劉靜文

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，對斜拉橋等大型橋梁的跨度要求越來越高，船舶的噸位和數(shù)量也是與日俱增，船橋碰撞事故也時有發(fā)生。船橋碰撞事故的發(fā)生，輕則導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞，影響橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命、降低橋梁安全性；重則導(dǎo)致橋毀人亡，造成重大安全事故。因此，對船舶撞擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況及動力響應(yīng)的研究有著重要意義[1-3]。

本文以武漢天興洲長江大橋為工程背景，利用ANSYS建立詳細的全橋整體三維有限元模型。將船撞荷載施加到橋梁指定關(guān)鍵點。分析8 000t船舶在不同角度撞擊作用下橋梁各關(guān)鍵部位的動力響應(yīng)，為大跨度公鐵兩用斜拉橋的防撞設(shè)計和安全評估提供參考。

1 工程概況

武漢天興洲長江大橋是一座雙塔三索面三主桁公鐵兩用斜拉橋，正橋全長4 657m，橋梁跨徑(98+196+504+196+98)m。大橋上層公路為六車道，寬27m。下層鐵路為四線，其中兩線一級干線、兩線客運專線。

主梁為板桁結(jié)合鋼桁架，“N”形桁架，三片主桁，分別錨固于三個索面，三片主桁間距15m，寬30m，高15.2m，節(jié)間長度14m。主主桁部分斜桿采用箱型截面，其余斜桿、豎桿采用H形截面。斜拉索錨固于主桁上弦節(jié)點，材料為Φ7鍍鋅鋼絲，Ry1=1670MPa。鋼梁采用Q370q-E鋼。主塔為倒Y形，兩側(cè)各有3×16根斜拉索，主塔材料為C50級混凝土?？傮w布置圖如圖1所示。

圖1 武漢天興洲長江大橋總體布置(單位：m)

2 有限元模型的建立

2.1 斜拉橋模型

主梁上弦中部756m范圍是鋼正交異性板橋面，兩端各168m范圍是混凝土結(jié)合板橋面。鐵路橋面系采用縱橫梁體系，道砟橋面。縱梁與橫梁均為“工”字形截面，端橫梁采用箱形截面，間隔6個節(jié)間設(shè)置有制動撐架。公路橋面中部756m范圍內(nèi)，橋面板厚14mm，每半幅橋(15m寬)設(shè)四道縱梁，沿縱橋向每14m長節(jié)間內(nèi)設(shè)5道橫肋。主梁兩端各168m范圍內(nèi)，每半幅橋設(shè)四道縱梁與正交異性板的縱梁對齊，每個節(jié)點處設(shè)置公路橫梁。

在建模過程中，考慮到運算量，對公路主梁采用了等效格子梁法來模擬正交異性板。將縱肋與橫肋用與其中心線重合的梁單元進行模擬，每節(jié)間(14m)視作一個梁格。這樣，公路橋面即簡化為由上弦桿、公路縱梁、公路橫梁和橫隔板組成的梁格體系[2]。公路縱肋與鐵路縱肋的質(zhì)量與剛度均等效分配到相應(yīng)縱梁上。然后，采用空間有限元法進行離散。鐵路橋面按照實際構(gòu)造進行建模。主塔主桁、公路橫梁縱梁、鐵路橫梁縱梁鐵路橋面板均采用BEAM4單元進行模擬，公路混凝土橋面梁格與鋼正交異性板梁格采用SHEEL63單元進行模擬。集中質(zhì)量運用MASS21單元進行模擬。斜拉索離散成空間桿單元，運用LINK10單元進行模擬。由垂度效應(yīng)引起的斜拉索幾何非線性問題，采用Ernst公式進行彈性模量修正。主梁與拉索之間通過剛度極大的剛臂進行連接，并用實常數(shù)定義來實現(xiàn)斜拉索的截面特性。全橋節(jié)點共計15 208個，單元共有24 122個。其中橋塔單元776個，主塔剛臂單元434個，斜拉索236個，主梁22 646個，全橋結(jié)構(gòu)計算模型見圖2。

圖2 武漢天興洲長江大橋有限元模型

2.2 橋梁模型驗證

通過靜力分析和模態(tài)分析對橋梁模型進行了驗證[4-5]。靜力分析法通過對模型施加自重荷載，提取了主梁邊跨跨中1 139號節(jié)點、跨中1 040號節(jié)點、主跨3/4跨116號節(jié)點的豎向位移進行定性分析。三個節(jié)點位移分別為-0.220m、-0.258m和-0.013m，符合實際經(jīng)驗。為進行橋梁自振特性分析，設(shè)置了前20階模態(tài)分析，得到前20階自振頻率及相應(yīng)振型。前10階自振頻率及振型見表1，部分振型圖見圖3。

