高榮雄，　李　敬，　唐奇文

(1.華中科技大學(xué)　a.土木工程與力學(xué)學(xué)院；b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北　武漢　430074；

2.深圳市公路交通工程試驗(yàn)檢測(cè)中心， 廣東　深圳　518049；

3.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南　長(zhǎng)沙　410000)

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船撞沖擊下高樁橋墩高危損傷區(qū)域分布

高榮雄1，李敬2，唐奇文3

(1.華中科技大學(xué)a.土木工程與力學(xué)學(xué)院；b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北武漢430074；

2.深圳市公路交通工程試驗(yàn)檢測(cè)中心， 廣東深圳518049；

3.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南長(zhǎng)沙410000)

摘要：航道橋梁的建設(shè)在一定程度上改變了船舶通航環(huán)境，船撞沖擊成為橋梁損傷倒塌的重要原因之一。高樁基礎(chǔ)具有基樁自由長(zhǎng)度長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比大和抗沖擊能力相對(duì)弱的特點(diǎn)，船撞沖擊更容易導(dǎo)致其損傷或倒塌。本文基于一內(nèi)河航道上常見(jiàn)的駁船和實(shí)橋橋墩模型，充分考慮土體對(duì)橋墩的約束作用和混凝土材料的彈塑性硬化特點(diǎn)，模擬駁船以一定速度撞擊橋墩全過(guò)程。藉此深入分析高樁橋墩船撞沖擊力的動(dòng)態(tài)特征、高應(yīng)力區(qū)域的分布和其應(yīng)力動(dòng)態(tài)時(shí)程，探討了高樁橋墩撞擊沖擊下的高危損傷區(qū)域分布。最后，基于一實(shí)橋船撞的損傷分布和病害特點(diǎn)，印證了高樁橋墩船撞易損區(qū)域分布結(jié)論。研究成果可為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的防撞設(shè)計(jì)、加固和開(kāi)展針對(duì)性檢測(cè)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高樁橋墩；船撞沖擊；損傷區(qū)域；撞擊力時(shí)程；應(yīng)力時(shí)程

盡管航道管理水平和技術(shù)在不斷提高，但是大量跨航道橋梁的建設(shè)一定程度上還是惡化了船舶通航環(huán)境，船撞風(fēng)險(xiǎn)與日俱增。作者所在的課題組根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)，對(duì)2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)91座橋梁發(fā)生倒塌的原因進(jìn)行歸類(lèi)分析，結(jié)果表明撞擊(船舶或車(chē)輛)是僅次于洪水災(zāi)害導(dǎo)致橋梁倒塌的重要因素。文獻(xiàn)[1]對(duì)1444～2008年期間有倒塌記錄的航道橋梁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，造成倒塌的原因第一位是洪水，第二位是船撞，第三位和第四位分別是設(shè)計(jì)和施工。文獻(xiàn)[2]對(duì)國(guó)內(nèi)外458起橋梁事故的評(píng)析，也得到同樣的結(jié)論。文獻(xiàn)[3]對(duì)美國(guó)過(guò)去503起平均橋齡52.5a的橋梁事故案例進(jìn)行研究，得出導(dǎo)致橋梁失效的主要因素依次是：洪水災(zāi)害52.88%，撞擊11.73%，超載8.75%，結(jié)構(gòu)及材料性能退化8.55%。

船撞不僅導(dǎo)致橋梁構(gòu)件和船舶損傷，還帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響，甚至造成橋毀人亡的嚴(yán)重后果。1980年美國(guó)Sunshine Skyway Bridge被船撞擊倒塌[4]，35人死亡；1983年，俄羅斯Volga River Railroad Bridge受輪船撞擊倒塌造成176人死亡，另一起相撞事故致使240人喪生[5]；2007年廣東佛山九江大橋被撞導(dǎo)致9人死亡。除了這些嚴(yán)重的橋梁撞擊事故外，處于通航河道中的橋梁，船撞橋事件時(shí)有發(fā)生，如武漢長(zhǎng)江大橋建成至今，受到船舶撞擊多達(dá)77次[6]，水中8個(gè)橋墩都被船舶撞擊過(guò)[7]。在世界范圍內(nèi)，平均每年都有橋梁因船舶撞擊而造成嚴(yán)重?fù)p壞甚至倒塌的事故發(fā)生[8]。

