钢拱桥抗船撞计算与分析

谌河水，伍昕茹

（1.江西华道工程技术有限公司，江西 南昌 330003；2.江西建设职业技术学院，江西 南昌 330209）

0 引言

船撞桥事故在世界各地时有发生，据国际统计资料表明，船撞桥梁是仅次于洪水造成桥梁倒塌的第二大原因，损失更是难以估计[1]。

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》（交办水〔2020〕69号）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》（赣交港航字〔2021〕38号），对跨越赣江的吉安大桥进行抗船撞计算与分析。

1 工程概况

吉安大桥是吉安市跨越赣江的一座桥梁，桥梁全长1 744.9m，孔跨布置形式为（4×30m）+（31.4m+31m）+（3×40m）+（36m+138m+188m+138m+36m）+（4×40m）+（5×40m）+（5×20m）+（6×20m）+（16×20m）。主桥为36+138+188+138+36=536m中承式系杆拱式桥，通航孔为布置于深槽位置的中间（11#～12#墩）单孔双向通航。根据拱桥的受力特点，中主墩垂直反力较大，通过计算比较，采用相同规模的主墩形式，主墩墩身平面尺寸为5m×8m。拱座采用钢筋混凝土结构，主墩采用群桩基础，每条拱肋对应的单个主墩基础采用6根直径2.5m的钻孔桩，桩基采用嵌岩桩的模式设计，主墩桩基要求嵌入微风化岩石深度不小于15m，承台平面尺寸14m×9m，承台高度4m，两承台之间设一根横梁，横梁断面尺寸为3m×4m。本文将分析桥墩在船撞击力作用下的抗船撞性能。桥梁上、下游通航现场孔照片如图1～图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。船舶类型为散货船，总长85m，型宽10.5m，型深8.5m，设计吃水2.0m，重量3 000t。桥区范围内船的平均行驶速度取2.5m/s。

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[2]。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[3]。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～图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[4]，单元数目总共290万，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。吊杆采用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 吉安大桥几何模型

船舶撞击位置根据通航水位以及吃水深度确定，船舶撞击桥墩位置如图7所示。

图6 吉安大桥有限元模型局部网格

图7 船舶撞击桥墩位置

船桥撞击属于大变形、高压、高应变问题，在材料模型的选取过程当中，还必须考虑失效以及应变率的影响。应变率是表征材料快速变形的一种度量，应变对时间的导数。为了考虑应变率对材料屈服强度的影响，则在材料中采用了Cowper-Symonds模型，其中参数C=40.4，P=5.0。并且模型中还考虑了动摩擦系数和静摩擦系数，由于船桥撞击的速度比较小不属于高速撞击，因此可以认为动摩擦系数和静摩擦系数等值。在高能碰撞过程中，船首部分会发生非常大的变形，当变形值达到一定程度的时候，船体结构会因为延性耗竭而破裂。因此在仿真过程中必须考虑材料的失效，如果不考虑失效的话LS-DYNA在计算过程中，由于单元不失效产生非常大的变形从而使单元变得更小从而增大最小时间步长，导致计算时间的增大。在Cowper-Symond材料模型中会自带材料的失效准则，一般钢材的失效应变取为0.35。

混凝土主要材料等级为：主墩墩身为C50混凝土，桥面板为C40混凝土，承台为C30混凝土，桩基为C30水下混凝土。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。

3 船舶撞击桥梁结构仿真结果分析

桥墩所受撞击力时程变化如图8所示。桥墩顶部、桥墩与承台连接处、承台与桩基础连接处船舶碰撞方向位移时程曲线如图9～11所示。从图中可以看出，桥墩顶部位移响应最大值小于0.02m，随着高度降低位移响应逐渐减小，表明桥墩刚度对于撞击力来说足够大。

图8 船舶撞击桥墩撞击力时程曲线

图9 桥墩顶部位移时程曲线

下部结构剪切应力云图时程变化如图12所示。从图中可以看出，撞击过程中下部结构大多数区域剪切应力很小。在撞击位置、桥墩和承台连接处、承台和桩基连接处剪切应力较大，均大于C30混凝土容许剪应力值2.85MPa，因此撞击位置、桥墩和承台连接处、承台和桩基连接处易发生剪切破坏。

图12 下部结构剪切应力时程变化

下部结构第一主应力云图时程变化如图13所示。图中可以看出，碰撞过程桥墩及承台连接处第一主应力值比其他位置大（大于7.87MPa），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 下部结构第一主应力时程变化

拱圈钢管部分第一主应力云图时程变化如图14所示。图中可以看出，最大值主要分布在拱圈的下部并且随着撞击过程而位置发生改变。第一主应力最大值小于13.85MPa，其远小于钢材许用应力125MPa。因此船舶撞击桥墩过程对拱圈钢管影响较小。

图14 拱圈钢管部分第一主应力时程变化

拱圈混凝土部分第一主应力云图时程变化如图15所示。图中可以看出，最大值主要分布在拱圈的下部并且随着撞击过程而位置发生改变。第一主应力最大值为2.446MPa，其小于C50混凝土容许拉应力2.64MPa。因此船舶撞击桥墩过程对拱圈混凝土部分影响较小。

图10 桥墩与承台连接处位移时程曲线

图11 承台与桩基础连接处位移时程曲线

图15 拱圈混凝土部分第一主应力时程变化

4 结论

（1）船桥碰撞过程中，下部结构产生的位移较小，表明桥梁结构整体抗船撞刚度较大。

（2）撞击位置、桥墩和承台连接处、承台和桩基连接处易发生局部剪切破坏。桥墩及承台连接处易发生局部拉伸破坏。

（3）船桥碰撞过程中，桥墩不会发生整体剪切破坏。