规划航道桥梁抗撞性能研究

江二中,刘耀凤

(1.广西北部湾投资集团有限公司,广西 南宁 530029;2.广西北投交通养护科技集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

桥梁是跨越山川、低谷与河流等障碍物的结构物,亦是交通网络中重要的枢纽。然而,于河流中的船舶而言,桥梁却成为了阻碍船舶通行的障碍物。据统计,1960—2002年间,世界上至少有31座桥梁因船舶撞击倒塌,至少342人死亡,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。而我国在1960—2004年,船撞桥事故至少发生了251起,其中1998年龙港大桥被一艘油轮撞塌,导致4人死亡、1人受伤,桥梁重建费用为800万元;2000年广东省东江流域一艘载客船撞击黎咀大桥后翻沉,致使船上44人全部落水,6人死亡、2人重伤,造成了十分恶劣的社会影响及严重的经济损失。船撞桥梁安全事故频发,我国水路运输量亦不断上升,亟须根据航道流量及桥梁抗撞性能对各桥梁的现状通航等级进行规划提高等级,并对桥梁抗撞性能进行评估,以保障桥梁的使用寿命和人们的出行安全。

本文以白沙大桥为工程背景,评估其抗撞性能是否满足规划航道的抗撞要求,明确桥梁抗撞性能的分析流程,为需要提升航道等级的桥梁提供借鉴。桥梁抗撞性能的具体分析流程如图1所示。

图1 桥梁抗撞性能分析流程图

1 桥梁抗撞性能标准

根据我国《公路桥梁抗撞设计规范》[1]的规定,桥梁抗撞设防目标分为3个等级(P1、P2、P3),应通过船撞重要性等级和船撞作用设防水准确定。其中桥梁的船撞重要性等级应按照所属公路等级和桥梁分类选取,如表1所示。对于有特殊要求的桥梁,其船撞重要性等级可根据具体情况研究确定。

表1 桥梁的船撞重要性等级表

由表2可知,桥梁的抗撞性能设防目标还需通过船撞作用设防水准进行确定。对于一般桥梁,整桥的最大年倒塌概率应<1×10-3,船撞作用设防水准取L1;对于重要桥梁,整桥的最大年倒塌概率应<1×10-4,船撞作用设防水准取L2。

表2 桥梁的抗撞设防目标表

桥梁结构的抗船撞性能等级应按表3取用,构件的抗船撞性能等级应按表4取用。

表3 桥梁结构的抗船撞性能等级表

表4 桥梁构件的抗船撞性能等级表

2 桥梁船撞力计算方法

船舶撞击桥梁是能量变化的过程,其碰撞力随着碰撞过程的推进而不断发生变化。目前各国采用简化经验公式计算船撞力,即考虑船撞力对桥梁的作用时将其等效为静力。简化经验公式是基于能量交换原理、冲量原理、船桥碰撞试验以及大量的实际碰撞数值统计等拟合出计算船撞力的等效静力方法[2]。目前认可度较高的船桥碰撞力等效静力计算规范主要为:《公路桥梁抗撞设计规范》、美国ASSHTO规范[3]、《公路桥涵设计通用规范》[4]以及《铁路桥涵设计基本规范》[5]。我国常用采用《公路桥梁抗撞设计规范》来计算桥梁船撞力,见式(1):

F=α·η·γ·V·[(1+CM)·M]0.62

(1)

(2)

式中:α——轮船撞击力系数,取0.033;

η——几何尺寸的修正系数;

γ——撞击角度的修正系数;

V——船舶撞击桥梁的速度(m/s);

CM——附连水质量系数,船撞正撞时宜取0.1～0.3,侧撞时宜取0.45～0.5;

M——船舶载满货物时的排水量(ton);

ΔH——被撞体厚度(m);

HS——船艏高度(m);

β——为统计系数,取4.0。

3 桥梁抗撞性能验算

桥梁抗船撞性能评估是设置桥梁防撞设施的前提,是车辆安全通行的保障。我国对桥梁船撞效应和桥梁船撞性能指标做出了规范要求,桥梁受到大船撞击后应通过强度验算的方式对桥梁抗船撞性能进行评估。

3.1 抗弯承载力计算

《公路桥梁抗撞设计规范》中指出,轴压比<0.5,且剪跨比为1.5以上的钢筋和钢筋混凝土柱式构件的弯曲性能应按图2进行验算,弯曲变形性能等级的界限值θd可按式(3)进行计算,其他钢筋混凝土柱式构件的弯曲性能应进行专门研究。

图2 弯矩与转角关系曲线图

(3)

θpu=(φu-φy)Lp

(4)

式中:K——构件极限塑性转角的安全系数,取1.5;

α——构件性能等级系数,按规范进行取值;

θpu——构件塑性区的极限塑性转角(rad);

φu——塑性铰区极限曲率(m-1);

φy——塑性铰区屈服曲率(m-1);

LP——塑性铰长度(m),Lp=1.0H,H为计算方向截面高度。

3.2 抗剪承载力计算

《公路桥梁抗撞设计规范》中给出了钢筋构件抗剪承载力Vyd的计算公式,本文采用式(5)对墩柱关键截面进行抗剪能力计算分析。

Vyd=φs(Vcd+Vwd)

(5)

式中:Vcd——混凝土部分的抗剪承载力设计值(kN);

Vwd——箍筋部分的抗剪承载力设计值(kN);

