桥墩设计遭受撞击力时的影响荣晓辉

桥墩设计遭受撞击力时的影响荣晓辉

荣晓辉王志凌

阜新市通达公路设计咨询有限公司123000

摘要：重点对船桥碰撞的计算方法进行了的阐述，并结合实际工程应用空间有限元软件对桥墩受撞击力进行模拟，为公路桥涵设计积累一些经验

关键词：撞击力；空间有限元法；防撞验算

1.前言

社会的发展，公路的畅通，交通运输业的不断发达，一个综合的立体运输体系正在国内迅速发展。船舶、汽车交通量增大，因而受船舶撞击而引发的桥梁垮塌事件正在日益增多。这类事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失，严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果，带来巨大的经济损失。因此，合理确定防撞设计标准及配套的安全设施，显得紧迫而必要，开展船桥碰撞的研究具有十分重要的意义[1]。

船舶与桥梁的碰撞方式有很大的不确定性，尤其是其碰撞荷载的大小不易确定。船舶撞击力的选取是否恰当，直接影响桥梁结构的安全性和桥梁方案的经济性。大型通航桥梁需要进行桥墩防撞设计，保证桥梁在发生较严重的船舶碰撞事故之后能保证结构的整体性，若按最不利的的情况进行防撞设计，则太过于保守，从经济性上看也不可行，所以必须容许一定的风险。而且能够在相对较短的时间内完成对桥梁损伤的维修；在较小的碰撞事故之后能继续使用。以上的这些问题均需要在防撞设计中来解决，寻找到一个满足经济性、安全性及合理性的桥墩防撞设计方案。

2.桥梁防撞设计的目的及原则[2]

防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩位置、桥墩外形、水流速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行。要确定船对桥梁结构的碰撞力是非常复杂的，既取决于船舶特性和桥梁结构，包括船舶类型、尺寸、速度、船体强度和刚度，桥梁撞击部位尺寸、形状、质量和测向抗力特性，还受碰撞环境、撞击力的偏心和水深影响。工程中通过采用不同型式的防撞设施，可以阻止船舶撞击力传到桥墩，或者通过缓冲消能防撞设施，延长船舶的撞击时间，减小船舶撞击力，从而保护桥梁安全。防撞设施应满足如下要求：

（1）通过合理的结构形式、各种缓冲材料的布置，尽量减小通航船舶的损坏。

（2）防撞设施制造、安装、修理和维护经济性较好。

（3）对船舶碰撞能量进行消能缓冲，使船舶不能直接撞击桥墩，或使船舶碰撞力控制在安全范围内。

（4）防撞设施具有很好的安全性和可靠性。

巨大的船舶动能在极短暂的时间过程中发生转化，在碰撞过程中，大桥的防撞设施和船舶组成一个运动系统，各个组成单元的运动状态发生强烈的改变，要使全部组成单元保持完好无损是困难的，在经济上也不合理。由于桥船和防撞设施都是造价昂贵的工程建筑物大桥的破坏后果非常严重，确保桥梁安全是防撞设施设计的首要目的，为了保证大桥的安全，即使防撞设施或船舶损坏，也是合理的必要的所以，对于设计防撞设施的目的和要求要按照下列原则进行处理：

（1）桥墩基础较弱，防撞设施设置尽量少扰动原桥地基及基础。

（2）桥墩的自身抗撞能力较差，防撞设施不宜与桥墩直接相连；防撞设施要能全部或大部消耗碰撞船舶的能量。

（3）防撞设施的构造形式和几何形状须使碰撞船只损伤减少到最小，以免造成船舶受损后污染环境。船舶是碰撞事故的责任方，但船舶的沉没也是巨大的经济损失，并且影响航道畅通，应该避免。所以对船舶的保护在防撞设施的设计中也应给予必要的考虑，应避免沉船事故。

（4）防撞设施的损坏是允许的，但应易于修复，以使大桥不失受保护状态。

（5）若桥墩承台具有一定的抗撞能力，可考虑其承受一部分船舶撞击力，以使防撞设施的设计更加经济合理。

（6）防撞设施不能影响航道通航，尽量少占用航道范围，以免造成航道堵塞。

（7）防撞设施要与使用环境相协调，并应符合桥梁原有风貌。

3.船舶撞击力计算方法

碰撞中存在着大量的非线性现象，如材料非线性、几何非线性等。船舶与桥墩防撞设施之间的碰撞，是船体和桥墩防撞系统结构在很短的时间内在巨大碰撞载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程。这些特点使得船与桥墩防撞设施碰撞向题的研究变得相当复杂和困难，很难用一种精确的数学和力学模型来描述整个船撞桥的过程。现有的船桥碰撞问题的研究方法主要有简化解析法、实验研究法、经验公式法以及数值模拟方法、非线性有限元法等。

