李建，王善春，夏偉

（安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引 述

目前,橋墩船撞局部應(yīng)力分析通常都是建立船舶與橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行碰撞接觸計(jì)算，但這種方法耗時(shí)耗力，不便于工程界廣泛使用。如按簡(jiǎn)化靜力分析，則需確定橋墩船撞過(guò)程中的船撞力與船墩接觸面積。目前,多國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中已確定船撞力的靜力計(jì)算方法，但均未提及船墩接觸面積的計(jì)算。本文以蕪湖長(zhǎng)江公路二橋的橋墩船撞局部應(yīng)力分析為例，淺談船墩接觸面積的確定方法。

1 橋梁概況（見(jiàn)圖1）

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋及接線是安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“ 四縱八橫”中“ 縱二”的一段，是連接安徽省長(zhǎng)江兩岸的又一條快速通道,主橋采用100m+308m+806m+308m+100m 五跨鋼箱梁斜拉橋，基礎(chǔ)采用直徑3m 鋼筋混凝土群樁基礎(chǔ)；主橋南、北近端引橋?yàn)榭鐝?5m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，基礎(chǔ)采用直徑2m 鋼筋混凝土群樁基礎(chǔ)。

2 橋墩船撞可能性

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋位處長(zhǎng)江黃金水道，航運(yùn)較繁忙。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008 年1～12 月份通過(guò)銅陵大橋斷面船舶平均日流量為1381 艘次，通過(guò)蕪湖大橋斷面船舶平均日流量為1611 艘次；2011 年1～12 月份通過(guò)銅陵大橋斷面船舶平均日流量為986 艘次，通過(guò)蕪湖大橋斷面船舶平均日流量為1540 艘次。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料和統(tǒng)計(jì)分析可以看出，擬建橋梁所在河段船舶類型主要包括：客船、普通貨船、集裝箱船、危險(xiǎn)品船、船隊(duì)和其他船舶。其中普通貨船最多，占總流量的90%以上。

根據(jù)“《蕪湖長(zhǎng)江公路二橋船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告》”，經(jīng)船舶可達(dá)性分析、通航橋孔可能的船舶撞擊部位分析，得出江邊小堤和繁昌大堤內(nèi)部的各墩的可能船舶撞擊部位，見(jiàn)表1（表中斜線表示不能到該墩）。

橋墩可能船撞部位一覽表 表1

3 橋墩設(shè)防船撞力

根據(jù)《蕪湖長(zhǎng)江公路二橋初步設(shè)計(jì)》，主橋各橋墩設(shè)防船撞力見(jiàn)表2。

橋墩設(shè)防船撞力一覽表 表2

南主塔船墩接觸范圍及荷載一覽表 表3

4 橋墩船撞局部應(yīng)力分析

考慮到各種墩型結(jié)構(gòu)的相似性，僅以南主塔為例闡述局部應(yīng)力分析過(guò)程。

4.1 船墩接觸范圍及荷載

“蕪湖長(zhǎng)江公路二橋船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告”在南主塔未配布防撞設(shè)施工況下，考慮萬(wàn)噸海輪以3.59m/s 速度正撞塔身，利用LS-DYNA 進(jìn)行了碰撞過(guò)程的數(shù)值模擬。船墩碰撞全程歷時(shí)2.25s，碰撞力最大值出現(xiàn)在1.07s，船舶撞擊力時(shí)程見(jiàn)圖2。

從撞擊力時(shí)程可以看出，在0s～1.07s 間船撞力近似線性上升； 在1.07s～2.0s 間船撞力緩速衰減， 保持較大撞擊力；在2.0s～2.25s 間船撞力急速減小?？紤]到船舶與橋墩間為接觸傳力，只能傳遞壓力而不能傳遞拉力的特性，結(jié)合撞擊力時(shí)程定性分析如下：船墩從0s 時(shí)開(kāi)始接觸，因橋墩剛度大于船舶，故船墩接觸主要呈船舶以彈塑性變形貼合橋墩，可認(rèn)為船舶變形在較大撞擊力末期(即2.0s 時(shí))達(dá)到最大，此時(shí)船速近似衰減為0，此后船舶開(kāi)始進(jìn)行彈性變形的恢復(fù)直至脫離橋墩，在0s～2.25s 的全程，船舶始終受橋墩撞擊反力的作用而減速；在2.25s時(shí)船舶反彈脫離橋墩，此時(shí)船速應(yīng)為負(fù)值，即已改變方向，但船速較小，船舶保留塑性變形。

根據(jù)上述分析可近似認(rèn)為， 船舶以初始速度3.59m/s 經(jīng)歷0s～1.07s 間的線加速度減速及1.07s～2.0s 間的勻加速度減速后速度為0。取最大加速 度 為a， 加 速 度 方 程 為ab(t)，v 為 初 始 速 度3.59m/s，速度方程為vb(t)，船舶撞深方程為L(zhǎng)(t)。

聯(lián)列求解可得，2s 時(shí)L 為4.434m，進(jìn)一步可求得0.25s、0.5s、0.75s、1.07s時(shí)的船舶撞深分別為0.892m、1.747m、2.532m、3.374m。

以長(zhǎng)江內(nèi)常規(guī)萬(wàn)噸級(jí)貨船的尺度、形狀進(jìn)行橋墩船撞局部應(yīng)力分析,見(jiàn)圖6。

根據(jù)船舶撞深和對(duì)應(yīng)的船舶型線圖上可得船墩接觸面積。

以面積相等、撞高相等將船墩接觸面積換算為矩形。

4.2 有限元分析

利用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件ANSYS 建立實(shí)體有限元模型，承臺(tái)底部采用固定約束，單元模型選取8 節(jié)點(diǎn)SOLID65 實(shí)體單元。模型的坐標(biāo)系為：X 向?yàn)闄M橋向，Y 向?yàn)轫槝蛳颍琙 向?yàn)樨Q直方向，共剖分單元數(shù)26678，節(jié)點(diǎn)數(shù)31132。0.25s 撞擊產(chǎn)生橫橋向位移及撞擊產(chǎn)生主拉、壓應(yīng)力如圖8～11 所示，其余時(shí)間節(jié)點(diǎn)不再敷述。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)船舶撞擊時(shí)程進(jìn)行分析，認(rèn)為在已知撞擊力時(shí)程的條件下可通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化求得船舶的撞深- 時(shí)間函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合船舶型線圖得出任一時(shí)間點(diǎn)的船墩接觸面積。

考慮到目前歐洲統(tǒng)一規(guī)范已提出船舶沖擊的荷載- 時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，若能對(duì)各種不同噸位不同船型的船舶型線進(jìn)行歸納，利用本文的方法可非常方便的求得船墩接觸面積，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]The standard research report of ship collision force against Wuhan Yangtz River Highway Bridge.

[2]JTGD60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]GB50139—2004,內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

[4]AASHTO.Guide specification and commentary for vessel collision design of highwabridges(Second Edition)[S].Washington D.C.:American Association of State Highway and Transportation Officials,2009.

[5]陳國(guó)虞,王禮立.船撞橋及其防御[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

[6]王君杰，王福敏，趙君黎，等.橋梁船撞研究與工程應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2011.