潤(rùn)635號(hào)撞擊，現(xiàn)場(chǎng)撞擊圖如圖1所示。

圖1 船舶撞擊圖

2 船舶撞擊過程及影響分析

2.1 撞擊過程及特點(diǎn)

結(jié)合視頻資料、走訪及外觀調(diào)查分析，此次船舶撞擊的特點(diǎn)及影響分析如下：

(1)由于海水處于漲潮期間，橋下凈空減少；而運(yùn)砂船海潤(rùn)635號(hào)又處于空載狀態(tài)，吃水較淺；船長(zhǎng)疏于觀察，未將輸送帶架放平，最終導(dǎo)致輸送帶架撞擊橋梁。

(2)撞擊時(shí)船舶未開啟船身動(dòng)力，順流而下。輸送帶架首先撞擊到38#～39#吊桿間，第一個(gè)撞擊點(diǎn)為下弦桿，持續(xù)約1s，然后是兩根斜撐處；隨后船舶被卡在橋梁前方，船長(zhǎng)緊急開啟動(dòng)力，帶動(dòng)整個(gè)船舶逆流后退，并放下輸送帶架。整個(gè)過程持續(xù)約5min。

(3)根據(jù)事后調(diào)查，撞擊時(shí)，船身重量約為500t。當(dāng)時(shí)水流速度約1.96m/s。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ 021—15)附錄四[5]計(jì)算可知，第一次撞擊的下弦桿處撞擊力計(jì)算如下：

P=Wv/(gT)=(5000×1.96)/(9.81×1)≈1000kN

式中：W為漂流物重量(kN)；v為水流速度(m/s)；T為撞擊時(shí)間(s)；g為重力加速度，取9.81m/s2。

(4)根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果，船舶撞擊處，下弦桿、斜桿處節(jié)點(diǎn)及兩根斜桿存在混凝土剝落，骨架外露；其中下弦桿和其中1根斜桿處鋼筋外露、扭屈變形，但并未發(fā)現(xiàn)鋼筋斷裂。撞擊處附近吊桿僅發(fā)現(xiàn)局部漆皮剝落現(xiàn)象。主纜、支座等未見明顯滑移現(xiàn)象。部分外觀檢測(cè)照片，如圖2所示。

圖2 船舶撞擊位置病害照片

2.2 影響范圍分析

采用MIDAS有限元軟件建立橋梁三維有限元模型，并賦予初始剛度。將撞擊力等效為一個(gè)集中力，作用于下弦桿上，對(duì)橋梁進(jìn)行擬靜力計(jì)算(僅對(duì)第一處撞擊點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算)。建立的橋梁模型如圖3所示。 部分計(jì)算結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖3 橋梁有限元模型

圖4 橫橋向位移靜力計(jì)算結(jié)果

圖5 應(yīng)力靜力計(jì)算結(jié)果

由圖中可知，船舶撞擊的主要影響范圍在撞擊處附近約6m；在撞擊處附近，下弦桿位移及應(yīng)力均產(chǎn)生突變；橋梁最大橫向位移達(dá)到28.9cm；撞擊點(diǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土拉應(yīng)力允許值。這與實(shí)際外觀檢測(cè)結(jié)果一致。

3 基于考慮損傷模擬的橋梁承載能力檢算

船舶撞擊后，桁架部分構(gòu)件出現(xiàn)混凝土碎裂，甚至可能失效的情況。因此，下文通過采用考慮損傷后的橋梁進(jìn)行模擬計(jì)算(模擬的方法是構(gòu)件截面折減)，對(duì)桁架主要構(gòu)件承載能力進(jìn)行檢算分析。

3.1 橋梁自振頻率檢測(cè)評(píng)定

采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)豎向自振頻率。通過在上游側(cè)橋面吊索處布設(shè)豎向加速度傳感器，以觀測(cè)橋梁豎向自振特性，全橋共布置42個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

表1 實(shí)測(cè)自振頻率與理論自振頻率對(duì)比

圖6 加速度傳感器縱橋向布置圖

從表1中可知，盡管橋梁局部構(gòu)件損傷，但橋梁實(shí)測(cè)自振頻率大于計(jì)算值，且振型基本一致，說明橋梁整體剛度仍滿足要求。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中第5.9.2條的規(guī)定，該橋自振頻率評(píng)定標(biāo)度為2。另外，從表1中也可知，第三階實(shí)測(cè)與理論差異略大，這說明理論模擬中的一些假設(shè)，如忽略梁梁連接、梁柱連接帶來的尺寸變大效應(yīng)等，可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的高階計(jì)算頻率產(chǎn)生較大影響。

3.2 構(gòu)件承載能力惡化系數(shù)

橋梁承載能力檢算前，除對(duì)橋梁進(jìn)行自振頻率檢測(cè)外，還對(duì)橋梁進(jìn)行外觀及結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)。限于篇幅，本文不再贅述。該懸索橋檢測(cè)結(jié)果匯總?cè)绫?～表4所示。

表2 承載力惡化狀況評(píng)定標(biāo)度

注：由于鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度為1，混凝土電阻率、混凝土碳化狀況、氯離子含量不檢測(cè)，標(biāo)度直接取1。

根據(jù)表2及文獻(xiàn)[6]第7.7.4條的規(guī)定，承載能力惡化系數(shù)取0.04。

3.3 截面折減系數(shù)

根據(jù)表3及文獻(xiàn)[6]第7.7.6條的規(guī)定，截面折減系數(shù)取0.98；鋼筋截面折減系數(shù)取1.0。

表3 材料風(fēng)化、碳化及物理與化學(xué)損傷評(píng)定標(biāo)度

3.4 承載能力檢算系數(shù)