船撞沖擊導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷甚至倒塌，宏觀層面主要原因是橋墩抗力小于撞擊載荷，微觀分析是瞬態(tài)撞擊導(dǎo)致構(gòu)件材料內(nèi)部微裂紋發(fā)展、延伸和聚合，出現(xiàn)起裂、裂紋發(fā)展，直至斷裂破壞。大量文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明，更多的橋梁受到撞擊后并未因此倒塌，有些甚至多次重復(fù)受撞(如1993～1994兩年間黃石長(zhǎng)江大橋就被船舶撞擊多達(dá)19次[9])，這些橋梁雖未倒塌或出現(xiàn)宏觀裂縫，但已處于“帶病”工作狀態(tài)，內(nèi)部的損傷隱含著巨大風(fēng)險(xiǎn)。這種現(xiàn)象在高樁基礎(chǔ)中表現(xiàn)突出，一方面航道橋梁由于水深一般較深，大多采用高樁基礎(chǔ)[10]，因此其基樁自由長(zhǎng)度長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比大，基礎(chǔ)抵抗沖擊能力相對(duì)較弱，船撞沖擊過(guò)程中基樁往往產(chǎn)生較大形變而成為易損環(huán)節(jié)；另一方面，構(gòu)件的內(nèi)部損傷較難被發(fā)現(xiàn)，一旦船舶撞擊，僅依靠目測(cè)或大面積的檢測(cè)，不僅較難發(fā)現(xiàn)損傷區(qū)域，且工作效率低。由于船撞問(wèn)題的復(fù)雜性和研究歷程非常短暫，該領(lǐng)域的研究亟待深入、還需不斷的總結(jié)和解決與此相關(guān)的新問(wèn)題。綜合歸納現(xiàn)有研究主要集中在以下方面[11～20]：(1)船橋碰撞力學(xué)計(jì)算理論；(2)樁土動(dòng)態(tài)相互作用；(3)船撞作用的損傷評(píng)估；(4)實(shí)橋船撞分析等。

基于上述考慮，探索船撞沖擊下高樁橋墩的高危損傷區(qū)域分布情況，及其內(nèi)部效應(yīng)隨船撞進(jìn)程變化規(guī)律，根據(jù)實(shí)橋船撞后的損傷分布及其內(nèi)部超聲探傷結(jié)果驗(yàn)證理論分析的正確性，研究得出的成果有益于指導(dǎo)高樁橋墩船撞后水面上下構(gòu)件的高概率損傷位置判斷和開(kāi)展有針對(duì)性的檢測(cè)分析，也為橋墩防撞設(shè)計(jì)和撞擊加固提供指導(dǎo)。

1高樁橋墩船撞分析

1.1船撞橋墩模型

1.1.1橋墩模型

橋墩模型[21]采用漢江下游一連續(xù)梁橋橋墩，墩身截面為6.6 m×2.5 m的矩形實(shí)體截面；承臺(tái)長(zhǎng)、寬、高為7.6 m×7.6 m×3.0 m；基礎(chǔ)采用4根Φ1.8 m，樁長(zhǎng)40 m(樁基自由長(zhǎng)度10 m)的灌注樁。橋墩幾何及有限元模型如圖1。

圖1　高樁橋墩模型/cm

上部結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩的作用以質(zhì)量形式施加在橋頂上，并在墩頂設(shè)置邊界條件以模擬上部結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩的約束。墩身采用C40混凝土，承臺(tái)和基樁為C30混凝土，橋墩模擬時(shí)不考慮普通鋼筋的作用。應(yīng)用LS-DYNA進(jìn)行碰撞分析，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用HJC模型。該模型的狀態(tài)方程是分段式的(圖2)，三段線分別代表線彈性區(qū)、塑性過(guò)渡區(qū)和材料完全密實(shí)區(qū)(圖中的參數(shù)含義見(jiàn)ANSYS及LS-DYNA分析手冊(cè)，此處略)。

圖2　HJC模型的狀態(tài)方程

1.1.2土體模型

土體本構(gòu)關(guān)系采用修正Mohr-Coulomb模型，其屈服準(zhǔn)則如下：

(1)

式中：α為和修正前模型相比的修改相識(shí)度；P為壓力；φ為土體內(nèi)摩擦角；K(θ)2為偏平面上角度方程；J2為第二應(yīng)力不變量的平方根；c為土體黏聚力。

