跨内河航道城市桥梁抗撞性能评估

李旸

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司，广东广州 510500）

桥梁作为跨越航道的主要结构物，在沟通两岸交通的同时，还应保障航道正常通行不受影响。因此在桥梁设计初期，应充分收集航道水文资料、航道整治资料、通行船舶资料等，通过设置合理的通航净空尺度，确保船舶航行安全。但船舶在通行时，不可避免地会出现由于机械故障或人为因素而发生偏离航道的情况，进而产生撞击桥梁的可能性。一般情况下，桥梁上部结构遭遇船舶碰撞的风险概率较低。据不完全统计[1]，自20 世纪60 年代至21 世纪初期中国主要发生的172 起船撞桥事故中，碰撞下部结构的事故为133 起，占77%；碰撞桥墩防撞装置的事故为17 起，占10%；碰撞上部结构的事故为22 起，占13%。可见桥梁下部结构是船舶撞击的主要风险点，需要对其抗撞性能进行评估，并为抗撞性能不满足的桥梁结构增设防撞缓冲设施[2-4]。

1 背景介绍

一般情况下，船舶撞击力可采用等效静力法和动力分析法2 种方式进行模拟。其中，等效静力法是假定船舶将对桥梁墩台撞击作用的有效动能全部转化为静力功，并考虑经验系数计算得出了船舶撞击作用力值。这种简化计算方式未将冲击动力效应考虑在内，撞击作用点一般假定位于计算通航水位线以上2 m 的桥墩宽度或长度的中点。

但工程实例表明，船舶的冲击动力效应对桥梁结构影响不能被完全忽略，一些情况下会产生工程设计不可接受的误差，因此有必要采用动力分析方法对船舶撞击效应进行分析。《公路桥梁抗撞设计规范》中提出，桥梁主体结构船撞效应宜采用质点碰撞方法或强迫振动方法计算。质点碰撞方法[5]是将船舶撞击作用假设为质点弹簧模型，考虑撞击力与撞深参数关系，通过概率统计提取样本值并进行二次抛物函数修正，最终确定撞击力-撞深模型。强迫振动方法则是将船舶撞击作用假设为强迫力模型，使用质量-弹簧体系模拟船桥碰撞作用，通过施加外部振动激励，迫使桥梁主体结构参与受力。

2 工程案例

某桥跨越内河河道，设计安全等级为一级，最大跨径为145 m，规划航道等级为III 级，采用单孔双向通航，最高通航水位为39.2 m，最低通航水位为32.66 m。涉航桥墩共2 个，分别为P3、P4 墩。P3 墩承台采用整体式矩形结构，顺桥向宽度为15.0 m，承台高4.5 m。承台下设置24 根直径为2.5 m 的钻孔灌注桩，呈3 行8 列矩阵式排列，顺桥向桩间中心距为5.5 m，横桥向桩间中心距为6.05 m。P4 墩墩身采用整体式花瓶型结构，墩底部截面尺寸为8.0 m×2.6 m，承台外轮廓尺寸为14.5 m×9.5 m×4 m，其下设置6 根直径为2.5 m 的钻孔灌注桩基础，顺桥向及横桥向桩间中心距均为5 m。

2.1 船舶撞击力

当与桥梁发生碰撞时，船舶撞击力与船舶满载排水量、船舶撞击速度等相关。根据航道规划等级，取1 000 t 级货船验算船舶满载排水量。根据船舶在航道内的正常行驶速度、航道中心线至桥墩的距离及船舶长度确定船舶撞击速度。

根据对已发生事故的调查，桥墩离航道中心线越远，偏航船舶与桥墩相撞时的速度越小；当桥墩与航道中心线的距离足够大时，船舶撞击桥墩时的速度近似为船舶随水流漂流的速度；当桥墩与航道中心线的距离较小时，船舶撞击桥墩时的速度近似为船舶在航道中的正常行驶速度。本工程实例中，船舶撞击速度为2.92 m/s。

采用动力计算模型对船舶撞击作用进行分析，船舶撞击力时程根据强迫振动方法确定。由此确定的船舶撞击力时程曲线如图1 所示。

图1 船舶撞击力时程

2.2 计算模型

采用有限元MIDAS/Civil 进行桥梁建模计算。模型考虑桩土作用[6]，使用节点弹性支承建立土弹簧以模拟桩土效应，土弹簧线刚度值采用“m 法”进行计算，钢筋混凝土结构的阻尼比取5%。根据前文得到的时程曲线，在模型中采用直接积分法进行动力时程分析。整个船撞过程分为100 个时间步，逐步分析结构响应。建立的全桥有限元模型如图2 所示。

