雙肢薄壁墩連續剛構橋抗撞性能研究

岑貞志

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

連續剛構橋具有結構簡單、跨越能力大、施工便利和經濟性好的優點,在大跨橋梁建設中應用廣泛。而大跨橋梁橋下往往為通航河道,隨著我國河道通航等級的逐步提升和船舶噸位快速增大,船舶與橋梁碰撞風險不可忽視。連續剛構橋橋墩一般為雙肢薄壁墩,具有縱向剛度較小、適應主橋伸縮變形的優點,但薄壁墩體型較小,在抗船撞方面可能存在不足。為了解決這個問題,本文以實際工程為背景,對連續剛構橋雙肢薄壁墩的抗撞性能進行深入的研究。

1 橋梁概況

崇左市麗江大橋位于崇左城區左江大道,跨越左江,連接城西片區與麗江新區。主橋為預應力混凝土連續剛構橋,主橋橋跨布置為(84+160+84)=328 m,全橋長521 m。主橋下部結構中主墩為雙肢薄壁墩,過渡墩為墻式墩。大橋總體布局示意圖見圖1。

圖1 麗江大橋總體布局示意圖

麗江大橋建設標準:設計時速50 km;設計汽車荷載:城-A級;設計洪水頻率:1/300;通航等級:Ⅲ級,通航凈空114 m×10 m(凈寬×凈高),單孔雙向通航。

2 通航船舶與船橋碰撞參數

2.1 代表船型

左江為郁江的一級支流,自龍州縣城到左右江匯合口,天然水位落差為42.6 m,河道平均比降為0.152‰,窄段河道寬度一般在100～150 m,寬段河道寬度一般在250～300 m,枯水期河道水深一般在3.0 m左右。根據《珠江流域綜合規劃(2012—2030年)》,左江(龍州至宋村三江河口)為1 000噸級航道,預測到港貨運船型將以500～1 000噸級船舶為主,旅游船舶以20～150 t客位為主。

貨船噸位重,只考慮貨船進行船橋沖撞分析。航道貨船雖以500～1 000噸級船舶為主,但也有1 000噸級以上船型,因此船橋碰撞分析代表船型選擇2 000噸級貨船,代表船型的尺度見表1。

表1 代表船型尺度表

2.2 船舶撞擊速度

船舶撞擊速度以航道中心線為基準,沿航道中心線以撞擊速度與橋墩與航道中心線距離滿足圖2的關系進行偏航,采用船舶可達性分析方法,確定各橋墩處船舶撞擊速度。

圖2 設計船舶撞擊速度計算曲線圖

圖中:V——設計船舶撞擊速度(m/s);

VT——船只正常行駛的速度(m/s);

Vmin——可根據所在水域多年平均流速確定船舶的最小設計撞擊速度(m/s);

X——橋墩中心線到航道中心線的路程(m);

XC——通道中心線到通道邊緣的路程(m);

XL——距離航道中線3倍于船長的距離(m)。

在確定撞擊力的關鍵要素中,根據船舶失控情況,其下限值V取水流速度,上限值V取正常船舶航速(含水流速度),需要根據通航船舶在橋址的航速調查和氣象水文調查來確定。其中,流速包括洪水期高水位、枯水期低水位、高航行水位等多種情況。值得注意的是,撞擊速度沿航道中心線向兩側遞減,3倍船長以外的可通航水域仍然有撞擊速度,意味著仍然有撞擊力。

表2列出了按照上述方法計算麗江大橋航道邊橋墩撞擊速度的結果。

表2 船舶撞擊速度計算結果表

2.3 船舶撞擊力

船橋碰撞過程雖持續時間短,但集合了材料非線性、幾何非線性及邊界非線性,各種作用相互耦合,結構響應難以完全模擬。通過學術界的多年研究,已經總結出了一套相對簡單和容易實現的仿真計算方法,收錄在《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T 3360-02-2020)[1],規范規定了應當結合設防代表船型、撞擊速度、被撞體厚度、船艏高度等因素來綜合考慮輪船的設防船撞力,并給出了計算公式,麗江大橋主墩4#、5#墩船舶橫橋向和順橋向的撞擊力結果如表3所示。

表3 船舶撞擊力計算結果表

3 橋梁撞后分析

3.1 計算模型

采用三維有限元軟件Midas Civil對全橋結構進行結構建模分析,并著重進行了船橋碰撞分析,以檢驗墩柱結構的抗撞安全性。全橋共建184個單元、199個節點。有限元模型見圖3。

圖3 麗江大橋主橋結構有限元仿真模型圖

3.2 撞機分析工況

橋梁抗撞性能分析計算需進行不同的荷載組合,按照“永久作用+可變作用+一種偶然作用”的形式計算橋墩的撞擊響應,利用動力時程分析方法分析橋墩受船舶撞擊的響應,得到關鍵部位的內力及變形情況,采用最不利工況計算結果進行防撞性能驗算。結合該項目橋梁結構特點及現有相關研究成果,確定高水位情況下船舶撞擊為該項目的最不利碰撞工況,具體撞擊計算工況如圖4～5所示。

