孫 莉

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

船撞偶然荷載作用下連續(xù)梁橋的分析方法探討

孫 莉

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

在評估船撞偶然荷載作用下連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時，不同于連續(xù)剛構(gòu)橋的分析，一般取單個橋墩作為分析對象，船舶撞擊力作用于橋墩上，并不考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)將船撞力傳遞至相鄰墩的貢獻。實際上基于橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接強度以及可能被撞橋墩的相對剛度，可將橋梁上部結(jié)構(gòu)納入船撞力的傳遞路徑中。該文基于一連續(xù)梁橋工程實例，針對船撞荷載工況，分別用單墩模型和橋梁整體模型進行了分析，通過對比研究認為，當連續(xù)梁橋有船撞風險時，可以采用橋梁整體分析的方法，考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)對船撞力的分配，并且橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間應(yīng)設(shè)置可靠的連接構(gòu)造。

船撞；連續(xù)梁橋；整體分析

0 引 言

船舶撞擊是跨越航道的橋梁倒塌的主要原因之一，還會造成人員傷亡、船舶受損、航道受阻、陸上交通中斷等嚴重后果。因此在橋梁設(shè)計計算中，應(yīng)合理考慮船撞荷載的作用。

一般來說，在確定了船撞力的大小后，橋梁設(shè)計的基本流程[1-3]如圖1所示。

圖1 考慮船撞時橋梁結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計流程

在評估船撞荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時，對連續(xù)梁橋，過去多采用單墩分析的方法[3]，即取單個橋墩作為分析對象，將船撞力施加于橋墩上的設(shè)計位置，墩頂自由無約束，上部結(jié)構(gòu)對墩頂?shù)乃椒戳σ蜉^難量化，也不考慮。采用這種分析方法，橋墩的受力將偏大。而多用于連續(xù)剛構(gòu)橋的整體分析方法[4]，即建立全橋上下部結(jié)構(gòu)的有限元模型來進行分析，則很少用于連續(xù)梁橋。

實際上連續(xù)梁橋雖然不同于連續(xù)剛構(gòu)，上下部形成一體，但每個橋墩處的支座布置均包含橫向固定，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計還增設(shè)了橫向擋塊，則從橫向來說，上下部的連接是可靠的。文獻[5]即認為在滿足橫向連接可靠的前提下，基于橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接強度以及被撞橋墩的相對剛度，可將橋梁上部結(jié)構(gòu)納入船撞荷載的傳遞路徑中。本文即就這一問題，基于一連續(xù)梁橋工程實例，針對船撞荷載工況，分別用單墩模型和全橋整體模型進行了對比分析，并給出了一些設(shè)計建議。

1 算例與模型

1.1 設(shè)計算例

某連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)為40 m+4×70 m+40 m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面直腹板箱梁，支點截面如圖2(a)所示。下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙柱式橋墩，墩柱直徑2.4 m?；A(chǔ)采用4根直徑1.8 m的鉆孔灌注樁，如圖2(b)所示。

墩身采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，樁基礎(chǔ)采用C25水下混凝土。主橋中間各墩采用LQZ15 000 kN球形支座。其設(shè)防代表船型取2 000 t貨船，高水位下橫向最大船撞力取9 MN。

1.2 分析模型

采用MIDAS/Civil軟件，分別建立單墩模型和全橋的三維梁單元模型進行船撞荷載作用下的靜力對比分析，如圖3所示。

圖2 算例一般構(gòu)造示意圖

單墩模型考慮上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的豎向荷載，不考慮因橋梁支座的橫向水平約束作用而帶來的水平力；在全橋分析模型中，橋梁支座以MIDAS中的彈性連接模擬。在各分析模型中，樁土共同作用以“m法”模擬[6]。

圖3 MIDAS分析模型

2 分析與對比

2.1 船撞荷載傳遞至橋梁上部結(jié)構(gòu)的力占總荷載的比例

文獻[5]推導了船撞荷載作用在某一橋墩上時，經(jīng)由該橋墩傳遞至橋梁上部結(jié)構(gòu)的力的計算公式為

(1)

其中，H為作用于橋墩上的船撞荷載;Δabti單墩模型中橫向單位力作用在船撞力作用點時，墩頂?shù)臋M向位移；Δaati為單墩模型中橫向單位力作用在墩頂時，墩頂?shù)臋M向位移；Δsti為全橋分析模型中，刪除擬分析的橋墩，將橫向單位力作用于該橋墩對應(yīng)的主梁位置時，主梁上該點的橫向位移。

上述公式使用的前提是橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置了可靠的連接構(gòu)造，如橫向擋塊等，保證橫向力能由橋墩可靠傳遞至上部結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述公式計算，當船撞荷載作用于Z2橋墩時，經(jīng)由該橋墩傳遞至橋梁上部結(jié)構(gòu)的力占總荷載的比例如下?？梢?，有約30%的船撞力傳遞給了上部結(jié)構(gòu)主梁。