土體與基樁相互作用采用面面接觸單元處理。在土體半無(wú)限地基選取一個(gè)有限分析計(jì)算區(qū)域的處理原則是：確保應(yīng)力波穿過(guò)人工邊界時(shí)不會(huì)發(fā)生反射，以便能更好地反映半無(wú)限地基中樁周土的作用。無(wú)反射邊界(Non-Reflecting Boundary)的條件如下式：

(2)

式中：ρ為土體材料的密度；cs為壓縮波速；cd為剪切波速；vnormat為邊界法向質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度；vtan為邊界切向質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度；σnormat為沿著無(wú)反射邊界的法向應(yīng)力；σtan為沿著無(wú)反射邊界的切向應(yīng)力。

該橋墩局部沖刷線以下均為卵石，且為單層土，依據(jù)無(wú)反射邊界條件重復(fù)試算，選取樁周土體參與分析的尺寸如表1。

表1　樁周土體模型尺寸　m

1.1.3船舶模型

船舶種類(lèi)繁多，不同的船舶類(lèi)型，船艏形狀和剛度千差萬(wàn)別，研究無(wú)法涵蓋不同種類(lèi)的船舶。以內(nèi)河航道上常見(jiàn)的駁船作為碰撞體，其參數(shù)見(jiàn)表2及圖3。

表2　駁船主尺度

圖3　標(biāo)準(zhǔn)底卸式駁船

駁船材料采用Cowper-Symonds雙線性彈塑性本構(gòu)模型，具體如下式：

(3)

綜合上述分析，并根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征選用了一系列單元，其中矩形墩、承臺(tái)、樁基、樁周土體采用SOLID164單元，駁船采用SHELL163單元，船橋碰撞有限元模型如圖4所示。

圖4　船橋碰撞模型

1.2船撞力及其效應(yīng)

1.2.1撞擊力時(shí)程

基于上述船撞模型，駁船裝載半倉(cāng)時(shí)(總重1050.0 t)以3 m/s的航速正面撞擊墩身(撞擊點(diǎn)距離承臺(tái)頂面5 m)，其撞擊力時(shí)程見(jiàn)圖5。在整個(gè)碰撞過(guò)程中，撞擊力產(chǎn)生了兩個(gè)峰值，第1個(gè)峰值在0.054 s產(chǎn)生，其峰值為14.30 MN；而第2個(gè)撞擊在0.432 s時(shí)達(dá)到，該次峰值為6.32 MN，整個(gè)撞擊過(guò)程持續(xù)約1.5 s。呈齒狀的撞擊歷程表明：該過(guò)程中船和橋墩出現(xiàn)震蕩，駁船和(或)被撞構(gòu)件出現(xiàn)了損傷，甚至失效破壞導(dǎo)致撞擊過(guò)程中局部剛度瞬間降低，出現(xiàn)撞擊力衰減，而后恢復(fù)進(jìn)而再次進(jìn)入衰減階段。

圖5　船橋碰撞撞擊力時(shí)程曲線

由上述分析可知，在碰撞過(guò)程中，撞擊力極值達(dá)到14.30 MN。而該橋防撞設(shè)計(jì)，若按現(xiàn)行規(guī)范，即使偏安全地按內(nèi)河二級(jí)航道考慮，其橫橋向設(shè)計(jì)撞擊力僅為1.1 MN[22]，實(shí)際撞擊力可能大大超出設(shè)計(jì)預(yù)期，且設(shè)計(jì)撞擊力以靜力方式作用于橋墩上，不能正確反映實(shí)際撞擊情況，撞擊發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷甚至開(kāi)裂破壞并未在設(shè)計(jì)階段得到考慮。

