跨內河航道城市橋梁抗撞性能評估

李旸

（廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司，廣東廣州 510500）

橋梁作為跨越航道的主要結構物，在溝通兩岸交通的同時，還應保障航道正常通行不受影響。因此在橋梁設計初期，應充分收集航道水文資料、航道整治資料、通行船舶資料等，通過設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，不可避免地會出現由于機械故障或人為因素而發生偏離航道的情況，進而產生撞擊橋梁的可能性。一般情況下，橋梁上部結構遭遇船舶碰撞的風險概率較低。據不完全統計[1]，自20 世紀60 年代至21 世紀初期中國主要發生的172 起船撞橋事故中，碰撞下部結構的事故為133 起，占77%；碰撞橋墩防撞裝置的事故為17 起，占10%；碰撞上部結構的事故為22 起，占13%。可見橋梁下部結構是船舶撞擊的主要風險點，需要對其抗撞性能進行評估，并為抗撞性能不滿足的橋梁結構增設防撞緩沖設施[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力分析法2 種方式進行模擬。其中，等效靜力法是假定船舶將對橋梁墩臺撞擊作用的有效動能全部轉化為靜力功，并考慮經驗系數計算得出了船舶撞擊作用力值。這種簡化計算方式未將沖擊動力效應考慮在內，撞擊作用點一般假定位于計算通航水位線以上2 m 的橋墩寬度或長度的中點。

但工程實例表明，船舶的沖擊動力效應對橋梁結構影響不能被完全忽略，一些情況下會產生工程設計不可接受的誤差，因此有必要采用動力分析方法對船舶撞擊效應進行分析。《公路橋梁抗撞設計規范》中提出，橋梁主體結構船撞效應宜采用質點碰撞方法或強迫振動方法計算。質點碰撞方法[5]是將船舶撞擊作用假設為質點彈簧模型，考慮撞擊力與撞深參數關系，通過概率統計提取樣本值并進行二次拋物函數修正，最終確定撞擊力-撞深模型。強迫振動方法則是將船舶撞擊作用假設為強迫力模型，使用質量-彈簧體系模擬船橋碰撞作用，通過施加外部振動激勵，迫使橋梁主體結構參與受力。

2 工程案例

某橋跨越內河河道，設計安全等級為一級，最大跨徑為145 m，規劃航道等級為III 級，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，分別為P3、P4 墩。P3 墩承臺采用整體式矩形結構，順橋向寬度為15.0 m，承臺高4.5 m。承臺下設置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構，墩底部截面尺寸為8.0 m×2.6 m，承臺外輪廓尺寸為14.5 m×9.5 m×4 m，其下設置6 根直徑為2.5 m 的鉆孔灌注樁基礎，順橋向及橫橋向樁間中心距均為5 m。

2.1 船舶撞擊力

當與橋梁發生碰撞時，船舶撞擊力與船舶滿載排水量、船舶撞擊速度等相關。根據航道規劃等級，取1 000 t 級貨船驗算船舶滿載排水量。根據船舶在航道內的正常行駛速度、航道中心線至橋墩的距離及船舶長度確定船舶撞擊速度。

根據對已發生事故的調查，橋墩離航道中心線越遠，偏航船舶與橋墩相撞時的速度越小；當橋墩與航道中心線的距離足夠大時，船舶撞擊橋墩時的速度近似為船舶隨水流漂流的速度；當橋墩與航道中心線的距離較小時，船舶撞擊橋墩時的速度近似為船舶在航道中的正常行駛速度。本工程實例中，船舶撞擊速度為2.92 m/s。

采用動力計算模型對船舶撞擊作用進行分析，船舶撞擊力時程根據強迫振動方法確定。由此確定的船舶撞擊力時程曲線如圖1 所示。

圖1 船舶撞擊力時程

2.2 計算模型

采用有限元MIDAS/Civil 進行橋梁建模計算。模型考慮樁土作用[6]，使用節點彈性支承建立土彈簧以模擬樁土效應，土彈簧線剛度值采用“m 法”進行計算，鋼筋混凝土結構的阻尼比取5%。根據前文得到的時程曲線，在模型中采用直接積分法進行動力時程分析。整個船撞過程分為100 個時間步，逐步分析結構響應。建立的全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