φs——抗剪冲击效应折减系数,取0.7。

4 工程分析

4.1 工程概况

本文以白沙大桥为工程依托进行规划航道桥梁抗撞性能分析。其主桥全长395.0 m,主孔为2×122.5 m门式索塔,主梁为π型截面预应力混凝土梁,梁高2.0 m,横梁间距为5.0 m。直线门型桥塔高69.0 m,两边对称分布22对扇形拉索,桥面索间距为5.0 m。设计荷载等级为汽车-超20级、挂车-120,人群荷载为3.5 kN/m2。本桥设计采用单孔双向通航,主通航孔为SZ#～NZ#墩。现状航道等级下最高通航水位标高为76.63 m,最低通航水位标高为67.05 m,满载排水量为1 500 t。为了适应不断提升的船舶流量及墩量,将原Ⅲ级航道规划为Ⅱ级航道。Ⅱ级航道最高通航水位标高为77.8 m,最低通航水位标高为67.05 m,满载排水量为2 500 t。

4.2 抗撞性能参数

白沙大桥属于大型重要工程,投资大,使用年限长,应尽量减少大桥受船舶撞损的风险,故桥墩采用1×10-4的撞损频率。本研究工作中白沙大桥船撞设防水准为L2,桥梁船撞重要等级为C1级,由表2可知,白沙大桥的抗船撞设防目标为P1等级,各构件的抗船撞性能等级为JX1,要求桥梁构件在碰撞后正常工作,无须维修。

船舶撞击方向与桥轴线法向平行,撞击角度为0°交角正向撞击,计算时间为3 s;船速根据《公路桥梁撞击设计规范》规定的船舶撞击速度曲线进行取值,为4.2 m/s。由于该桥桥型对称,本文仅以最具代表性的桥墩ZZ#墩作为研究对象,采用2 000 t的代表船型吨位进行规划航道桥梁抗撞性能分析。

4.3 有限元模型的建立

运用Midas Civil软件进行建模,全桥均采用梁单元进行模拟,主梁采用C50混凝土的参数,材料本构模型取为弹性本构;桥塔采用C50混凝土的参数,主墩采用C30混凝土,材料本构模型取为弹性本构;桩基础的材料参数为C25混凝土,以弹性梁单元进行模拟。全桥共建立955个梁单元以及88个桁架单元,得到如图3所示的有限元模型。

图3 全桥船撞分析有限元模型图

4.4 桥梁船撞效应

根据《公路桥梁抗撞设计规范》的船撞力计算方法,得到规划Ⅱ级航道的船舶撞击桥墩的力为15.1 MN,将计算所得的船撞力施加于有限元模型,获得ZZ#墩桥梁船撞效应如图4所示。

(a)高水位弯矩(kN·m)

由图4可得,河流处于高水位状态的最大弯矩效应值为-142 877.12 kN·m,最大剪力效应值为-19 190.75 kN;河流处于低水位状态的最大弯矩值为-182 838.34 kN·m,最大剪力效应值为-28 548.02 kN。根据最大弯矩和最大剪力的受力位置可知,无论河流处于高水位或低水位状态,船舶撞击桥墩时,最不利弯矩和最不利剪力的受力位置均为桥墩的中下部分。原有航道等级的提升使得船舶的吨量随之增加,导致河流高水位对船舶的影响较小,撞击时仍与低水位撞击桥梁的部位接近。

4.5 桥梁抗撞性能验算

本节通过抗弯承载力以及抗剪承载力两个方面评估规划Ⅱ级航道下桥梁的抗撞性能。若船撞效应值均满足截面抗弯承载力以及抗剪承载力要求,说明桥梁的抗撞性能良好,提升航道等级后无须增设抗撞设施;否则桥梁抗撞性能较差。

通过《公路桥梁抗撞设计规范》计算可得桥梁的抗弯和抗剪承载力分别为207 200 kN·m和7 346 kN。其抗撞性能验算结果如表5所示。在规划Ⅱ级航道等级下,桥墩的抗弯承载力均能抵御船舶在高水位和低水位行驶过程中对桥梁的撞击。

表5 桥墩船撞弯矩效应和剪力效应验算结果表

桥墩的剪力承载力值与船舶撞击桥梁的剪力效应值差距较大。船舶在高水位状态下撞击桥墩的剪力效应值比剪力承载力值高1.6倍;船舶在低水位状态下撞击桥墩的剪力效应值比剪力承载力值高2.9倍。

该桥的抗弯承载力满足抗撞强度验算,然而抗剪承载力远不足以抵抗规划Ⅱ级航道下2 000 t船舶撞击桥墩的撞击力,因此该桥的抗撞性能较差,需增设相应的抗撞设施,适应不断增加的船舶流量和吨量,以保障桥上行人及船舶的安全。

5 结语

(1)本文明确了桥梁抗撞性能的分析流程,先确定桥区航道、通航安全性、船型模型及桥梁的基本参数,根据基本参数选择桥梁抗撞性能标准,计算船撞力,并施加于有限元模型中获取最大弯矩效应和最大剪力效应,最后通过抗弯承载力和抗剪承载力验算其强度是否通过,通过则说明桥梁抗撞性能良好,否则较差。

(2)当规划航道的等级远高于桥梁所处的原航道等级时,船舶对桥墩的撞击损坏面位于中下部位。

(3)白沙大桥在规划Ⅱ级航道等级中受到2 000 t的船舶撞击时,其抗撞性能较差,抗剪效应值几乎高出抗弯承载力两倍,无法抵抗船舶撞击时所产生的抗剪效应,桥墩造成抗剪破坏。若要提升该桥的航道等级,需有针对性地增设防撞设施。