江二中,劉耀鳳

(1.廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

橋梁是跨越山川、低谷與河流等障礙物的結(jié)構(gòu)物,亦是交通網(wǎng)絡(luò)中重要的樞紐。然而,于河流中的船舶而言,橋梁卻成為了阻礙船舶通行的障礙物。據(jù)統(tǒng)計(jì),1960—2002年間,世界上至少有31座橋梁因船舶撞擊倒塌,至少342人死亡,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。而我國(guó)在1960—2004年,船撞橋事故至少發(fā)生了251起,其中1998年龍港大橋被一艘油輪撞塌,導(dǎo)致4人死亡、1人受傷,橋梁重建費(fèi)用為800萬(wàn)元;2000年廣東省東江流域一艘載客船撞擊黎咀大橋后翻沉,致使船上44人全部落水,6人死亡、2人重傷,造成了十分惡劣的社會(huì)影響及嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。船撞橋梁安全事故頻發(fā),我國(guó)水路運(yùn)輸量亦不斷上升,亟須根據(jù)航道流量及橋梁抗撞性能對(duì)各橋梁的現(xiàn)狀通航等級(jí)進(jìn)行規(guī)劃提高等級(jí),并對(duì)橋梁抗撞性能進(jìn)行評(píng)估,以保障橋梁的使用壽命和人們的出行安全。

本文以白沙大橋?yàn)楣こ瘫尘?評(píng)估其抗撞性能是否滿(mǎn)足規(guī)劃航道的抗撞要求,明確橋梁抗撞性能的分析流程,為需要提升航道等級(jí)的橋梁提供借鑒。橋梁抗撞性能的具體分析流程如圖1所示。

圖1 橋梁抗撞性能分析流程圖

1 橋梁抗撞性能標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)我國(guó)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的規(guī)定,橋梁抗撞設(shè)防目標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)(P1、P2、P3),應(yīng)通過(guò)船撞重要性等級(jí)和船撞作用設(shè)防水準(zhǔn)確定。其中橋梁的船撞重要性等級(jí)應(yīng)按照所屬公路等級(jí)和橋梁分類(lèi)選取,如表1所示。對(duì)于有特殊要求的橋梁,其船撞重要性等級(jí)可根據(jù)具體情況研究確定。

表1 橋梁的船撞重要性等級(jí)表

由表2可知,橋梁的抗撞性能設(shè)防目標(biāo)還需通過(guò)船撞作用設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行確定。對(duì)于一般橋梁,整橋的最大年倒塌概率應(yīng)<1×10-3,船撞作用設(shè)防水準(zhǔn)取L1;對(duì)于重要橋梁,整橋的最大年倒塌概率應(yīng)<1×10-4,船撞作用設(shè)防水準(zhǔn)取L2。

表2 橋梁的抗撞設(shè)防目標(biāo)表

橋梁結(jié)構(gòu)的抗船撞性能等級(jí)應(yīng)按表3取用,構(gòu)件的抗船撞性能等級(jí)應(yīng)按表4取用。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)的抗船撞性能等級(jí)表

表4 橋梁構(gòu)件的抗船撞性能等級(jí)表

2 橋梁船撞力計(jì)算方法

船舶撞擊橋梁是能量變化的過(guò)程,其碰撞力隨著碰撞過(guò)程的推進(jìn)而不斷發(fā)生變化。目前各國(guó)采用簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船撞力,即考慮船撞力對(duì)橋梁的作用時(shí)將其等效為靜力。簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)公式是基于能量交換原理、沖量原理、船橋碰撞試驗(yàn)以及大量的實(shí)際碰撞數(shù)值統(tǒng)計(jì)等擬合出計(jì)算船撞力的等效靜力方法[2]。目前認(rèn)可度較高的船橋碰撞力等效靜力計(jì)算規(guī)范主要為:《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》、美國(guó)ASSHTO規(guī)范[3]、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]以及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[5]。我國(guó)常用采用《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)計(jì)算橋梁船撞力,見(jiàn)式(1):

F=α·η·γ·V·[(1+CM)·M]0.62

(1)

(2)

式中:α——輪船撞擊力系數(shù),取0.033;

η——幾何尺寸的修正系數(shù);

γ——撞擊角度的修正系數(shù);

V——船舶撞擊橋梁的速度(m/s);

CM——附連水質(zhì)量系數(shù),船撞正撞時(shí)宜取0.1～0.3,側(cè)撞時(shí)宜取0.45～0.5;

M——船舶載滿(mǎn)貨物時(shí)的排水量(ton);

ΔH——被撞體厚度(m);

HS——船艏高度(m);