图2 有限元模型

2.3 抗撞性能验算

在发生船舶撞击时，桥梁下部结构一般发生破坏的位置在墩底及桩顶这2 个关键截面，其中墩底截面的破坏形式主要表现为剪切破坏，桩顶截面的破坏形式主要表现为剪切破坏和弯曲破坏。因此取墩底截面及最不利单桩的桩顶截面作为验算截面，对桥墩与桩基的抗剪强度、抗弯强度、弯曲变形性能及桩基础整体稳定性分别进行验算，综合评估桥梁下部结构的抗撞性能。

桥梁的船撞重要性等级为C1 级，按两水准船撞作用设计，船撞作用设防水准为L2 级，抗船撞设防目标为P1 级，构件抗船撞性能等级为JX1 级。

荷载组合取船舶撞击的偶然组合设计值，考虑恒载、汽车荷载、流水压力及船舶撞击力作用，计冲击效应，其中汽车荷载的分项系数为0.4，其余各类作用的分项系数取为1.0。以P3 墩为例，给出抗撞性能验算过程。

2.3.1 抗剪强度验算

根据数值模型计算结果及截面抗剪承载力计算结果，取最不利情况，墩底截面和桩顶截面在船舶撞击时的横桥向剪力偶然组合效应值和截面抗剪承载力效应值的对比结果如表1 所示。可以看出，墩底截面和桩顶截面的剪力偶然组合值均未超过截面的抗力效应值，且安全系数均在10.0 以上，抗剪承载力满足要求。

表1 截面剪力验算结果

2.3.2 抗弯强度验算

基于（无）约束混凝土及钢筋的本构关系，并结合墩柱和桩基的混凝土材料属性、钢筋材料属性和配筋情况，计算得出墩底截面和桩顶截面的轴力-弯矩关系。

根据数值模型计算结果，取最不利情况，墩底截面和桩顶截面在船舶撞击时的弯矩偶然组合设计值和轴力偶然组合效应值与轴力-弯矩曲线的对比结果如图3 所示。可以看出，墩底截面和桩顶截面的轴力-弯矩偶然组合效应值在截面轴力-弯矩曲线范围内，抗弯承载力满足要求。

图3 轴力-弯矩曲线

2.3.3 弯曲变形性能验算

基于（无）约束混凝土及钢筋的本构关系，并结合墩柱和桩基的混凝土材料属性、钢筋材料属性和配筋情况，计算得出墩底截面和桩顶截面的弯矩-转角关系。采用理想弹塑性模型进行钢筋混凝土构件的弯矩-转角关系分析，假设构件的转角限值等于其塑性铰区等效屈服转角，即构件截面的弯矩设计值不超过截面等效屈服弯矩时，截面将处于弹性工作状态。基于该理想假定，对实际计算得出的弯矩-转角曲线进行拟合。

根据数值模型计算结果，取最不利情况，墩底截面和桩顶截面在船舶撞击时的弯矩偶然组合效应值与弯矩-转角曲线的对比结果如图4 所示。可以看出，墩底截面和桩顶截面的弯矩偶然组合效应值均没有超过截面等效屈服弯矩，弯曲变形性满足要求。

2.3.4 桩基础整体稳定性验算

对于性能等级为JX1 的构件，要求它在船舶撞击偶然组合作用下，承台质心处的位移不得超过一根桩屈服对应的承台质心处位移，即满足桩基础稳定性指标。

根据桩顶截面弯矩-转角曲线可知，其验算截面弯矩设计值未超过截面等效屈服弯矩。表明在船舶撞击的偶然组合作用下，桩身未出现屈服指征，桩基础整体稳定性满足要求。

3 结束语

采用强迫振动方法的动力模型对船舶撞击桥梁进行模拟，通过抗剪强度、抗弯强度、弯曲变形性能及桩基础整体稳定性验算，评估桥梁下部结构的防撞能力。计算结果显示，在1 000 t 设防代表船型撞击下，P3 桥墩及桩基的抗撞性能可以满足要求。但从长远规划以及增加安全富余度考虑，建议适时对桥梁涉航桥墩增设柔性防撞设施，降低或消除船舶碰撞风险。