跨內(nèi)河航道城市橋梁抗撞性能評(píng)估

李旸

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司，廣東廣州 510500）

橋梁作為跨越航道的主要結(jié)構(gòu)物，在溝通兩岸交通的同時(shí)，還應(yīng)保障航道正常通行不受影響。因此在橋梁設(shè)計(jì)初期，應(yīng)充分收集航道水文資料、航道整治資料、通行船舶資料等，通過(guò)設(shè)置合理的通航凈空尺度，確保船舶航行安全。但船舶在通行時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)由于機(jī)械故障或人為因素而發(fā)生偏離航道的情況，進(jìn)而產(chǎn)生撞擊橋梁的可能性。一般情況下，橋梁上部結(jié)構(gòu)遭遇船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)概率較低。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[1]，自20 世紀(jì)60 年代至21 世紀(jì)初期中國(guó)主要發(fā)生的172 起船撞橋事故中，碰撞下部結(jié)構(gòu)的事故為133 起，占77%；碰撞橋墩防撞裝置的事故為17 起，占10%；碰撞上部結(jié)構(gòu)的事故為22 起，占13%。可見(jiàn)橋梁下部結(jié)構(gòu)是船舶撞擊的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需要對(duì)其抗撞性能進(jìn)行評(píng)估，并為抗撞性能不滿足的橋梁結(jié)構(gòu)增設(shè)防撞緩沖設(shè)施[2-4]。

1 背景介紹

一般情況下，船舶撞擊力可采用等效靜力法和動(dòng)力分析法2 種方式進(jìn)行模擬。其中，等效靜力法是假定船舶將對(duì)橋梁墩臺(tái)撞擊作用的有效動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為靜力功，并考慮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算得出了船舶撞擊作用力值。這種簡(jiǎn)化計(jì)算方式未將沖擊動(dòng)力效應(yīng)考慮在內(nèi)，撞擊作用點(diǎn)一般假定位于計(jì)算通航水位線以上2 m 的橋墩寬度或長(zhǎng)度的中點(diǎn)。

但工程實(shí)例表明，船舶的沖擊動(dòng)力效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響不能被完全忽略，一些情況下會(huì)產(chǎn)生工程設(shè)計(jì)不可接受的誤差，因此有必要采用動(dòng)力分析方法對(duì)船舶撞擊效應(yīng)進(jìn)行分析。《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出，橋梁主體結(jié)構(gòu)船撞效應(yīng)宜采用質(zhì)點(diǎn)碰撞方法或強(qiáng)迫振動(dòng)方法計(jì)算。質(zhì)點(diǎn)碰撞方法[5]是將船舶撞擊作用假設(shè)為質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，考慮撞擊力與撞深參數(shù)關(guān)系，通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)提取樣本值并進(jìn)行二次拋物函數(shù)修正，最終確定撞擊力-撞深模型。強(qiáng)迫振動(dòng)方法則是將船舶撞擊作用假設(shè)為強(qiáng)迫力模型，使用質(zhì)量-彈簧體系模擬船橋碰撞作用，通過(guò)施加外部振動(dòng)激勵(lì)，迫使橋梁主體結(jié)構(gòu)參與受力。

2 工程案例

某橋跨越內(nèi)河河道，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，最大跨徑為145 m，規(guī)劃航道等級(jí)為III 級(jí)，采用單孔雙向通航，最高通航水位為39.2 m，最低通航水位為32.66 m。涉航橋墩共2 個(gè)，分別為P3、P4 墩。P3 墩承臺(tái)采用整體式矩形結(jié)構(gòu)，順橋向?qū)挾葹?5.0 m，承臺(tái)高4.5 m。承臺(tái)下設(shè)置24 根直徑為2.5 m 的鉆孔灌注樁，呈3 行8 列矩陣式排列，順橋向樁間中心距為5.5 m，橫橋向樁間中心距為6.05 m。P4 墩墩身采用整體式花瓶型結(jié)構(gòu)，墩底部截面尺寸為8.0 m×2.6 m，承臺(tái)外輪廓尺寸為14.5 m×9.5 m×4 m，其下設(shè)置6 根直徑為2.5 m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，順橋向及橫橋向樁間中心距均為5 m。

2.1 船舶撞擊力

當(dāng)與橋梁發(fā)生碰撞時(shí)，船舶撞擊力與船舶滿載排水量、船舶撞擊速度等相關(guān)。根據(jù)航道規(guī)劃等級(jí)，取1 000 t 級(jí)貨船驗(yàn)算船舶滿載排水量。根據(jù)船舶在航道內(nèi)的正常行駛速度、航道中心線至橋墩的距離及船舶長(zhǎng)度確定船舶撞擊速度。

根據(jù)對(duì)已發(fā)生事故的調(diào)查，橋墩離航道中心線越遠(yuǎn)，偏航船舶與橋墩相撞時(shí)的速度越小；當(dāng)橋墩與航道中心線的距離足夠大時(shí)，船舶撞擊橋墩時(shí)的速度近似為船舶隨水流漂流的速度；當(dāng)橋墩與航道中心線的距離較小時(shí)，船舶撞擊橋墩時(shí)的速度近似為船舶在航道中的正常行駛速度。本工程實(shí)例中，船舶撞擊速度為2.92 m/s。

采用動(dòng)力計(jì)算模型對(duì)船舶撞擊作用進(jìn)行分析，船舶撞擊力時(shí)程根據(jù)強(qiáng)迫振動(dòng)方法確定。由此確定的船舶撞擊力時(shí)程曲線如圖1 所示。

