船舶撞击力作用下桥墩安全性评价

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1、船舶撞击力作用下桥墩安全性评价【摘要】基于有限元方法对一船舶撞击连续梁桥墩安全性进行了计算分析，分析了不同上部结构约束、不同冲刷深度下桥墩的受力特性。结果表明上部结构的约束作用对承台和桩体的受力变形特性有明显改善，承台周围河床的冲刷深度对桥梁下部结构受力变形特性影响明显，冲刷深度的加大减弱了桥梁下部结构承受撞击能力。关键词：撞击力；桥墩；安全性；有限元0引言跨河流、海湾（海峡）修建桥梁，是为了通达陆路交通。但对于水上船舶来说，桥梁却是人工障碍物。一方面，桥梁成为一种水上的碍航物，给船舶的安全航行增加了难度，尤其在洪水等恶劣自然条件下构成

2、威胁。另一方面，由于存在着船撞桥的危险，船也对桥构成了威胁。统计数字显示，近几十年来世界上发生的船舶撞毁桥梁的事故已经越来越多。近年来，随着国家交通建设的发展，我国跨越江、河、湖、海的大中桥、特大桥在逐年增多。这些大桥的修建，使得大江南北的陆路交通条件得到了极人的改善，对我国南北纵向公路和铁路干线的畅通、区域经济的发展等都起到了极大的促进作用。与此同时船运流量、船运吨位也在逐年增大，船和桥的才盾也不可避免地发生。桥梁墩、台受船舶撞击的事故时常发生，对桥梁安全、交通顺畅威胁很大。因此，船桥撞击理论与撞击后桥墩各种性能的评价是具有广泛意义的

3、课题。[1・3]1船舶撞击力计算方法根据目前的研究成果，船撞力的计算方法共有十儿种，这里介绍其屮比较典型、乂比较实用的5种。（1）铁路规范式中：—动能折减系数，正向撞击取0.3；v—船只撞击墩台速度；—船只与墩台撞击面的夹角；w_船只的重量（满载排水量）;Cl,Cl—船只的弹性变形系数和墩台坊工的弹性变形系数，缺乏资料时取Cl+C1=0.0005o(2)公路规范[3・4]式中：w—满载排水量加附加连水质量，取系数1.1；v—船只撞击墩台时的速度；t—冲撞时间；g—重力加速度9.8m/s2o(3)美国AAS

4、HTO规范[5]一般地，对于通航桥孔的桥墩，船舶对桥墩的正面撞击力，可按下式计算，即式中：v—船舶撞击速度(m/s)；DWT—船舶质量(t)(4)《挪威桥梁载荷规范》挪威规范船撞力采用如下公式计算，即式中：DWT—船舶质量；V—船舶航速。与美国规范基本相似。2案例分析图1受撞击桥墩某桥为五跨预应力混凝土连续梁桥。主桥桥墩墩身和承台都采用C50混凝土，其屮墩身高为25.306m,承台高为2.5m。主桥基础为钻孔桩，采用C30混凝土，桩径为1.8m,每墩布置3排，每排6根桩，桩长为67mo本桥地处入海口，常年冇大吨位船只从桥下通过，在建成运

5、营期间曾发生多起船舶撞击事故。某日凌晨，该桥主桥32#桥墩被一艘重约为lOOOt的轮船正面撞击，撞击后情况如图1所示。3有限元仿真模拟分析采用有限元软件对本船舶撞击桥墩模型和桥梁上部结构进行模拟，全桥有限元模型如图2。图2全桥有限元模型模型考虑了上部结构和墩身及其基础共同作用，11考虑上部结构传递到墩顶的竖向集中力和汽车偏载最不利效应。上部连续箱梁结构对墩顶的约束作用和桥侧土体的横向抗力用等效弹簧支承模拟。有限元模型如图3所示。图3承台群桩基础有限元计算模型图4上部结构及土侧压力弹簧模拟表3各国规范计算撞击力规范铁路规范公路规范AASH

6、TO规范挪威规范撞击力（kN）4861476943484779考虑桥梁上部结构对桥墩及其基础共同作用下的结构计算模型如图4所示，其屮K0为上部结构的横向刚度，由于桥梁支座在船只撞击吋未发生滑移或错位，按照上部多跨连续梁结构冇限元模型，算出墩顶处连续梁的橫向刚度得K0=1.2xl05kN/moK1〜Kn按基础的实际冲刷线由m法计算得出，桩侧土m取值见表1,模型参数如表2。桩身设计冲刷线以下深度为64.00mo船舶撞击力的按照各国规范进行了计算，计算结果如表3所示，由表3可以看出，各国规范计算的船舶撞击力的大小差别并不是很明显，因此木次计算

7、采用我国公路规范进行桥梁安全性评价。4计算结果采用两种有限元模型进行计算，一种为考虑了上部结构与承台群桩基础共同作用，一种不考虑上部结构与承台群桩基础共同作用，对两种计算模型计算的结果进行比较。表1桩侧土m取值第一层第二层第三层第四层土质淤泥粘土淤泥粘土细砂圆砾土深度(m)0〜1212〜3636〜4444〜64m取值(kN/m4)4x1035x1038x10360x103注：以最大冲刷线高程为0表2模型参数取值桩计算宽度(ni)上部集中力(kN)撞击力(kN)车道偏心距(m)上部结构约束刚度(kN/m)参数取值1.9340180.947

8、693.651.2x105表4两种上部约朿模型位移及应力比较墩顶位移(mm)承台位移(mm)桩顶位移(mm)桩体最大拉应力(Mpa)桩体最大压应力(Mpa)无上部约束4.384.324.281.374.64