1.2.2應(yīng)力時(shí)程

圖6為船撞過(guò)程中各時(shí)刻高樁橋墩的應(yīng)力變化歷程。從圖中清晰可見(jiàn)，從撞擊開(kāi)始到結(jié)束的整個(gè)1.5 s時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，高樁橋墩的應(yīng)力峰值首先出現(xiàn)在撞擊區(qū)域，而后向下延伸，依次出現(xiàn)在墩底、樁頂和樁身自由段，最后在基樁自由段產(chǎn)生高應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域，之后應(yīng)力逐漸衰減，高樁橋墩內(nèi)部應(yīng)力波峰呈現(xiàn)從墩身到基礎(chǔ)逐漸擴(kuò)散的過(guò)程。整個(gè)應(yīng)力傳遞過(guò)程中，分別在船舶直接撞擊區(qū)、墩底與承臺(tái)連接處、樁頂與承臺(tái)連接處和樁身自由區(qū)段依次產(chǎn)生應(yīng)力峰值，這些部位的主拉應(yīng)力峰值分別達(dá)到：20.93、3.46、10.34和16.73 MPa。撞擊出現(xiàn)的各高應(yīng)力區(qū)，是高樁橋墩船撞極易損傷開(kāi)裂之處，其應(yīng)變波動(dòng)過(guò)程表現(xiàn)如下特征：

圖6　典型時(shí)刻高樁橋墩等效應(yīng)力云圖/Pa

(1)船舶直接撞擊區(qū)：應(yīng)力集中非常顯著，局部混凝土應(yīng)力在瞬間達(dá)到峰值，且很快衰減，而后應(yīng)力變化幅度較小。受撞擊部位的高應(yīng)力主要是由于船艏撞擊到墩身時(shí)，局部混凝土應(yīng)力迅速超越材料彈性階段而進(jìn)入彈塑性及塑性階段，混凝土內(nèi)部孔隙受到擠壓，進(jìn)而產(chǎn)生微裂縫甚至出現(xiàn)宏觀裂縫，應(yīng)變能得以釋放導(dǎo)致應(yīng)力快速下降。由于強(qiáng)沖擊直接作用下，該區(qū)域材料內(nèi)部微裂紋發(fā)展、延伸和聚合，經(jīng)歷快速的彈性到塑性變換，因此，其損傷特征表現(xiàn)出局部混凝土材料壓碎、裂縫寬和裂縫密布的特點(diǎn)。其典型應(yīng)力如圖7。

圖7　船舶直接撞擊區(qū)應(yīng)力

(2)墩底與承臺(tái)連接處：雖然這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)可能超出混凝土抗拉強(qiáng)度的高應(yīng)力(圖8)，但是與船舶直接撞擊區(qū)應(yīng)力分布不同的是，一方面其應(yīng)力集中程度顯著降低，高低應(yīng)力過(guò)渡較平緩，應(yīng)力峰值也明顯減??；另一方面該部位的應(yīng)力主要是由于受沖擊下高樁橋墩整體彎曲所致。應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間滯后于直接撞擊區(qū)，并且在應(yīng)力衰減過(guò)程中，出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，這與撞擊力時(shí)程相吻合，但與撞擊力峰值不同步。從應(yīng)力分布可知，該區(qū)域的損傷特征主要表現(xiàn)為長(zhǎng)裂縫，若撞擊激烈，甚至出現(xiàn)墩身從承臺(tái)頂面拔出的撕裂裂縫。裂縫主要分布于橋墩迎撞面對(duì)應(yīng)的墩底段。

圖8　墩底與承臺(tái)連接處應(yīng)力

(3)樁頂與承臺(tái)連接處：由于基樁和承臺(tái)剛度差異較大，沖擊作用下橋墩整體彎曲導(dǎo)致樁頂與承臺(tái)連接處產(chǎn)生較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中(圖9)。應(yīng)力極值晚于前面兩個(gè)高危損傷區(qū)，但是高應(yīng)力持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，這主要是由于撞擊力時(shí)程的不同峰值在此產(chǎn)生的效應(yīng)發(fā)生疊加，大大提高了樁頂連接處起裂破壞的風(fēng)險(xiǎn)。樁頂環(huán)向裂縫、連接處局部混凝土脫落是其主要病害特征。

(4)樁身自由區(qū)段：圖10為撞擊作用下基樁第一主應(yīng)力峰值情況，該圖表明：在碰撞發(fā)生后的0.972 s，基樁主應(yīng)力達(dá)到峰值16.73 MPa，應(yīng)力峰值大于樁頂連接處，這表明高樁基礎(chǔ)的整體彎曲導(dǎo)致基樁自由段產(chǎn)生顯著效應(yīng)，是水下基礎(chǔ)船撞沖擊易損區(qū)段。樁頂往下15.732 m范圍內(nèi)的應(yīng)力值達(dá)到2.278～16.73 MPa，均大于樁身C30混凝土抗拉極限值，是基樁損傷開(kāi)裂的敏感區(qū)域。