β——為統(tǒng)計(jì)系數(shù),取4.0。

3 橋梁抗撞性能驗(yàn)算

橋梁抗船撞性能評(píng)估是設(shè)置橋梁防撞設(shè)施的前提,是車(chē)輛安全通行的保障。我國(guó)對(duì)橋梁船撞效應(yīng)和橋梁船撞性能指標(biāo)做出了規(guī)范要求,橋梁受到大船撞擊后應(yīng)通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算的方式對(duì)橋梁抗船撞性能進(jìn)行評(píng)估。

3.1 抗彎承載力計(jì)算

《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出,軸壓比<0.5,且剪跨比為1.5以上的鋼筋和鋼筋混凝土柱式構(gòu)件的彎曲性能應(yīng)按圖2進(jìn)行驗(yàn)算,彎曲變形性能等級(jí)的界限值θd可按式(3)進(jìn)行計(jì)算,其他鋼筋混凝土柱式構(gòu)件的彎曲性能應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。

圖2 彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)圖

(3)

θpu=(φu-φy)Lp

(4)

式中:K——構(gòu)件極限塑性轉(zhuǎn)角的安全系數(shù),取1.5;

α——構(gòu)件性能等級(jí)系數(shù),按規(guī)范進(jìn)行取值;

θpu——構(gòu)件塑性區(qū)的極限塑性轉(zhuǎn)角(rad);

φu——塑性鉸區(qū)極限曲率(m-1);

φy——塑性鉸區(qū)屈服曲率(m-1);

LP——塑性鉸長(zhǎng)度(m),Lp=1.0H,H為計(jì)算方向截面高度。

3.2 抗剪承載力計(jì)算

《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了鋼筋構(gòu)件抗剪承載力Vyd的計(jì)算公式,本文采用式(5)對(duì)墩柱關(guān)鍵截面進(jìn)行抗剪能力計(jì)算分析。

Vyd=φs(Vcd+Vwd)

(5)

式中:Vcd——混凝土部分的抗剪承載力設(shè)計(jì)值(kN);

Vwd——箍筋部分的抗剪承載力設(shè)計(jì)值(kN);

φs——抗剪沖擊效應(yīng)折減系數(shù),取0.7。

4 工程分析

4.1 工程概況

本文以白沙大橋?yàn)楣こ桃劳羞M(jìn)行規(guī)劃航道橋梁抗撞性能分析。其主橋全長(zhǎng)395.0 m,主孔為2×122.5 m門(mén)式索塔,主梁為π型截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁,梁高2.0 m,橫梁間距為5.0 m。直線(xiàn)門(mén)型橋塔高69.0 m,兩邊對(duì)稱(chēng)分布22對(duì)扇形拉索,橋面索間距為5.0 m。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車(chē)-超20級(jí)、掛車(chē)-120,人群荷載為3.5 kN/m2。本橋設(shè)計(jì)采用單孔雙向通航,主通航孔為SZ#～NZ#墩。現(xiàn)狀航道等級(jí)下最高通航水位標(biāo)高為76.63 m,最低通航水位標(biāo)高為67.05 m,滿(mǎn)載排水量為1 500 t。為了適應(yīng)不斷提升的船舶流量及墩量,將原Ⅲ級(jí)航道規(guī)劃為Ⅱ級(jí)航道。Ⅱ級(jí)航道最高通航水位標(biāo)高為77.8 m,最低通航水位標(biāo)高為67.05 m,滿(mǎn)載排水量為2 500 t。

4.2 抗撞性能參數(shù)

白沙大橋?qū)儆诖笮椭匾こ?投資大,使用年限長(zhǎng),應(yīng)盡量減少大橋受船舶撞損的風(fēng)險(xiǎn),故橋墩采用1×10-4的撞損頻率。本研究工作中白沙大橋船撞設(shè)防水準(zhǔn)為L(zhǎng)2,橋梁船撞重要等級(jí)為C1級(jí),由表2可知,白沙大橋的抗船撞設(shè)防目標(biāo)為P1等級(jí),各構(gòu)件的抗船撞性能等級(jí)為JX1,要求橋梁構(gòu)件在碰撞后正常工作,無(wú)須維修。

船舶撞擊方向與橋軸線(xiàn)法向平行,撞擊角度為0°交角正向撞擊,計(jì)算時(shí)間為3 s;船速根據(jù)《公路橋梁撞擊設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的船舶撞擊速度曲線(xiàn)進(jìn)行取值,為4.2 m/s。由于該橋橋型對(duì)稱(chēng),本文僅以最具代表性的橋墩Z(yǔ)Z#墩作為研究對(duì)象,采用2 000 t的代表船型噸位進(jìn)行規(guī)劃航道橋梁抗撞性能分析。

