白沙洲大桥船舶撞击后安全性评估方法研究

李泽新 杨晓燕

（中铁大桥科学研究院有限公司 湖北 武汉 430034）

白沙洲大桥船舶撞击后安全性评估方法研究

李泽新 杨晓燕

（中铁大桥科学研究院有限公司 湖北 武汉 430034）

白沙洲长江大桥是一座双塔双索面半漂浮支撑体系混合梁斜拉桥。主要介绍桥墩遭船舶撞击之后，桥梁结构的安全性评估结果，结合外观检测，水下探摸以及有限元计算，评价船舶撞击力对桥梁结构的影响。

船舶撞击；双塔双索面斜拉桥；有限元分析；安全性评估

1 概述

白沙洲长江大桥是武汉市中环线跨越长江的双塔双索面半漂浮支撑体系混合梁斜拉桥。大桥主塔为钻石型结构，承台以上全高178.75m，箱形断面。主桥斜拉索每塔24对，共192根，横桥向中心距28.4m，斜拉索采用扇形布置。正桥跨径布置为（50＋180＋618＋180＋50）m，桥面宽27m，设计荷载标准为汽车－超20级，挂车－120级，设计日通车能力5万辆次，桥梁立面图如图1.1所示。

图1.1 桥梁立面图(单位：m)

2014年10月26日23:40时，某货运船（自重1512t，载碎石2200t，在船船员5人，从赤壁至白沙洲），在白沙洲水道抬船路二码头水域抛锚过程中搁浅，经自行救助脱浅后船舶失控，并顺水流下淌至白沙洲大桥桥区北岸副通航孔内。经初步调查判断，该船船艏触损白沙洲大桥北岸副通航孔2#主桥墩承台汉阳侧，导致船舶前舱进水，于10月27日00:20时在离北岸水沫线50米处水域坐沉，无人员伤亡。

2. 外观检测

外观检测主要检测2#桥墩盆式支座及横向限位装置以及2#主塔附近桥面系、人行走道、行车道和相关附属设施，检测结果表明2#主塔支座处于正常工作状态，横向限位装置完好；桥面系在本次事故中未发现明显病害。

3. 线形检测

本次应急检查主要针对2#墩附近桥面线性测点进行连续监测，并将此次测量数据和前期测量数据进行比较分析，来计算事故对桥面线形影响。监测结果表明，此次测量数据高程变化量在2cm左右，考虑到本桥车辆荷载及温度和测量误差对线形的影响，可以认为本次事故对桥面线形基本无影响。

4. 塔偏监测

本次塔偏利用汉阳侧BSZ2#基准点作为后视点，BSZ1#基准点作为前视，建立临时观测坐标系，通过连续观测及上期监测数据进行对比，来分析本次事故对2#主塔影响。通过对比，塔偏变化量规律性不强，应该为日照温差及车辆荷载作用下的正常变化，塔偏无明显异常。

5. 水下探摸

潜水员从2#墩身一个侧面下水，对结构的外观情况由上至下进行全面检测。检测结果如下：

1）区域一：塔座的斜角总长300cm，自顶面往下100cm到斜角底部范围内混凝土破损脱落，最大破损宽度有20cm、深度4cm；斜角下方为垂直高度150cm的边角，边角自上往下30cm有破损露筋，最大破损宽度有30cm、深度10cm、外露长度20cm的钢筋2根；

图5.1 2#墩汉阳面向撞击部位现状示意图（单位：cm）

2）区域二：塔座汉阳面向斜坡面的底边在上游角往下方向 300cm处有宽度60cm×高度20cm×深度5cm的混凝土破损脱落；该300cm范围的斜坡面还有刮痕；

3）区域三：承台在上游迎水面靠汉阳方位的圆弧边角有220cm（宽）×40cm（高）×45cm（深）的范围混凝土破损脱落，钢筋外露；承台顶面往下100cm到钢围堰顶部。

6.数值计算

表6-1 内河船舶撞击力标准值

6.1 撞击等效静力计算

船舶与桥梁结构的碰撞过程十分复杂，与碰撞时的环境因素（风浪、气候、水流等）、船舶特性（船舶类型、船舶尺寸、行驶速度、装载情况以及船艏、船壳和甲板室的强度和刚度等）、桥梁结构因素（桥梁构件的尺寸、形状、材料、质量和抗力特性等）及驾驶员的反应时间等因素有关，因此，精确确定船舶与桥梁的相互作用力十分困难[1]。

我国《公路桥梁设计通用规范》[2]中规定：位于通航河流中的桥梁墩台，设计时应考虑船舶的撞击作用，其撞击作用标准值可按下列规定采用或计算。

可能遭受大型船舶作用的桥墩，应根据桥墩自身的抗撞击能力、桥墩的位置和外形、水流流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素，进行桥墩防撞设施的设计。