(b)2階(主梁對稱豎彎)

(a)1階(主梁縱振)

(c)3階(主梁對稱側(cè)彎)圖3 主梁自振振型

2.3 船舶撞擊力時程荷載

根據(jù)船舶在航道內(nèi)(在航道中心線上)的正常行駛速度、航道中心線至橋墩的距離以及船舶長度等因素綜合確定船舶撞擊橋梁速度[6]，結(jié)合武漢天興洲長江大橋通常航速調(diào)查結(jié)果及航道水文條件，推算出船舶撞擊速度為4.5m/s。根據(jù)武漢天興洲長江大橋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，本文模擬8 000t船舶撞擊1號橋塔的第290號節(jié)點，撞擊角度選取橋軸線法線與撞擊速度方向的夾角0 °、10 °、15 °和20 °。針對8 000t船舶，當(dāng)以4.5m/s速度撞擊橋墩時，本文模擬的正撞力時程曲線圖如圖4所示。

3 橋梁動力響應(yīng)結(jié)果分析

在ANSYS中模擬活載加載有機動法、靜力分析和瞬態(tài)分析法三種分析方法。在本文中采用瞬態(tài)分析法，荷載分140次施加到1號橋塔的290號關(guān)鍵點上，每次施加后進行一次瞬態(tài)分析，分析橋梁在規(guī)定的時程碰撞荷載下的動力響應(yīng)問題。在ANSYS完成模型瞬態(tài)分析計算后，通過*GET命令提取了1號橋塔塔頂1號節(jié)點、主跨跨中1 040號節(jié)點橫橋向位移。

表1 武漢天興洲長江大橋自振特性

圖4 正撞力時程曲線

3.1 橫橋向位移結(jié)果提取

提取塔頂1號節(jié)點、跨中1 040號節(jié)點分別在0°、10°、15°和20°船舶撞擊作用下的橫橋向位移(圖5、圖6)。

圖5 塔頂1號節(jié)點橫橋向位移

圖6 跨中1040號節(jié)點橫橋向位移

3.2 結(jié)果分析

從圖5、圖6可以看出，在相同碰撞力作用下，塔頂和跨中的橫向位移并非一直單調(diào)增大，存在振蕩現(xiàn)象，且振蕩頻率較大。塔頂?shù)臋M橋向位移隨著碰撞角度的改變，其位移曲線變化基本一致。在碰撞歷程內(nèi)，任意相同時刻，橫橋向位移幾乎相同，即碰撞角度的改變對塔頂?shù)膭恿憫?yīng)影響不大。從圖7(a)也可以看出，隨著碰撞角度的增大，塔頂位移峰值逐漸減小，但減小數(shù)值不大，從0～20 °，位移減小約7 %。而在碰撞歷程內(nèi)，隨著碰撞角度的變化，橋梁跨中的位移曲線存在較大差別。在相同時刻，不同碰撞角下，位移值存在差值。通過圖7(b)也可以看出，隨著碰撞角從0 °上升至20 °，位移峰值減小52 %。說明碰撞角的改變對橋梁跨中的動力響應(yīng)存在較大影響。在橋梁防撞設(shè)計中可考慮通過設(shè)置增大碰撞角度的防撞裝置來減小船舶撞擊對橋梁帶來的影響。通過橫向?qū)Ρ瓤芍?，在相同碰撞力作用下，塔頂位移峰值均大于橋梁跨中，說明塔頂響應(yīng)對于船舶撞擊力較為敏感，在實際橋梁防護中應(yīng)引起重視。

4 結(jié)論

本文以武漢天興洲長江大橋為工程背景，運用ANSYS建立全橋有限元模型。分析橋梁各關(guān)鍵部位在8 000t船舶不同角度撞擊下的動力響應(yīng)，得到以下幾點結(jié)論：

(1)在碰撞過程中，塔頂和跨中的橫向位移并非一直單調(diào)增大，存在振蕩現(xiàn)象，且振蕩頻率較大。塔頂?shù)臋M橋向位移在不同撞擊角度下變化規(guī)律基本一致，碰撞角度的增加對位移峰值影響不大。

(2)在碰撞過程中，碰撞角度的改變對橋梁跨中位移影響較大，碰撞角度從0°上升至20°，位移峰值減小達52 %。

(3)在相同船舶撞擊作用下，塔頂位移峰值遠大于跨中，說明塔頂位移響應(yīng)對于船舶撞擊力較為敏感，在實際橋梁防護中應(yīng)引起重視。

(4)在相同碰撞力作用下，碰撞角度的增大能有效地降低碰撞對橋梁造成的影響。在橋梁防撞設(shè)計中，可考慮通過增大碰撞角來降低橋梁結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險。

(a) 1號節(jié)點

(b)1040號節(jié)點圖7 橫橋向最大位移