船舶撞擊力作用下橋墩安全性評(píng)價(jià)

1、船舶撞擊力作用下橋墩安全性評(píng)價(jià)【摘要】基于有限元方法對(duì)一船舶撞擊連續(xù)梁橋墩安全性進(jìn)行了計(jì)算分析， 分析了不同上部結(jié)構(gòu)約束、不同沖刷深度下橋墩的受力特性。結(jié)果表明上部結(jié)構(gòu) 的約束作用對(duì)承臺(tái)和樁體的受力變形特性有明顯改善，承臺(tái)周?chē)哟驳臎_刷深度 對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)受力變形特性影響明顯，沖刷深度的加大減弱了橋梁下部結(jié)構(gòu)承 受撞擊能力。關(guān)鍵詞：撞擊力；橋墩；安全性；有限元0引言跨河流、海灣（海峽）修建橋梁，是為了通達(dá)陸路交通。但對(duì)于水上船舶 來(lái)說(shuō)，橋梁卻是人工障礙物。一方面，橋梁成為一種水上的礙航物，給船舶的安 全航行增加了難度，尤其在洪水等惡劣自然條件下構(gòu)成威脅。另一方面，由于存 在著船撞橋的危險(xiǎn)，船也

2、對(duì)橋構(gòu)成了威脅。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，近幾十年來(lái)世界上發(fā) 生的船舶撞毀橋梁的事故已經(jīng)越來(lái)越多。近年來(lái)，隨著國(guó)家交通建設(shè)的發(fā)展，我 國(guó)跨越江、河、湖、海的大中橋、特大橋在逐年增多。這些大橋的修建，使得大 江南北的陸路交通條件得到了極人的改善，對(duì)我國(guó)南北縱向公路和鐵路干線的暢 通、區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等都起到了極大的促進(jìn)作用。與此同時(shí)船運(yùn)流量、船運(yùn)噸位 也在逐年增大，船和橋的才盾也不可避免地發(fā)生。橋梁墩、臺(tái)受船舶撞擊的事故 時(shí)常發(fā)生，對(duì)橋梁安全、交通順暢威脅很大。因此，船橋撞擊理論與撞擊后橋墩 各種性能的評(píng)價(jià)是具有廣泛意義的課題。131船舶撞擊力計(jì)算方法根據(jù)目前的研究成果，船撞力的計(jì)算方法共有十兒種，這里介紹其

3、屮比 較典型、乂比較實(shí)用的5種。（1）鐵路規(guī)范式中：動(dòng)能折減系數(shù)，正向撞擊取0.3；v船只撞擊墩臺(tái)速度；& #61537;船只與墩臺(tái)撞擊面的夾角； w_船只的重量（滿載排水量）;cl, cl船只的彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)坊工的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時(shí) 取 cl+c1 =0.0005o(2) 公路規(guī)范34式中：w滿載排水量加附加連水質(zhì)量，取系數(shù)1.1；v船只撞擊墩臺(tái)時(shí)的速度；t沖撞時(shí)間；g重力加速度9.8m/s2o(3) 美國(guó)aashto規(guī)范5一般地，對(duì)于通航橋孔的橋墩，船舶對(duì)橋墩的正面撞擊力，可按下式計(jì) 算，即式中：v船舶撞擊速度(m/s)；dwt船舶質(zhì)量(t)(4)

4、 挪威橋梁載荷規(guī)范挪威規(guī)范船撞力采用如下公式計(jì)算，即式中：dwt船舶質(zhì)量；v船舶航速。與美國(guó)規(guī)范基本相似。2案例分析圖1受撞擊橋墩某橋?yàn)槲蹇珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。主橋橋墩墩身和承臺(tái)都采用c50混 凝土，其屮墩身高為25.306m,承臺(tái)高為2.5m。主橋基礎(chǔ)為鉆孔樁，采用c30 混凝土，樁徑為1.8m,每墩布置3排，每排6根樁，樁長(zhǎng)為67mo本橋地處入 ?？冢Ｄ陜哟髧嵨淮粡臉蛳峦ㄟ^(guò)，在建成運(yùn)營(yíng)期間曾發(fā)生多起船舶撞擊事故。 某日凌晨，該橋主橋32#橋墩被一艘重約為looot的輪船正面撞擊，撞擊后情況 如圖1所示。3有限元仿真模擬分析采用有限元軟件對(duì)本船舶撞擊橋墩模型和橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，全橋