圖9　樁頂與承臺(tái)連接處應(yīng)力

圖10　樁基混凝土主應(yīng)力峰值時(shí)刻云圖/Pa

2實(shí)橋船撞損傷分布及特征

2.1損傷分布及其特征

碰撞發(fā)生之后，對(duì)各墩進(jìn)行了詳細(xì)外觀檢查，并采用聲波透射法對(duì)承臺(tái)內(nèi)部、基樁側(cè)面鋼護(hù)筒開(kāi)口驗(yàn)證；采用低應(yīng)變反射波法對(duì)處于承臺(tái)底面之下水深近18 m的基樁進(jìn)行檢測(cè)，收集了病害分布及其程度。撞擊現(xiàn)場(chǎng)損傷分布情況及受害程度與高樁橋墩船撞分析高度吻合。橋墩詳細(xì)損傷情況如下：

墩身：各墩為鋼管立柱，每個(gè)橋墩共8根鋼管，4號(hào)墩8根鋼管被直接撞斷，斷口呈現(xiàn)撕裂性破壞，有沿鋼管焊縫斷開(kāi)的，也有完整鋼板被撕開(kāi)。其余橋墩鋼管被撞區(qū)域局部凹陷，其它部位較完整，但沒(méi)有開(kāi)裂發(fā)生。具體如圖11。

墩身與承臺(tái)連接處：如圖12所示，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該部位受損較為嚴(yán)重，3～5號(hào)橋墩均存在程度不同的病害。4號(hào)橋墩該處上游口裂縫寬度達(dá)到10 mm以上，且裂縫數(shù)量非常多，鋼筋暴露，裂縫深度達(dá)2 m深之多(承臺(tái)側(cè)面反射出)，造成局部混凝土完全斷裂失效。3號(hào)及5號(hào)墩身與承臺(tái)連接處存在大量微裂縫，縫寬從0.05～0.1 mm不等，縫長(zhǎng)約為50 cm左右，承臺(tái)側(cè)面反映裂縫向下最深約35 cm，且墩柱與承臺(tái)連接部出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，表明連接部分存在較大的孔隙滲漏或輕微松動(dòng)。除了4號(hào)橋墩承臺(tái)內(nèi)部受損嚴(yán)重外，其余橋墩承臺(tái)內(nèi)部采用聲波透射法檢測(cè)完好。

圖11　墩身?yè)p傷

樁頂與承臺(tái)連接處：3～5號(hào)橋墩撞擊造成基樁與承臺(tái)連接處混凝土局部掉落和連接松動(dòng)(圖13)，樁頂圓周上游(迎撞面)側(cè)表現(xiàn)顯著，其余岸邊橋墩未見(jiàn)明顯損傷。說(shuō)明基樁自由長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越容易造成該處損傷，是高樁基礎(chǔ)船撞敏感損傷區(qū)。

圖12　墩身與承臺(tái)連接處損傷

圖13　樁頂與承臺(tái)連接處受損

圖14　基樁低應(yīng)變反射波及損傷

樁身自由區(qū)段：由于水深達(dá)到18 m，基樁自由段很長(zhǎng)，且基樁外表鋼護(hù)筒并未拆除，內(nèi)部的損傷肉眼無(wú)法看到，需要檢測(cè)的范圍很大，若茫無(wú)目標(biāo)檢測(cè)，不僅效果差，水下作業(yè)困難，而且可能漏過(guò)損傷區(qū)域。因此，在碰撞分析的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼護(hù)筒局部區(qū)域開(kāi)口驗(yàn)證，同時(shí)采用低應(yīng)變反射波法對(duì)基樁進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)(圖14)和仿真分析結(jié)果均表明：樁頂之下5 m范圍損傷較大，并在樁頂之下1.2 m處樁身混凝土存在微小裂縫。

2.2碰撞分析

應(yīng)用LS-DYNA進(jìn)行碰撞分析，碰撞歷程總計(jì)1356 ms，應(yīng)力波從上往下傳遞的過(guò)程中，同樣在上述4個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力峰值(圖15)，印證了損傷分布特點(diǎn)。

