諶河水，伍昕茹

（1.江西華道工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330003；2.江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330209）

0 引言

船撞橋事故在世界各地時(shí)有發(fā)生，據(jù)國(guó)際統(tǒng)計(jì)資料表明，船撞橋梁是僅次于洪水造成橋梁倒塌的第二大原因，損失更是難以估計(jì)[1]。

本文依托《交通運(yùn)輸部辦公廳國(guó)家鐵路局綜合司國(guó)鐵集團(tuán)辦公廳關(guān)于印發(fā)船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動(dòng)實(shí)施方案的通知》（交辦水〔2020〕69號(hào)）及《江西省船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動(dòng)領(lǐng)導(dǎo)小組關(guān)于印發(fā)贛江、信江區(qū)段通航代表船型船隊(duì)的通知》（贛交港航字〔2021〕38號(hào)），對(duì)跨越贛江的吉安大橋進(jìn)行抗船撞計(jì)算與分析。

1 工程概況

吉安大橋是吉安市跨越贛江的一座橋梁，橋梁全長(zhǎng)1 744.9m，孔跨布置形式為（4×30m）+（31.4m+31m）+（3×40m）+（36m+138m+188m+138m+36m）+（4×40m）+（5×40m）+（5×20m）+（6×20m）+（16×20m）。主橋?yàn)?6+138+188+138+36=536m中承式系桿拱式橋，通航孔為布置于深槽位置的中間（11#～12#墩）單孔雙向通航。根據(jù)拱橋的受力特點(diǎn)，中主墩垂直反力較大，通過計(jì)算比較，采用相同規(guī)模的主墩形式，主墩墩身平面尺寸為5m×8m。拱座采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主墩采用群樁基礎(chǔ)，每條拱肋對(duì)應(yīng)的單個(gè)主墩基礎(chǔ)采用6根直徑2.5m的鉆孔樁，樁基采用嵌巖樁的模式設(shè)計(jì)，主墩樁基要求嵌入微風(fēng)化巖石深度不小于15m，承臺(tái)平面尺寸14m×9m，承臺(tái)高度4m，兩承臺(tái)之間設(shè)一根橫梁，橫梁斷面尺寸為3m×4m。本文將分析橋墩在船撞擊力作用下的抗船撞性能。橋梁上、下游通航現(xiàn)場(chǎng)孔照片如圖1～圖2所示。

圖1 橋梁上游通航孔

圖2 橋梁下游通航孔

2 有限元研究方法

船橋撞擊過程中船舶的計(jì)算模型的外形和尺寸參考《江西省船舶碰撞橋梁隱患治理自查評(píng)估贛江、信江區(qū)段通航代表船型船隊(duì)》中新干樞紐至贛州水尺區(qū)段的通航代表船型。船舶類型為散貨船，總長(zhǎng)85m，型寬10.5m，型深8.5m，設(shè)計(jì)吃水2.0m，重量3 000t。橋區(qū)范圍內(nèi)船的平均行駛速度取2.5m/s。

本文應(yīng)用有限元LS-DYNA軟件計(jì)算了橋梁結(jié)構(gòu)總體、局部受力及結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[2]。船舶計(jì)算模型由兩部分組成，分別為船艏碰撞區(qū)域和后面部分船體[3]。由于碰撞過程中的碰撞區(qū)域在船頭，所以對(duì)于該部分計(jì)算模型做了比較精細(xì)的描述，見圖3～圖4。

圖3 船舶撞擊位置網(wǎng)格

圖4 整船模型

幾何模型有限元離散采用ANSYS APDL完成[4]，單元數(shù)目總共290萬，混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)采用solid164單元，最小網(wǎng)格尺寸0.3m。鋼筋采用link160單元，最小尺寸0.6m。吊桿采用link167單元，最小尺寸0.5m。橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型局部網(wǎng)格如圖5～6所示。