5、 有限元模型如圖2。圖2全橋有限元模型模型考慮了上部結(jié)構(gòu)和墩身及其基礎(chǔ)共同作用，11考慮上部結(jié)構(gòu)傳遞到 墩頂?shù)呢Q向集中力和汽車(chē)偏載最不利效應(yīng)。上部連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)對(duì)墩頂?shù)募s束作用 和橋側(cè)土體的橫向抗力用等效彈簧支承模擬。有限元模型如圖3所示。圖3承臺(tái)群樁基礎(chǔ)有限元計(jì)算模型圖4上部結(jié)構(gòu)及土側(cè)壓力彈簧模擬表3各國(guó)規(guī)范計(jì)算撞擊力規(guī)范鐵路規(guī)范公路規(guī)范 aashto規(guī)范挪威規(guī)范撞擊力（kn） 4861476943484779考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩及其基礎(chǔ)共同作用下的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4所 示，其屮k0為上部結(jié)構(gòu)的橫向剛度，由于橋梁支座在船只撞擊吋未發(fā)生滑移或 錯(cuò)位，按照上部多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)冇限元模型，算出墩頂處

6、連續(xù)梁的橫向剛度得 k0=1.2xl05kn/mo k1kn按基礎(chǔ)的實(shí)際沖刷線由m法計(jì)算得出，樁側(cè)土 m取 值見(jiàn)表1,模型參數(shù)如表2。樁身設(shè)計(jì)沖刷線以下深度為64.00 mo船舶撞擊力的 按照各國(guó)規(guī)范進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示，由表3可以看出，各國(guó)規(guī)范計(jì) 算的船舶撞擊力的大小差別并不是很明顯，因此木次計(jì)算采用我國(guó)公路規(guī)范進(jìn)行 橋梁安全性評(píng)價(jià)。4計(jì)算結(jié)果采用兩種有限元模型進(jìn)行計(jì)算，一種為考慮了上部結(jié)構(gòu)與承臺(tái)群樁基礎(chǔ) 共同作用，一種不考慮上部結(jié)構(gòu)與承臺(tái)群樁基礎(chǔ)共同作用，對(duì)兩種計(jì)算模型計(jì)算 的結(jié)果進(jìn)行比較。表1樁側(cè)土 m取值第一層第二層第三層第四層土質(zhì)淤泥粘土淤泥粘土細(xì)砂圓礫土深度(m)0121

7、236 3644 4464m 取值(kn/m4) 4x103 5x103 8x103 60x 103注：以最大沖刷線高程為0表2模型參數(shù)取值樁計(jì)算寬度(ni)上部集中力(kn)撞擊力(kn) 車(chē)道偏心距(m)上部結(jié)構(gòu)約束剛度(kn/m)參數(shù)取值 1.9340180.9 47693.651.2x105表4兩種上部約朿模型位移及應(yīng)力比較墩頂位移(mm)承臺(tái)位移(mm)樁頂位移(mm)樁體最大拉應(yīng)力(mpa)樁體最大壓應(yīng)力(mpa)無(wú)上部約束 4.384.324.281.374.64有上部約束3.203.903.881.204.36表4為兩種情況墩頂、承臺(tái)和樁頂?shù)奈灰萍皹渡碜畲罄瓑簯?yīng)力數(shù)值。由 表3

8、可知：樁頂位移和承臺(tái)位移數(shù)值相近；考慮上部結(jié)構(gòu)共同作用時(shí)，墩頂位 移比比承臺(tái)位移小，而不考慮上部結(jié)構(gòu)共同作用時(shí)，墩頂位移比承臺(tái)位移大；不 考慮上部約束時(shí)，墩頂、承臺(tái)和樁頂?shù)奈灰贫急瓤紤]上班約束時(shí)人；兩種模型樁 身最大拉應(yīng)力分別為1.37mpa和1.20mpa,實(shí)際拉應(yīng)力可能介于兩者z間，雖然 略小于設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.39mpa,但是應(yīng)力富余度不大；樁身最大壓應(yīng)力富余度較 大。7結(jié)語(yǔ)本文針對(duì)某橋受船舶撞擊力事故，采用冇限元數(shù)值模擬對(duì)本次船舶撞擊 橋墩安全性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，上部結(jié)構(gòu)的約束作用對(duì)承臺(tái)和樁體的受 力變形特性有明顯改善。不考慮上部結(jié)構(gòu)共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)是不利的，而實(shí)際情況 可能介于兩種模型之間。橋墩和樁身應(yīng)力滿足規(guī)范要求。參考文獻(xiàn)：1戴彤宇船撞橋及其風(fēng)險(xiǎn)分析d.哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.2劉建成，顧永寧.基于整船整橋模型的船橋碰撞數(shù)值仿真j.工程力 學(xué),2003, (10).3卩tg d60-2004