由圖15可見(jiàn)，墩柱鋼管撕裂區(qū)最大剪應(yīng)力達(dá)到230.8 MPa，超過(guò)Q345容許剪應(yīng)力145 MPa；墩柱與承臺(tái)連接處主拉應(yīng)力達(dá)到18.02 MPa；樁頂與承臺(tái)連接處主拉應(yīng)力為18.88 MPa；基樁自由段較大范圍出現(xiàn)主拉應(yīng)力超標(biāo)，樁頂段5 m多長(zhǎng)度內(nèi)尤其明顯。上述區(qū)域應(yīng)力集中且嚴(yán)重超標(biāo)，數(shù)值仿真與實(shí)際情況吻合的相當(dāng)好。

圖15　撞擊過(guò)程中某時(shí)刻應(yīng)力分布/MPa

3結(jié)論

(1)現(xiàn)行規(guī)范船撞橋墩作用以靜力形式施加于結(jié)構(gòu)上，雖然簡(jiǎn)單明了，但無(wú)法很好模擬船撞橋墩的瞬態(tài)沖擊過(guò)程。且實(shí)際撞擊力峰值要顯著大于設(shè)計(jì)撞擊力，橋墩防撞設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)考慮兩者差異，在無(wú)法模擬船撞瞬態(tài)碰撞仿真分析時(shí)，應(yīng)考慮留足安全儲(chǔ)備，避免船撞橋塌事故重演；

(2)橋墩船撞沖擊以波動(dòng)形式向基礎(chǔ)傳遞，各構(gòu)件應(yīng)力峰值出現(xiàn)具有時(shí)間差。在應(yīng)力波的傳播過(guò)程中，由于能量的耗時(shí)和轉(zhuǎn)化，高樁基樁入土部分沖擊效應(yīng)較弱；

(3)船舶直接撞擊區(qū)、墩底與承臺(tái)連接處、樁頂與承臺(tái)連接處和樁身自由區(qū)段是高樁橋墩船撞沖擊的四個(gè)高危損傷區(qū)域。實(shí)橋船撞案例所收集到的病害分布和特征驗(yàn)證了高樁橋墩撞擊分析結(jié)論的可靠性。

(4)高樁橋墩撞擊高應(yīng)力易損區(qū)是撞擊后檢測(cè)的重點(diǎn)部位，其損傷分布特征可為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的事先防撞設(shè)計(jì)和事后加固提供指導(dǎo)。

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Investigation on Distribution of High Risk Damaged Areas

of High Pile Bridge Pier Under Vessel Collision Impact

GAORong-xiong1,LIJing2,TANGQi-wen3

(1.a.School of Civil Engineering and Mechanics; b.Hubei Key Laboratory of Control Structure,

Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;

2. Shenzhen Traffic Construction Engineering Test and Detection Center, Shenzhen 518049, China;

3. Power China Zhongnan Engineering Co Ltd, Changsha 410000, China)

Abstract:At some degree, bridge constructions spanning shipping channel have changed navigational conditions for vessels. Hence, vessel collision has been one of the major causes of bridge damage or collapse. Owing to these features of high pile foundation as followings: longer free length, lager length to diameter ratio and weaker anti-impact capacity, vessel impact can easily leads high pile bridge pier to damage or collapse. Based on an inland waterway channel barge and a real bridge pier model, considering the fully constraint effect of soil to pile and elastic-plastic hardening of concrete, the whole process of barge colliding bridge pier was simulated. Thereby, dynamic features of collision force, distribution of stress concentration areas and stress dynamic time-history were deeply analyzed, and distribution of high risk damaged regions under vessel collision impact was also investigated. Lastly, on the basic of distribution of damaged areas and characters of defects about a real vessel collision with bridge pier, this conclusion about distribution of damaged areas of high pile bridge pier was confirmed. These above research results may guide anti-collision design, strengthening and specific detection for similar structures.

Key words：high pile bridge pier; vessel collision impact; damaged area; collision force time-history; stress time-history

中圖分類(lèi)號(hào)：U447; U441+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0985(2016)01-0024-08

作者簡(jiǎn)介：高榮雄(1969-)，男，福建福安人，博士，副教授，研究方向?yàn)闃蛄捍病p傷與加固(Email: bridge115@hust.edu.cn)

收稿日期：2015-09-19修回日期： 2015-10-29