圖4 船舶正撞的計算工況模型圖

圖5 船舶側撞的計算工況模型圖

由于結構具有對稱性,因此正撞和側撞均僅考慮4#墩受撞的工況。

3.3 撞擊時程函數

船橋碰撞問題屬于動力問題,直接計算難度大、耗時長,因此常用等效靜力法模擬,即將動力問題等效為靜力問題求解,但等效靜力方法忽略了沖擊動力效應,已有的研究表明,該方法有時會產生工程設計不可接受的誤差。為了改進誤差,本次將采用強制振動法對橋梁主體結構的船撞效應進行分析和計算。強制振動法起源于動力學的理論,目前已發展成熟,其計算結果較為可靠。

強制振動法的船橋碰撞過程可根據下列公式模擬:

(1)

(2)

式(1)(2)中,0<τ<1。

(3)

經計算,船舶撞擊力的時程荷載曲線如圖6所示,可導入有限元分析模型。

圖6 橋墩受撞力的時程荷載曲線圖

3.4 撞擊響應

通過理論分析和建模計算,得到橋墩的結構響應,計算工況分為正撞工況和側撞工況,分別列出兩個工況的內力圖,如圖7和圖8所示。

(a)軸力

(a)軸力

4 抗撞性能評估

4.1 墩身抗彎性能評估

麗江大橋抗船撞設防目標為P1級,即結構構件的安全性能完全保持,局部允許損傷,可以進行耐久性的補修。

根據這個要求,結構可以部分進入塑性,但不應全截面進入塑性,換言之,要求構件在船撞作用下的截面彎矩應小于等效屈服彎矩。

通過彎矩-曲率計算的纖維模型,將鋼筋看作彈塑性豎向纖維,混凝土分為保護層混凝土和鋼筋內部的核心混凝土,采用不同的本構關系曲線,分別劃分為小網格,也將其等效為豎向纖維,于是可以計算出橋墩構件的M-φ曲線。4#墩截面纖維模型和M-φ曲線如下頁圖9～10所示。

圖9 4#墩截面纖維模型圖

(a)橫橋向

計算得到的4#墩截面等效屈服彎矩My與船舶撞擊計算彎矩M的對比結果如表4所示。

表4 橋墩抗彎計算結果對比表

通過驗算,船舶橫橋向撞擊所產生墩底彎矩小于等效屈服彎矩,4#墩墩身滿足抗彎性能要求。

4.2 墩身抗剪性能評估

墩身抗剪性能評價可根據《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T3360-02-2020)的規定計算,計算公式復雜,篇幅較長,本文不詳細列舉,可翻閱規范查看。

根據該橋的實際情況,4#墩的墩身抗剪計算參數按照表5取值。4#墩墩身抗剪承載能力設計值通過復雜計算如表6所示。

表5 橋墩截面抗剪承載力計算參數取值表

表6 橋墩截面抗剪承載能力驗算結果表

通過計算,4#橋墩墩身最不利截面在橫橋向、順橋向船舶撞擊力作用下所承受剪力小于橋墩自身抗剪承載力設計值,順橋向船舶撞擊力作用下所承受剪力均小于橋墩自身抗剪承載力設計值。4#橋墩抗剪性能滿足要求[2-3]。

5 結語

本文以麗江大橋為背景進行了橋梁抗撞性能研究,根據計算分析,該橋在通航代表船型2 000噸級船隊碰撞速度3.4 m/s條件下,船隊若意外撞擊墩柱,橋梁結構或構件承載能力能滿足規范要求,并且通過荷載的設計值和構件承載能力值相比較,該橋承載能力仍具有一定的富余,這說明雙肢薄壁墩連續剛構橋具有較好的抗撞效果,該橋型一般不會因為船舶的撞擊而受到較大的損害。但為確保橋墩結構及船舶安全,建議設置簡易的防撞設施。

連續剛構橋具有較好的抗撞性能,分析原因,主要可以歸納為以下三個方面:

(1)連續剛構橋雙肢薄壁墩配筋富余,截面強度和截面韌性較好。該橋橋墩為單肢截面尺寸為6 m×1.8 m的雙肢薄壁墩,但鋼筋配筋率達到3.8%,配筋充足,計算截面彎矩-曲率后發現,截面強度高,并且韌性好,可以有效傳遞荷載和分散荷載,因此抗撞承載能力好。

(2)連續剛構橋自重較大,可以有效提供橋墩預壓力。混凝土連續剛構橋由于上構較為龐大,梁高最高達到了10 m,因此給橋墩提供了良好的預壓力。而且,由于雙肢薄壁截面較小,預壓力產生的壓應力較大,這種壓應力恰好克服了混凝土抗拉能力弱的缺點,使得橋墩結構抗撞性能力好。

(3)連續剛構橋橋梁跨徑較大,橋墩結構雖為薄壁墩,但大跨橋梁相比中小跨徑橋梁,橋墩結構仍然偏大,因此大跨徑橋梁普遍具有良好的抗撞效果。

本文針對連續剛構橋雙肢薄壁墩抗撞性能進行了研究,發現其具有較好的抗撞性能,同時分析了良好抗撞性能的形成原因。研究成果對同類型橋梁的防撞設計起到指導作用,同時也為設置防撞設施提供了借鑒。鑒于目前船橋碰撞研究還較為缺乏,詳細的動力學實體模型研究和工程試驗將是下一階段的研究重點。