根據(jù)表4及文獻(xiàn)[6]第7.7.1-2條的規(guī)定，軸心受拉時(shí)，承載力檢算系數(shù)Z1=0.995；軸心受壓時(shí)，承載力檢算系數(shù)取Z1=1.09；對(duì)于拉索構(gòu)件，根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果，取Z1=1.0。

表4 橋梁承載力檢算系數(shù)

3.5 檢算工況

根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，這里主要對(duì)被撞擊處附近6m左右的截面進(jìn)行構(gòu)件承載能力計(jì)算，驗(yàn)算荷載為設(shè)計(jì)荷載(汽-10級(jí)，人群荷載3.5kN/m2)。計(jì)算工況如表5所示。

表5 承載能力檢算工況

圖7 橋梁靜載試驗(yàn)測(cè)試截面(單位：cm)

3.6 承載能力檢算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[6]第7.3.1條及7.5.1條的規(guī)定，計(jì)算結(jié)構(gòu)最終極限承載能力。

對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，按下式進(jìn)行計(jì)算評(píng)定：

γ0S≤R(fd,ζcαdc,ζsαds)Z1(1-ζe)

(1)

式中，γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S為荷載效應(yīng)函數(shù)；R(·)為抗力效應(yīng)函數(shù)；αdc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；αds為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；其余參數(shù)見上文。

對(duì)于吊桿構(gòu)件，按下式進(jìn)行計(jì)算評(píng)定：

(2)

式中：Tj為計(jì)入活載影響修正系數(shù)的計(jì)算索力；A為索的計(jì)算面積；[σ]為容許應(yīng)力限值。

根據(jù)式(1)和式(2)進(jìn)行承載能力計(jì)算，限于篇幅，各構(gòu)件尺寸及鋼筋配置不再贅述，最終計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 承載能力檢算結(jié)果

注：模型1、模型2定義參考表5。

因此，根據(jù)文獻(xiàn)[6]第3.2.4條的規(guī)定，模型2中，縱桁下弦桿作用效應(yīng)的比值為1.03，處于1.0～1.2的范圍內(nèi)，需要通過荷載試驗(yàn)來評(píng)定橋梁的承載能力。

4 基于荷載試驗(yàn)的橋梁承載能力檢算

通過對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)及承載能力檢算，確定橋梁承載能力是否滿足要求。

4.1 靜載測(cè)試項(xiàng)目

根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)階段技術(shù)狀況，對(duì)主橋受海潤(rùn)635號(hào)船舶撞擊受損截面進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，主要測(cè)點(diǎn)布設(shè)距船舶撞擊處兩側(cè)6.0m處。靜載試驗(yàn)測(cè)試截面如圖7所示，測(cè)試項(xiàng)目為加勁桁架控制截面桿件在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力(應(yīng)變)及撓度。

4.2 試驗(yàn)車輛及加載布置

試驗(yàn)采用4輛約20t兩軸重車，荷載試驗(yàn)效率為0.98，車輛布置圖如圖8所示。

(a)加載車輛平面布置圖

(b)加載車輛橫向布置圖圖8 車輛布置(單位：cm)

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變測(cè)試采用電阻應(yīng)變片和DH3819型靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行采集。根據(jù)第3.6節(jié)的檢算結(jié)果，本次測(cè)點(diǎn)主要布置在橋梁受損截面(1-1)附近6m的下弦桿處。累計(jì)布置6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖9所示。

主橋撓度采用全站儀進(jìn)行測(cè)試。撓度測(cè)點(diǎn)布置在受損截面，累計(jì)布置2個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

(a)下游側(cè)縱桁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

(b)上游側(cè)縱桁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖圖9 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖10 撓度測(cè)點(diǎn)布置

4.4 靜載測(cè)試結(jié)果

部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖11所示。表7～表8列出荷載作用下各應(yīng)變及撓度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值。

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)點(diǎn)位置試驗(yàn)值(με)構(gòu)件測(cè)點(diǎn)編號(hào)實(shí)測(cè)值殘余理論值(με)校驗(yàn)系數(shù)相對(duì)殘余應(yīng)變(%)縱桁下弦桿下游側(cè)上游側(cè)1523146420.792.682287163320.825.573425135520.753.06442405830.730.00537594720.782.406345214240.766.09

表8 各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值與理論值的比較

由表7～表8中有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較可得：

(1)在試驗(yàn)荷載作用下控制斷面主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變及撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.73～0.86之間，符合規(guī)程(JTG/T J21-2011)規(guī)定的不大于1.00的限值要求。

(2)退載后各測(cè)試截面應(yīng)變及變位基本可恢復(fù)，最大相對(duì)殘余應(yīng)變/變位為5.57%，小于規(guī)程(JTG/T J21-2011)規(guī)定的20.00%的限值要求。

4.5 橋梁承載能力檢算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[6]第8.3.2條的規(guī)定，檢算系數(shù)Z2取1.02。將檢算系數(shù)Z2代入式(1)中進(jìn)行計(jì)算可知，模型2中，下弦桿的荷載效應(yīng)/抗力效應(yīng)為1.01，根據(jù)文獻(xiàn)[6]第8.3.3條的規(guī)定，應(yīng)判定橋梁承載能力滿足要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)船舶撞擊過程的特點(diǎn)及影響范圍進(jìn)行分析，通過建立兩種有限元模型，結(jié)合多種檢測(cè)手段(外觀檢測(cè)、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、荷載試驗(yàn))，對(duì)鋼筋混凝土桁架式懸索橋進(jìn)行承載能力檢算評(píng)估。研究結(jié)果表明，盡管該橋梁局部構(gòu)件受到撞擊損壞，但該橋仍能滿足設(shè)計(jì)荷載(汽-10級(jí)，人群荷載3.5kN/m2)的承載能力要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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