4.3 有限元模型的建立

運(yùn)用Midas Civil軟件進(jìn)行建模,全橋均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,主梁采用C50混凝土的參數(shù),材料本構(gòu)模型取為彈性本構(gòu);橋塔采用C50混凝土的參數(shù),主墩采用C30混凝土,材料本構(gòu)模型取為彈性本構(gòu);樁基礎(chǔ)的材料參數(shù)為C25混凝土,以彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。全橋共建立955個(gè)梁?jiǎn)卧约?8個(gè)桁架單元,得到如圖3所示的有限元模型。

圖3 全橋船撞分析有限元模型圖

4.4 橋梁船撞效應(yīng)

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》的船撞力計(jì)算方法,得到規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道的船舶撞擊橋墩的力為15.1 MN,將計(jì)算所得的船撞力施加于有限元模型,獲得ZZ#墩橋梁船撞效應(yīng)如圖4所示。

(a)高水位彎矩(kN·m)

由圖4可得,河流處于高水位狀態(tài)的最大彎矩效應(yīng)值為-142 877.12 kN·m,最大剪力效應(yīng)值為-19 190.75 kN;河流處于低水位狀態(tài)的最大彎矩值為-182 838.34 kN·m,最大剪力效應(yīng)值為-28 548.02 kN。根據(jù)最大彎矩和最大剪力的受力位置可知,無(wú)論河流處于高水位或低水位狀態(tài),船舶撞擊橋墩時(shí),最不利彎矩和最不利剪力的受力位置均為橋墩的中下部分。原有航道等級(jí)的提升使得船舶的噸量隨之增加,導(dǎo)致河流高水位對(duì)船舶的影響較小,撞擊時(shí)仍與低水位撞擊橋梁的部位接近。

4.5 橋梁抗撞性能驗(yàn)算

本節(jié)通過(guò)抗彎承載力以及抗剪承載力兩個(gè)方面評(píng)估規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道下橋梁的抗撞性能。若船撞效應(yīng)值均滿(mǎn)足截面抗彎承載力以及抗剪承載力要求,說(shuō)明橋梁的抗撞性能良好,提升航道等級(jí)后無(wú)須增設(shè)抗撞設(shè)施;否則橋梁抗撞性能較差。

通過(guò)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算可得橋梁的抗彎和抗剪承載力分別為207 200 kN·m和7 346 kN。其抗撞性能驗(yàn)算結(jié)果如表5所示。在規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道等級(jí)下,橋墩的抗彎承載力均能抵御船舶在高水位和低水位行駛過(guò)程中對(duì)橋梁的撞擊。

表5 橋墩船撞彎矩效應(yīng)和剪力效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果表

橋墩的剪力承載力值與船舶撞擊橋梁的剪力效應(yīng)值差距較大。船舶在高水位狀態(tài)下撞擊橋墩的剪力效應(yīng)值比剪力承載力值高1.6倍;船舶在低水位狀態(tài)下撞擊橋墩的剪力效應(yīng)值比剪力承載力值高2.9倍。

該橋的抗彎承載力滿(mǎn)足抗撞強(qiáng)度驗(yàn)算,然而抗剪承載力遠(yuǎn)不足以抵抗規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道下2 000 t船舶撞擊橋墩的撞擊力,因此該橋的抗撞性能較差,需增設(shè)相應(yīng)的抗撞設(shè)施,適應(yīng)不斷增加的船舶流量和噸量,以保障橋上行人及船舶的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)本文明確了橋梁抗撞性能的分析流程,先確定橋區(qū)航道、通航安全性、船型模型及橋梁的基本參數(shù),根據(jù)基本參數(shù)選擇橋梁抗撞性能標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算船撞力,并施加于有限元模型中獲取最大彎矩效應(yīng)和最大剪力效應(yīng),最后通過(guò)抗彎承載力和抗剪承載力驗(yàn)算其強(qiáng)度是否通過(guò),通過(guò)則說(shuō)明橋梁抗撞性能良好,否則較差。

(2)當(dāng)規(guī)劃航道的等級(jí)遠(yuǎn)高于橋梁所處的原航道等級(jí)時(shí),船舶對(duì)橋墩的撞擊損壞面位于中下部位。

(3)白沙大橋在規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道等級(jí)中受到2 000 t的船舶撞擊時(shí),其抗撞性能較差,抗剪效應(yīng)值幾乎高出抗彎承載力兩倍,無(wú)法抵抗船舶撞擊時(shí)所產(chǎn)生的抗剪效應(yīng),橋墩造成抗剪破壞。若要提升該橋的航道等級(jí),需有針對(duì)性地增設(shè)防撞設(shè)施。