斜拉桥抗船撞计算与分析

谌河水 江西华道工程技术有限公司

伍昕茹 江西建设职业技术学院

1.引言

我国每年严重的桥梁船撞事故数目呈上升趋势，船撞桥事故在世界各地一直在不断发生，船撞桥事故的频率远比想象的更高。很多船撞桥事故轻则损失数万元，重则人员伤亡、损失以数百万、数千万甚至数十亿美元计，大量的间接损失更是难以计算。

本文依托《交通运输部办公厅国家铁路局综合司 国铁集团办公厅关于印发船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案的通知》及《江西省船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动领导小组关于印发赣江、信江区段通航代表船型船队的通知》，对跨越赣江的新井冈山大桥进行抗船撞计算与分析。分析了在船撞击力作用下桥梁的抗船撞性能。桥梁上、下游通航孔照片如图1～2所示。

图1 桥梁上游通航孔

图2 桥梁下游通航孔

2.有限元研究方法

船桥撞击过程中船舶的计算模型的外形和尺寸参考《江西省船舶碰撞桥梁隐患治理自查评估赣江、信江区段通航代表船型船队》中新干枢纽至赣州水尺区段的通航代表船型。船舶计算模型的主要尺寸可见表1。桥区范围内船的平均行驶速度取2.5m/s。

表1 船舶的主要参数

本文应用有限元LS-DYNA软件计算了桥梁结构总体、局部受力及结构位移、内力的动态响应。船舶计算模型由两部分组成，分别为船艏碰撞区域和后面部分船体。由于碰撞过程中的碰撞区域在船头，所以对于该部分计算模型做了比较精细的描述，见图3～4。

图3 船舶撞击位置网格

图4 整船模型

几何模型有限元离散采用ANSYS APDL完成，单元数目总共270万，混凝土实体结构采用solid164单元，最小网格尺寸0.3m。钢筋采用link160单元，最小尺寸0.6m。拉索采用link167单元，最小尺寸0.5m。桥梁结构有限元模型局部网格如图5～6所示。

图5 新井冈山大桥几何模型

图6 新井冈山大桥有限元模型局部网格

船舶撞击位置根据通航水位以及吃水深度确定，船舶撞击主塔位置如图7所示。由于新井冈山大桥9、11号墩与10号墩不一致，故还需要考虑船舶撞击9号或者11号墩的情况，船舶撞击11号墩位置如图8所示。

图7 船舶撞击主塔位置

图8 船舶撞击11号墩位置

斜拉桥混凝土主要材料等级见表2。混凝土弹性模量、密度、泊松比等材料属性根据不同混凝土等级确定。

表2 混凝土材料表

3.船舶撞击主塔仿真结果分析

主塔及下部结构剪切应力云图时程变化如图9所示。从图中可以看出，在碰撞过程中撞击处的剪切应力较大5.67Mpa～9.077Mpa。碰撞结束后，主塔与塔座连接位置剪切应力较大在1.873Mpa～2.621Mpa之间。对于C30混凝土容许剪应力为2.85Mpa，因此主塔被撞击区域易发生剪切破坏。

图9 主塔及下部结构剪切应力时程变化(t=0.52s、0.88s、0.96s、1.28s)

主塔及下部结构第一主应力云图时程变化如图10所示。图中可以看出，碰撞过程及碰撞结束后主塔与塔座连接处的第一主应力值比其他位置大，最大可达到8.383Mpa左右。对于C30混凝土的容许拉应力为2.01Mpa，因此主塔与塔座连接处易发生拉伸破坏。

图10 主塔及下部结构第一主应力时程变化(t=0.52s、0.76s、0.96s、1.28s)

主塔与塔座连接处的截面上第一主应力云图如图11所示，其值在3.3Mpa～4.812Mpa之间，可以看出易发生拉伸破坏区域较大。

图11 主塔及下部结构连接处截面第一主应力云图(t=0.92s)

4.船舶撞击边墩仿真结果分析

边墩剪切应力云图时程变化如图12所示。从图中可以看出，边墩大多数区域剪切应力在2.42Mpa以下。在支座处、撞击位置以及桥墩和承台连接处剪切应力较大，均大于C30混凝土容许剪应力值2.85Mpa，因此支座处、边墩被撞击区域以及桥墩和承台连接处易发生剪切破坏。

图12 边墩剪切应力时程变化

边墩第一主应力云图时程变化如图13所示。图中可以看出，碰撞过程及碰撞结束后桥墩及承台连接处第一主应力值比其他位置大，远大于C30混凝土的容许拉应力2.01Mpa，因此桥墩及承台连接处易发生拉伸破坏。

图13 边墩第一主应力时程变化

边墩顺桥向截面在t=0.68s时刻的剪切应力和第一主应力云图如图14和15所示。从图中可以看出边墩在撞击位置、桥墩与承台连接处易发生剪切破坏区域大小。以及桥墩和承台连接处发生拉伸破坏的区域大小。

图14 边墩顺桥向截面剪切应力云图

图15 边墩顺桥向截面第一主应力云图

5.分析结论

对于船舶撞击主塔，在撞击位置产生了较大剪切应力，因此易发生局部剪切破坏。在主塔与塔座连接处第一主应力较大，易发生局部拉伸破坏。

对于船舶撞击边墩，边墩被撞击区域以及桥墩和承台连接处存在较大剪切应力，因此易发生局部剪切破坏。桥墩及承台连接处同样容易发生局部拉伸破坏。