圖5 吉安大橋幾何模型

船舶撞擊位置根據(jù)通航水位以及吃水深度確定，船舶撞擊橋墩位置如圖7所示。

圖6 吉安大橋有限元模型局部網(wǎng)格

圖7 船舶撞擊橋墩位置

船橋撞擊屬于大變形、高壓、高應(yīng)變問題，在材料模型的選取過程當(dāng)中，還必須考慮失效以及應(yīng)變率的影響。應(yīng)變率是表征材料快速變形的一種度量，應(yīng)變對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。為了考慮應(yīng)變率對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響，則在材料中采用了Cowper-Symonds模型，其中參數(shù)C=40.4，P=5.0。并且模型中還考慮了動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)，由于船橋撞擊的速度比較小不屬于高速撞擊，因此可以認(rèn)為動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)等值。在高能碰撞過程中，船首部分會(huì)發(fā)生非常大的變形，當(dāng)變形值達(dá)到一定程度的時(shí)候，船體結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)檠有院慕叨屏?。因此在仿真過程中必須考慮材料的失效，如果不考慮失效的話LS-DYNA在計(jì)算過程中，由于單元不失效產(chǎn)生非常大的變形從而使單元變得更小從而增大最小時(shí)間步長(zhǎng)，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的增大。在Cowper-Symond材料模型中會(huì)自帶材料的失效準(zhǔn)則，一般鋼材的失效應(yīng)變?nèi)?.35。

混凝土主要材料等級(jí)為：主墩墩身為C50混凝土，橋面板為C40混凝土，承臺(tái)為C30混凝土，樁基為C30水下混凝土?；炷翉椥阅Ａ俊⒚芏?、泊松比等材料屬性根據(jù)不同混凝土等級(jí)確定。

3 船舶撞擊橋梁結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

橋墩所受撞擊力時(shí)程變化如圖8所示。橋墩頂部、橋墩與承臺(tái)連接處、承臺(tái)與樁基礎(chǔ)連接處船舶碰撞方向位移時(shí)程曲線如圖9～11所示。從圖中可以看出，橋墩頂部位移響應(yīng)最大值小于0.02m，隨著高度降低位移響應(yīng)逐漸減小，表明橋墩剛度對(duì)于撞擊力來說足夠大。

圖8 船舶撞擊橋墩撞擊力時(shí)程曲線

圖9 橋墩頂部位移時(shí)程曲線

下部結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力云圖時(shí)程變化如圖12所示。從圖中可以看出，撞擊過程中下部結(jié)構(gòu)大多數(shù)區(qū)域剪切應(yīng)力很小。在撞擊位置、橋墩和承臺(tái)連接處、承臺(tái)和樁基連接處剪切應(yīng)力較大，均大于C30混凝土容許剪應(yīng)力值2.85MPa，因此撞擊位置、橋墩和承臺(tái)連接處、承臺(tái)和樁基連接處易發(fā)生剪切破壞。

圖12 下部結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力時(shí)程變化

下部結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖時(shí)程變化如圖13所示。圖中可以看出，碰撞過程橋墩及承臺(tái)連接處第一主應(yīng)力值比其他位置大（大于7.87MPa），遠(yuǎn)大于C30混凝土的容許拉應(yīng)力2.01MPa，因此橋墩及承臺(tái)連接處易發(fā)生拉伸破壞。

圖13 下部結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力時(shí)程變化

拱圈鋼管部分第一主應(yīng)力云圖時(shí)程變化如圖14所示。圖中可以看出，最大值主要分布在拱圈的下部并且隨著撞擊過程而位置發(fā)生改變。第一主應(yīng)力最大值小于13.85MPa，其遠(yuǎn)小于鋼材許用應(yīng)力125MPa。因此船舶撞擊橋墩過程對(duì)拱圈鋼管影響較小。

圖14 拱圈鋼管部分第一主應(yīng)力時(shí)程變化

拱圈混凝土部分第一主應(yīng)力云圖時(shí)程變化如圖15所示。圖中可以看出，最大值主要分布在拱圈的下部并且隨著撞擊過程而位置發(fā)生改變。第一主應(yīng)力最大值為2.446MPa，其小于C50混凝土容許拉應(yīng)力2.64MPa。因此船舶撞擊橋墩過程對(duì)拱圈混凝土部分影響較小。

圖10 橋墩與承臺(tái)連接處位移時(shí)程曲線

圖11 承臺(tái)與樁基礎(chǔ)連接處位移時(shí)程曲線

圖15 拱圈混凝土部分第一主應(yīng)力時(shí)程變化

4 結(jié)論

（1）船橋碰撞過程中，下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移較小，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體抗船撞剛度較大。

（2）撞擊位置、橋墩和承臺(tái)連接處、承臺(tái)和樁基連接處易發(fā)生局部剪切破壞。橋墩及承臺(tái)連接處易發(fā)生局部拉伸破壞。

（3）船橋碰撞過程中，橋墩不會(huì)發(fā)生整體剪切破壞。