当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用的标准值可按表6-1选取。

我国《铁路桥涵设计基本规范》[3]对船舶撞击力也给出了计算方法，计算式如下：

式中：F为撞击力（kN）;γ为动能折减系数（s/m1/2），当船只斜向（对墩台法面方向而言）撞击时可采用0.2，正面撞击时可采用0.3；v为船只撞击桥墩时的速度（m/s），对于船只来说，此项速度可采用航运部门提供的数据，对于本案例来说，可以通过分析录像得出船撞击时的速度；α为船只驶近方向与桥墩撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况而定，如有困难，可取α=20o；W 为船舶的重量（kN），C1、C2为船舶的弹性变形系数或桥墩圬工的弹性变形系数，缺乏资料时可假定C1+C2=0.0005m/kN。

美国州公路和交通运输协会于2007年颁布的《LRFD bridge design specifications, 4th edition》[4]中规定，对于通航桥孔的桥墩，船舶对桥墩的等效静态撞击力 FS按下式计算：

式中：DWT 为船舶（包括船体、货物、燃油和水）的总吨位（Mg）；V为船舶对桥墩的撞击速度（m/s）。

依据上述公式，对撞击力进行估算，结果如下表：

表6-2 撞击力计算结果

为安全起见，取中国铁路规范公式计算结果作为撞击力等效静力，对桥墩在撞击力下的响应进行计算。桥梁设计较早，设计规范采用89规范。在设计图纸及设计说明中未找到该桥船舶撞击力设计值，设计说明上设计标准采用内河航道等级一级来设计，查找旧规范，内河航道等级一级对应的设计横桥向撞击力为900kN。本桥本次事故横桥向撞击力比旧规范值大。

6.2 桥墩撞击有限元计算分析

根据相关技术规范估算的船撞击力大小，采用有限元分析软件ANSYS12.0建立桥塔有限元模型，进行数值模拟计算分析。

桥塔及桩基础采用beam188单元，考虑单元剪切变形，承台及塔座采用solid45单元。桥塔混凝土弹性模量取 E=3.45×104MPa；承台及桩基础混凝土弹性模量取E=2.8×104MPa；塔座混凝土弹性模量取E=3.0×104MPa，泊松比μ=0.1667，按线弹性进行计算。有限元模型如图6.1，其中土体对桩基础的约束用m法[5]来模拟，桩基深入岩层部分采用固结约束。梁单元与实体单元采用刚臂进行连接。

桥塔及桩基础在撞击力作用下的位移见图 6.2，其中，塔顶横桥向位移为2.54mm，顺桥向位移为 0.98mm；支座处横桥向位移为 1.97mm，顺桥向位移为3.63mm；墩底横桥向位移为1.87mm，顺桥向位移为0.63mm；承台横桥向位移为3.66mm，顺桥向位移为3.67mm；桩基础最大横桥向位移为3.30mm，顺桥向最大位移为3.28mm。

图6.1 桥塔有限元模型

图6.2 撞击力作用下，结构位移

桥塔及桩基础在撞击力作用下的最大拉应力分布如下图：

图6.3 撞击力作用下，横桥向拉应力图

图6.4 撞击力作用下，纵桥向拉应力图

自重、上部结构传递荷载及撞击力作用下，桥塔及桩基础最小压应力分布图如下：

图3.5 纵桥向压应力分布图

图3.6 横桥向压应力分布图

图6.7 横桥向剪应力分布图

图6.8 纵桥向剪应力分布图

由上图可见，桥塔在撞击力作用下，桩基础端部出现最大拉应力为1.40MPa；在桥塔及桩基础在自重及上部结构传递的荷载作用下，轴向压应力较大，与撞击力产生的应力叠加后，桥塔及桩基础均不会出现拉应力。桥塔及桩基础在撞击力作用下的最大剪应力为0.66MPa，剪应力较小。计算表明，桥塔及桩基础在撞击力作用下，应力分布在规范允许的范围内。

7.结论

本次事故造成白沙洲大桥2号桥墩承台混凝土出现严重破损露筋，且部分区域钢筋外露较多，钢筋变形严重，综合桥面线性、主塔偏位监测结果、有限元计算结果及其它外观检查结果，认为本次事故未对桥梁安全运营构成实质性的损害，桥梁处于安全正常工作状态，但此事故造成的桥梁损伤对结构耐久性有较大影响，给桥梁结构安全造成隐患，应尽快组织维修。

[1]夏超逸. 撞击荷载作用下车桥系统的动力响应及高速列车运行安全研究[D].北京交通大学, 2012：35-41.

[2]中交公路规划设计院. JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[M]. 中华人民共和国交通部,2004:36.

[3]铁道第三勘察设计研究院. TB10002.1 -2005铁路桥涵设计基本规范[M]. 中国铁道出版社,2005:30-31.

[4] AASHTO I.RFD.AASHTO LRFD bridge design specifications [S]. Washington, D.C. 1991.American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007.

[5] 中交公路规划设计院有限公司. JTG D63 -2007公路桥涵地基与基础设计基本规范[M]. 中华人民共和国交通部,2005:83-98.

李泽新（1988-），男，助理工程师，2006年毕业于太原理工大学土木工程专业，工学学士，2013年毕业于北京交通大学桥梁工程专业，工学硕士。

TU714

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1007-6344（2016）03-0240-02

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