圖1 船舶撞擊力時(shí)程

2.2 計(jì)算模型

采用有限元MIDAS/Civil 進(jìn)行橋梁建模計(jì)算。模型考慮樁土作用[6]，使用節(jié)點(diǎn)彈性支承建立土彈簧以模擬樁土效應(yīng)，土彈簧線剛度值采用“m 法”進(jìn)行計(jì)算，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。根據(jù)前文得到的時(shí)程曲線，在模型中采用直接積分法進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。整個(gè)船撞過(guò)程分為100 個(gè)時(shí)間步，逐步分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)。建立的全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

2.3 抗撞性能驗(yàn)算

在發(fā)生船舶撞擊時(shí)，橋梁下部結(jié)構(gòu)一般發(fā)生破壞的位置在墩底及樁頂這2 個(gè)關(guān)鍵截面，其中墩底截面的破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，樁頂截面的破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞和彎曲破壞。因此取墩底截面及最不利單樁的樁頂截面作為驗(yàn)算截面，對(duì)橋墩與樁基的抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彎曲變形性能及樁基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性分別進(jìn)行驗(yàn)算，綜合評(píng)估橋梁下部結(jié)構(gòu)的抗撞性能。

橋梁的船撞重要性等級(jí)為C1 級(jí)，按兩水準(zhǔn)船撞作用設(shè)計(jì)，船撞作用設(shè)防水準(zhǔn)為L(zhǎng)2 級(jí)，抗船撞設(shè)防目標(biāo)為P1 級(jí)，構(gòu)件抗船撞性能等級(jí)為JX1 級(jí)。

荷載組合取船舶撞擊的偶然組合設(shè)計(jì)值，考慮恒載、汽車(chē)荷載、流水壓力及船舶撞擊力作用，計(jì)沖擊效應(yīng)，其中汽車(chē)荷載的分項(xiàng)系數(shù)為0.4，其余各類作用的分項(xiàng)系數(shù)取為1.0。以P3 墩為例，給出抗撞性能驗(yàn)算過(guò)程。

2.3.1 抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果及截面抗剪承載力計(jì)算結(jié)果，取最不利情況，墩底截面和樁頂截面在船舶撞擊時(shí)的橫橋向剪力偶然組合效應(yīng)值和截面抗剪承載力效應(yīng)值的對(duì)比結(jié)果如表1 所示。可以看出，墩底截面和樁頂截面的剪力偶然組合值均未超過(guò)截面的抗力效應(yīng)值，且安全系數(shù)均在10.0 以上，抗剪承載力滿足要求。

表1 截面剪力驗(yàn)算結(jié)果

2.3.2 抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

基于（無(wú)）約束混凝土及鋼筋的本構(gòu)關(guān)系，并結(jié)合墩柱和樁基的混凝土材料屬性、鋼筋材料屬性和配筋情況，計(jì)算得出墩底截面和樁頂截面的軸力-彎矩關(guān)系。

根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，取最不利情況，墩底截面和樁頂截面在船舶撞擊時(shí)的彎矩偶然組合設(shè)計(jì)值和軸力偶然組合效應(yīng)值與軸力-彎矩曲線的對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。可以看出，墩底截面和樁頂截面的軸力-彎矩偶然組合效應(yīng)值在截面軸力-彎矩曲線范圍內(nèi)，抗彎承載力滿足要求。

圖3 軸力-彎矩曲線

2.3.3 彎曲變形性能驗(yàn)算

基于（無(wú)）約束混凝土及鋼筋的本構(gòu)關(guān)系，并結(jié)合墩柱和樁基的混凝土材料屬性、鋼筋材料屬性和配筋情況，計(jì)算得出墩底截面和樁頂截面的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系。采用理想彈塑性模型進(jìn)行鋼筋混凝土構(gòu)件的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系分析，假設(shè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)角限值等于其塑性鉸區(qū)等效屈服轉(zhuǎn)角，即構(gòu)件截面的彎矩設(shè)計(jì)值不超過(guò)截面等效屈服彎矩時(shí)，截面將處于彈性工作狀態(tài)。基于該理想假定，對(duì)實(shí)際計(jì)算得出的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線進(jìn)行擬合。

根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，取最不利情況，墩底截面和樁頂截面在船舶撞擊時(shí)的彎矩偶然組合效應(yīng)值與彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。可以看出，墩底截面和樁頂截面的彎矩偶然組合效應(yīng)值均沒(méi)有超過(guò)截面等效屈服彎矩，彎曲變形性滿足要求。

2.3.4 樁基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)于性能等級(jí)為JX1 的構(gòu)件，要求它在船舶撞擊偶然組合作用下，承臺(tái)質(zhì)心處的位移不得超過(guò)一根樁屈服對(duì)應(yīng)的承臺(tái)質(zhì)心處位移，即滿足樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性指標(biāo)。

根據(jù)樁頂截面彎矩-轉(zhuǎn)角曲線可知，其驗(yàn)算截面彎矩設(shè)計(jì)值未超過(guò)截面等效屈服彎矩。表明在船舶撞擊的偶然組合作用下，樁身未出現(xiàn)屈服指征，樁基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用強(qiáng)迫振動(dòng)方法的動(dòng)力模型對(duì)船舶撞擊橋梁進(jìn)行模擬，通過(guò)抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彎曲變形性能及樁基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，評(píng)估橋梁下部結(jié)構(gòu)的防撞能力。計(jì)算結(jié)果顯示，在1 000 t 設(shè)防代表船型撞擊下，P3 橋墩及樁基的抗撞性能可以滿足要求。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃以及增加安全富余度考慮，建議適時(shí)對(duì)橋梁涉航橋墩增設(shè)柔性防撞設(shè)施，降低或消除船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)。