外灘大橋被船撞后的應急檢測和承載能力分析

鄧水源 何天濤

（寧波市市政管理處市政橋梁管理所， 浙江 寧波 315000）

1 項目背景

寧波市外灘大橋屬于城市橋梁，主橋采用獨塔四索面異型斜拉橋結構，跨徑布置自西向東為主跨225m+邊跨82m+30m。主橋為分離式雙箱斷面，單幅標準橋寬21.4m，雙向六車道，并通行非機動車道和行人。2018年4月16日20：00左右，原停靠在江北郵輪碼頭附近的一艘裝修船只（噸位約2500噸）因失去錨碇作用，隨潮水自南向北漂移，隨即被卡在外灘大橋主跨跨中區域（南側）。經過多部門聯合施救，被卡船只于21:40分左右被拖離。從安全考慮，養護管理單位采取了緊急封道的措施，并啟動應急檢測和承載能力分析，評價該橋的安全狀況。

圖1.1-1 船只撞擊橋梁實景照（側面）

圖1.1-2 船只撞擊橋梁實景照（俯視）

圖1.1-3 船只卡橋俯視示意圖

2 應急檢測

檢測單位對外灘大橋橋面系及附屬結構、上部結構、下部結構（含支座）、箱梁內焊縫的超聲波探傷、索力變化等進行了全面檢測、并與上次檢測情況進行對比分析，得出結論如下：本次船撞事故未對外灘大橋外觀質量造成重大損傷，人行道、橋面鋪裝未見明顯病害，鋼箱梁底部無明顯擠壓變形，支座未見明顯損傷。但是，造成鋼箱梁外表面底板有明顯擦傷痕跡約 20m2，鋼護欄和防護網變形約10m，鋼箱梁邊倉景觀燈帶固定條脫落約15m、人行道橋側面景觀燈帶固定條脫落約10m，通航標志牌損傷1塊。外灘大橋人行道橋面線形平順、所測縱坡上坡段為2.3%，設計為2.45%；所測縱坡下坡段為-1.3%，設計為-1.3%；與設計縱坡基本吻合，索塔和結構梁的空間坐標無明顯變化，船撞事故對結構線形無影響。根據《城市橋梁養護技術標準》評估外灘大橋技術狀況為“合格”狀態。

3 模態測試及對比分析

因外灘大橋的結構箱梁為左右分幅，且各幅采用橫向鋼構件鏈接，為宏觀掌握船撞事件對外灘大橋的影響，采用脈動試驗測試和對比其自振頻率的變化情況，測試前采用Midas Civil對外灘大橋主橋建立空間梁格單元模型，計算其前三階的振型圖和自振頻率。

3.1 測點布置

圖3.1-2 脈動試驗傳感器布置示意圖

3.2 測試結果分析

前三階自振頻率計算和測試對比表

結論：外灘大橋的基頻實測值大于理論計算值，實測振型圖與理論振型圖吻合較好說明該橋的實際剛度大于設計剛度，船撞事故對橋梁剛度無影響。

4 船撞過程的模擬分析

4.1 船撞橋的撞擊力

撞擊荷載是一種動力荷載，是在某一個相對比較短的時間內積聚相對較大的能量并作用于結構的過程。船只撞擊橋梁過程中包含了巨大的能量轉換，是一個由毫秒到秒量級的短時間動態過程，本質是一個復雜的沖擊力學問題。通常認為解決防撞設計問題的關鍵在于設防的撞擊力。國內橋梁設計規范中給出了計算撞，擊力的經驗公式。

《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）第4.4.2條中規定漂流物橫橋向撞擊力標準值按如下公式（1）估算：

式中：W ——漂流重力（kN），應根據河流中漂流物情況，按照實際調查確定；

V ——水流速度（m/s）；

T ——撞擊時間，應該根據實際資料估計，無實際資料時可用1s；

g——重力加速度，g=9.81(m/s)。

4.2 簡化船撞力曲線

美國、英國、日本、意大利和聯邦德國等做了一定數量的船舶撞擊試驗。試驗測知，船舶直角撞擊剛性橋墩時，其撞擊力可以在計算的基礎上修正。其中由沃辛教授主持的原聯邦德國GKSS試驗中以1:75和1:12兩種比例的12對船舶模型，作了 24次試驗，得出“沃辛試驗船舶撞擊力曲線圖”，為便于計算，根據沖量等效的原則，對該曲線做簡化后得出本次船撞力曲線如圖5.2-2所示。

圖4.2-2 簡化船撞力曲線

圖4.2-2中的撞擊力曲線將原沃辛船撞曲線簡化為若干段脈沖荷載，這些荷載對應著船舶碰撞的8個階段，瞬態動力分析時間間隔取為0.005秒，碰撞時間取按1秒計，通過試算確定碰撞計算時間為5秒。具體劃分情況見表4.2-3。

表 4.2-3 簡化曲線各階段數值表

說明：船撞力＝撞擊力系數×Pmax

圖4.3-1 船撞擊位置與主橋空間示意圖

4.3 有限元分析

4.3.1 位移分析

船舶撞擊橋梁過程中最大橫橋向位移云圖如圖4.4-1所示。

圖4.4-1 船撞力作用下橫橋向位移（mm）

最大位移出現在 6個橫橋向撞擊點縱橋向 6m范圍內，局部數值為 64.5～89.7mm，其余部位數值均在60mm范圍內。

4.3.2 應力分析

船舶撞擊橋梁過程中最大應力增量云圖如圖4.5-1所示。

圖4.5-1 船撞力作用下最大應力增量（MPa）

最大應力增量出現在兩主梁間連系跨中橫梁上（撞擊點右側附近），為局部應力集中，面積為0.4m2，最大值為72.2MPa，其它主要結構應力均位于40MPa以內。

4.3.3 索力分析

船舶撞擊橋梁過程中拉索索力變化值及最大索力如圖4.6-1、圖4.6-2所示。

圖4.6-1 船撞力作用下拉索索力變化（kN）

圖4.6-2 船撞力作用下拉索最大索力（kN）

（1）拉索索力最大變化值（增量）出現于外側拉索ZW10、ZW9、ZW8（撞擊點左側），數值分別為141.3.3kN、141.0 kN、130.5 kN，索力增幅分別為4.0%、3.7%、3.7%，其余拉索索力增幅在1.3%以內。

（2） 最大索力位于內側拉索ZN12，數值為6320 kN，增幅為1.3%。

使用MIDAS/CIVIL 2015建立外灘大橋全橋有限元模型，并模擬船撞擊過程，得出外灘大橋船撞擊動力響應分析主要結果如表5.6-1所示。

表4.6-1 外灘大橋撞擊響應分析主要結果

5 結論

（1）應急檢測得出該橋的技術狀況等級為合格，關鍵構件的空間坐標無明顯變化。

（2）外灘大橋的基頻實測值大于理論計算值，實測振型圖與理論振型圖吻合較好說明該橋的實際剛度大于設計剛度，船撞事故對橋梁剛度無影響。

（3）有限元模擬船撞事故對外灘大橋的位移、應力和索力的影響分析，增量突變處于局部小范圍內、符合撞擊荷載效應的受力特征，本次船舶撞擊對全橋承載能力無明顯影響。