2.3 抗撞性能驗算

在發生船舶撞擊時，橋梁下部結構一般發生破壞的位置在墩底及樁頂這2 個關鍵截面，其中墩底截面的破壞形式主要表現為剪切破壞，樁頂截面的破壞形式主要表現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算截面，對橋墩與樁基的抗剪強度、抗彎強度、彎曲變形性能及樁基礎整體穩定性分別進行驗算，綜合評估橋梁下部結構的抗撞性能。

橋梁的船撞重要性等級為C1 級，按兩水準船撞作用設計，船撞作用設防水準為L2 級，抗船撞設防目標為P1 級，構件抗船撞性能等級為JX1 級。

荷載組合取船舶撞擊的偶然組合設計值，考慮恒載、汽車荷載、流水壓力及船舶撞擊力作用，計沖擊效應，其中汽車荷載的分項系數為0.4，其余各類作用的分項系數取為1.0。以P3 墩為例，給出抗撞性能驗算過程。

2.3.1 抗剪強度驗算

根據數值模型計算結果及截面抗剪承載力計算結果，取最不利情況，墩底截面和樁頂截面在船舶撞擊時的橫橋向剪力偶然組合效應值和截面抗剪承載力效應值的對比結果如表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截面的抗力效應值，且安全系數均在10.0 以上，抗剪承載力滿足要求。

表1 截面剪力驗算結果

2.3.2 抗彎強度驗算

基于（無）約束混凝土及鋼筋的本構關系，并結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，計算得出墩底截面和樁頂截面的軸力-彎矩關系。

根據數值模型計算結果，取最不利情況，墩底截面和樁頂截面在船舶撞擊時的彎矩偶然組合設計值和軸力偶然組合效應值與軸力-彎矩曲線的對比結果如圖3 所示。可以看出，墩底截面和樁頂截面的軸力-彎矩偶然組合效應值在截面軸力-彎矩曲線范圍內，抗彎承載力滿足要求。

圖3 軸力-彎矩曲線

2.3.3 彎曲變形性能驗算

基于（無）約束混凝土及鋼筋的本構關系，并結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，計算得出墩底截面和樁頂截面的彎矩-轉角關系。采用理想彈塑性模型進行鋼筋混凝土構件的彎矩-轉角關系分析，假設構件的轉角限值等于其塑性鉸區等效屈服轉角，即構件截面的彎矩設計值不超過截面等效屈服彎矩時，截面將處于彈性工作狀態。基于該理想假定，對實際計算得出的彎矩-轉角曲線進行擬合。

根據數值模型計算結果，取最不利情況，墩底截面和樁頂截面在船舶撞擊時的彎矩偶然組合效應值與彎矩-轉角曲線的對比結果如圖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值均沒有超過截面等效屈服彎矩，彎曲變形性滿足要求。

2.3.4 樁基礎整體穩定性驗算

對于性能等級為JX1 的構件，要求它在船舶撞擊偶然組合作用下，承臺質心處的位移不得超過一根樁屈服對應的承臺質心處位移，即滿足樁基礎穩定性指標。

根據樁頂截面彎矩-轉角曲線可知，其驗算截面彎矩設計值未超過截面等效屈服彎矩。表明在船舶撞擊的偶然組合作用下，樁身未出現屈服指征，樁基礎整體穩定性滿足要求。

3 結束語

采用強迫振動方法的動力模型對船舶撞擊橋梁進行模擬，通過抗剪強度、抗彎強度、彎曲變形性能及樁基礎整體穩定性驗算，評估橋梁下部結構的防撞能力。計算結果顯示，在1 000 t 設防代表船型撞擊下，P3 橋墩及樁基的抗撞性能可以滿足要求。但從長遠規劃以及增加安全富余度考慮，建議適時對橋梁涉航橋墩增設柔性防撞設施，降低或消除船舶碰撞風險。