黃海珊，林本虎，梁高榮，2

（1.廣西交建工程檢測咨詢有限公司，南寧 530024；2.廣西路建工程集團有限公司，南寧 530001）

近年來，隨著航運事業(yè)的不斷發(fā)展，內河航運噸位越來越大，航運船只撞擊橋梁的事件時有發(fā)生，給橋梁安全及人民生命財產(chǎn)帶來極大隱患。船橋碰撞問題也越來越引起學者們關注，并對船橋碰撞問題開展研究。郭健等[1]運用層次分析法和熵權法對舟山朱家尖跨海大橋進行船撞橋風險評估，并提出相應的風險控制對策及措施。鐘智福等[2]以某船撞橋梁為工程背景，基于橋梁鑒定檢測結果，提出橋梁加固措施。王貴春等[3]研究了不同樁土模型下的船橋碰撞動力性能差異、船舶航速和質量對橋墩船撞動力性能的影響，并比較采用相關經(jīng)驗公式和各國橋梁設計規(guī)范評估撞擊力時的適用性。曹明等[4]采用動力分析軟件LS-DYNA進行了不同船速、不同通航水位、不同基礎形式和不同船型等因素對船撞力的影響分析研究，并對船撞力計算公式提出改進方法。張愛鋒等[5]采用非線性有限元仿真方法，研究船舶航速、船舶載況、碰撞角度和橫向偏移距橋墩截面形式5個因素對船橋碰撞力及接觸時間的影響，得出各因素作用下船撞力差異。可見，對船撞橋梁的安全評估，以往的研究成果大多針對橋梁下部結構的船橋碰撞問題，而對于上部結構遭受撞擊后的承載能力研究則鮮有報道。本文以某鋼筋混凝土箱型拱橋為對象，運用數(shù)值模擬的方式對拱圈遭受船舶撞擊前后橋梁的受力情況、活載作用下橋梁撓度及穩(wěn)定性進行了分析研究。

1 工程背景

某鋼筋混凝土箱型拱橋橋梁全長366.2 m，橋梁寬度12.5 m，橋梁跨徑組合為5×65 m。上部結構為鋼筋混凝土箱拱，每跨7片拱箱，拱箱為懸鏈線拱箱，m=1.988，f0/L0=1/7，混凝土材料等級為C30。下部結構為重力式橋墩橋臺，墩臺基礎為擴大基礎。橋梁單向坡度為0.75%，西低東高。橋梁設計荷載等級為汽車-20級、掛車-100級，航道等級為6級航道，于1987年建成通車。該橋某年遭受通航船舶凸起物沿拱底全截面劃過，損傷寬度約20 cm。橋梁跨徑布置圖如圖1所示。

2 有限元模型的建立

采用專用橋梁結構計算軟件Midas Civil建立該鋼筋混凝土箱型拱橋模型。考慮到該橋橋墩抗推剛度較大，忽略連拱效應，因此僅建立被撞橋跨的有限元模型。建模時，跨中拱頂受損處在20 cm內以去除拱肋截面底板的方式進行模擬；該橋為實腹式上承式拱橋，僅考慮主拱作為主要承重結構。有限元模型如圖2所示。

3 結構計算分析

3.1 結構損傷前后拱頂拱肋應力對比分析

在分析結構船撞損傷前后拱頂拱肋應力時，考慮以下荷載組合。

（1）組合1：恒載+GC+人群；

（2）組合2：恒載+QC+人群；

（3）組合2：恒載+GC+人群+溫升；

（4）組合2：恒載+GC+人群+溫降；

（5）組合2：恒載+QC+人群+溫升；

（6）組合2：恒載+QC+人群+溫降。

不同荷載組合下，結構損傷前后拱頂與全拱肋的最大應力計算結果見表1；限于篇幅，文章僅給出組合1和組合2的全拱肋應力云圖，如圖3和圖4所示。

表1 結構損傷前后不同荷載組合下拱頂與全拱肋的最大應力 MPa

由表1可知，拱頂損傷前后主要影響的是恒載以及溫度荷載作用下的應力，對恒載與活載共同作用下的影響較?。汉爿d單獨作用時拱頂損傷后拱頂最大應力增大28.09%，全拱肋最大應力增大1.35%；恒載與活載（不論是GC還是QC）共同作用時，損傷前后拱頂最大應力相差不超過1.50 MPa，且不論疊加何種車輛荷載，全拱肋最大應力基本不發(fā)生變化，但應該注意的是，車輛荷載為GC時拱肋最大應力的最大增幅會比QC大5.00 MPa左右；降溫對全橋的影響大于升溫。

3.2 結構損傷前后撓度對比分析

在分析船撞前后橋梁撓度時，考慮以下荷載組合。

（1）組合1：GC+人群；

（2）組合2：QC+人群。

2種荷載組合作用下拱肋的最大撓度見表2，相應的拱肋變形如圖5和圖6所示。

表2 不同荷載組合作用下拱肋的最大撓度mm

由表2可知，2種荷載組合作用下，船撞前后拱頂拱肋最大撓度基本相同。由圖5和圖6可知，2種荷載組合作用下拱頂損傷前后拱肋出現(xiàn)最大撓度的位置均在約L/4跨處。

3.3 結構損傷前后結構穩(wěn)定性對比分析

對結構進行穩(wěn)定性分析，結果見表3，屈曲模態(tài)如圖7所示。由表3及圖7可知，損傷前后結構首次發(fā)生失穩(wěn)時的穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)基本未發(fā)生變化，穩(wěn)定系數(shù)約為22.11，屈曲模態(tài)為面內失穩(wěn)。且前10階內未發(fā)生面外失穩(wěn)。

表3 損傷前后結構首次發(fā)生失穩(wěn)時的穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)

3.4 影響線及車輛加載分析

在最不利荷載作用下，拱肋出現(xiàn)最大應力時的影響線如圖8所示。可見，拱頂在船撞損傷前后，當拱肋在最不利荷載作用下達到最大應力時，活載的布置位置相同。

考慮到拱肋所用材料為C30，為保守計算，以荷載組合“恒載+QC+人群”作用下的拱肋最大應力值-10.66 MPa作為標準進行車輛加載分析。

按照JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》里的標準車輛，在圖9中影響線范圍內施加車輛荷載，在拱肋最大應力達到-10.66 MPa時停止加載，以此時的車輛數(shù)作為橋梁限載通行數(shù)量。通過分析表明：當車輛達到4輛時，拱腳最大應力為-11.42 MPa（如圖9所示），與-10.66 MPa基本吻合，因此建議限制4輛以下的標準車輛通行。

4 結束語

通過借助有限元軟件采用不同的荷載組合，對某鋼筋混凝土箱型拱橋被船舶撞擊后的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進行模擬分析，結果表明：

（1）在不同荷載組合作用下，結構損傷前后拱頂最大應力差值均小于1.50 MPa；

（2）結構損傷前后拱肋最大撓度、穩(wěn)定性系數(shù)和最不利荷載作用下的最大應力位置基本保持不變。

（3）采用影響線進行模擬分析，給出橋梁通行車輛的限載數(shù)量。