4.船舶撞击力简化公式研究[3]~[6]

从能量变化的方面看，碰撞中动能减少的部分转化为结构的弹性和塑性变形或者结构撕裂，还有部分转化为碰撞范围内水的运动。船舶和桥墩的碰撞可视为船与船相撞的特例。两艘船相撞后，船的速度立即发生改变，同时结构也发生了改变。

美国公路桥梁设计规范（AASHTO-1994）。因为桥梁被碰撞事件绝大多数是由于暴风雨气候下空驳挣脱锚缆后顺水冲击桥梁所致，故AASHTO规范要求：对于位于水深超过0.6m处的桥墩，一律采用最小撞击力。最小撞击力按一条标准底卸式内河驳船计算，大于标准底卸式内河驳船的，其撞击力根据驳船宽度之比修正。

5.工程实例

5.1工程概况

混江沟大桥为滨海公路盘锦段重要大桥，桥孔设置为26-30米，桥梁全长786m，设计角度为110度。桥梁上部结构为装配式预应力混凝土结构连续小箱梁，下部采用柱式墩、肋板台、钻孔灌注桩基础。

我国《公路桥涵设计通用规范》将船撞力作为偶然荷载，对内河船舶撞击作用标准值作出了的规定。

流物横向桥撞击力可按下式估算：

（1）

式中：P为漂流物撞击力（KN）；W为漂流物重力（KN），应根据河流中漂流物情况，按实际调查结果确定；V为水流速度（m/s）；T为撞击时间（s），应根据实际资料估计，无资料时，取1s；g为重力加速度g=9.81m/s。

混江沟大桥通航等级为四级，横桥向为550KN，顺桥向为450KN，撞击作用点为计算通航水位线以上2m的桥墩宽度的中点，本桥通航水位为3.075m，设计计算中考虑船舶撞击作用点在标高5.075m处。桥梁第十一孔为通航通道，对11、12号墩进行防撞验算。

混江沟大桥桥墩防撞设计按照规范采用偶然组合，只进行结构承载能力极限状态计算。荷载组合如下：1.0×恒载+1.0×汽车活载+1.0×船舶撞击作用。

5.2计算模型

利用有限元软件MIDAS/Civil2010对防撞结构进行建模计算。上、下部均采用空间梁单元，盖梁与墩身刚性连接，桩基梁单元在河床地面标高以下的部分采用土弹簧来考虑桩土共同作用。土弹簧弹性系数利用简化公式K=mzhb计算（其中m为地基比例系数，z为土弹簧离地面距离，h为单元长度，b为桩的有效宽度），桩底固结。

图1有限元计算模型示意图

5.3计算结果

5.3.1不考虑撞击力进行墩柱验算

防撞设计之前桥墩为柱式柔性墩，墩柱直径1.6米，桩基直径是1.8米。根据荷载工况进行计算。计算结果见表1。

表1不考虑撞击力的墩柱验算结果

由表中结果可见，在不考虑撞击力之前，桥墩桩柱承载力富裕度较多。

5.3.2考虑撞击力进行墩柱验算

墩身受撞击部位，以及墩柱结合处有较大的应力集中现象，其他部位应力较小。墩身应力云图详见下图2、图3

图2组合1（顺桥向）墩身应力云图3组合2（横桥向）墩身应力云

表2防撞设计墩柱验算结果

以上结果显示：考虑撞击力对桥墩进行受力分析后，桥墩所受的最不利弯矩以及配筋量都显著增加。本桥墩柱实际配筋再考虑抗震影响后采用34根Φ25，满足防撞设计的要求。

6.结语

混江沟大桥再考虑地震力影响后的桥墩桩柱配筋满足船舶碰撞要求，本文论述了船舶碰撞力的计算方法，利用midas对桥梁结构进行撞击力的空间有限元分析，对施工图设计有一定的指导意义。

作者简介：

荣晓辉（1973.7），女汉族辽宁阜新人，本科，工程师，从事道路桥梁勘测设计

王志凌（1977.11），女汉族辽宁阜新人，本科，工程师，从事道路桥梁勘测设计