2.2 有限元模型的計算結(jié)果

本設(shè)計算例中主橋中間各墩采用LQZ15 000 kN球形支座，為雙支座布置，因此每個橋墩處支座可承受的總水平力為0.1×15 000 kN=1 500 kN。

作為初始計算，假設(shè)全橋分析模型中模擬橫向固定支座的彈性連接的水平剪切剛度較大，取為1×107kN/m，并暫不考慮水平力超過支座的水平承載力后發(fā)生破壞的工況[7-10]。

經(jīng)計算分析，當9 MN的船撞力橫向作用于Z2墩時(作用點對應(yīng)于高水位下的撞擊點)，引起的Z2墩支座處的水平剪力為2 785 kN，約為9 MN船撞力的30.9%，這與前述(1)式的結(jié)果較為接近，可以認為全橋分析模型的計算結(jié)果具有可信度。

2.3 分析與討論

(1) 支座的橫向水平承載力。由前述計算結(jié)果，在假設(shè)上下部連接可靠的前提下，船撞引起的Z2墩上支座處的水平剪力為2 785 kN，這遠大于該墩上所設(shè)支座可承受的總水平力1 500 kN。在這種情況下，如果要在防船撞設(shè)計中考慮上部結(jié)構(gòu)的有益貢獻，則應(yīng)根據(jù)計算所得的水平剪力設(shè)計橫向的擋塊，保證在支座失效后，仍有可靠的第二道防線。

(2) 全橋分析模型與單墩模型的計算結(jié)果對比。表1給出了9 MN的船撞力橫向作用于Z2墩時，單墩模型和全橋分析模型的計算結(jié)果(該結(jié)果為偶然組合下)。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如墩底截面、樁頂截面的內(nèi)力和墩頂位移等，全橋模型的分析結(jié)果均較單墩模型的結(jié)果有較大幅度的減少，達30%～40%。

(3) 相鄰墩的水平力。同前述的假設(shè)，根據(jù)本設(shè)計算例的各橋墩及樁基礎(chǔ)的構(gòu)造設(shè)計，當9 MN的船撞力橫向作用于Z2墩時(作用點對應(yīng)于高水位下的撞擊點)，引起的與Z2墩相鄰的Z1、Z3墩支座處的水平剪力分別為1 068 kN和1 471 kN?？梢娫诖埠奢d作用下，全橋協(xié)同作用的效應(yīng)較明顯。

表1 計算結(jié)果對比表

3 結(jié)束語

(1) 在連續(xù)梁橋的船撞分析中，如果上下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)計了可靠的連接構(gòu)造，可將上部結(jié)構(gòu)主梁納入船撞力的傳力路徑中?；跇蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接強度以及被撞橋墩的相對剛度，有一定比例的船撞力被傳遞給上部結(jié)構(gòu)。

(2) 當下部橋墩可能受船舶撞擊時，應(yīng)在橋墩和主梁之間設(shè)置橫向擋塊。并且與被撞橋墩相鄰的橋墩也應(yīng)增設(shè)擋塊，即使它不存在被撞的可能性。

(3) 考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)的有益貢獻，則船撞力作用下橋墩的受力減小，橋墩的設(shè)計更經(jīng)濟。

[1] Guide Specifications and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges, Second Edition [S]．Washington DC,AASHTO,2009．

[2] Wai F C,Lian D．Bridge Engineering Handbook [M] CRC Press, 1999.

[3] 胡 薇，袁萬城，楊 智．連續(xù)梁橋船撞響應(yīng)的簡化分析研究[J]．結(jié)構(gòu)工程師，2011(6)：66～70．

[4] 杜狂賀．連續(xù)剛構(gòu)橋在船撞力作用下的橋梁響應(yīng)分析研究[D]．重慶：重慶交通大學，2012．

[5] Bogdan O K,Manuel R S．Design of Bridge Pier Pile Foundation for Ship Impact [J]．Journal of Structural Engineering, 1992(8): 2151～2167．

[6] 胡 薇．支座類型對連續(xù)梁橋船橋撞擊影響的簡化分析[J]．市政技術(shù)，2015(3)：38～43．

[7] 孫慧明，方 海，祝 露，等．基于連跨效應(yīng)的船撞作用下連續(xù)梁橋墩頂約束剛度分析[J]．建筑科學與工程學報，2015(5)：89～95．

[8] 秦 進，魏東海．淺談內(nèi)河航道橋梁橋墩防撞設(shè)計[J]．北方交通，2011(7)：33～36．

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[10] 趙君黎，李 雪，馮 苠．中美歐規(guī)范中的抗防船撞規(guī)定解讀[J]．公路，2010(12)：36～40．

2016-12-09；修改日期：2016-12-14

孫 莉(1985-)，女，安徽宿松人，碩士，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司工程師．

U443.26

A

1673-5781(2016)06-0774-03