斜拉桥船撞荷载下静动力响应对比分析

曾 嵩，耿 波，吕成林，向明航，陈 璨，郑 罡，

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限责任公司，重庆 400067)

斜拉桥船撞荷载下静动力响应对比分析

曾 嵩1，耿 波2，吕成林1，向明航1，陈 璨1，郑 罡1，2

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限责任公司，重庆 400067)

采用船撞动力时程最大值、峰值范围内的局部平均值及全局平均值，作为船撞等效静力荷载对斜拉桥进行船撞静力分析，将结构静力响应与船撞动力响应进行对比分析。结果表明:斜拉桥结构位移响应、内力响应差别较大。建议针对存在船撞问题的斜拉桥，在设计时船撞分析尽量采用动力分析方法，以便得到更为真实的结构内力和位移响应。

斜拉桥;船撞;等效静力

20世纪90年代以来，我国桥梁建设进入了突飞猛进的发展阶段。跨越通航河流的桥梁越来越多，水上运输越来越繁忙，导致船舶撞击桥梁的事故也屡见不鲜，船撞桥已经成为航道桥梁工程设计的一个重要问题［1］。

船舶撞击桥墩时，撞击力不是一个恒定不变的力，而是随时间变化的时程荷载。在工程设计中，一般将船舶撞击力等效为静力荷载来简化计算结构响应。有关确定等效静力的方法，国际上已经提出了多种船舶撞击力的估算公式，如Woisin公式、Pedersen公式、AASHTO规范公式、Knott公式、欧洲规范公式、挪威规范公式、我国公路规范公式及铁路规范公式［2-7］。以上估算公式采用的方法都是先确定设计船撞力，然后将它作为静力荷载来处理。这样简化的确为设计带来了方便，但却忽略了动力的影响因素［8］。

笔者利用大型通用有限元软件对一座跨江斜拉桥进行了船撞动力与静力分析，通过比较结构关键部位的内力和位移响应，结构的动力与静力分析结果差异较大。

1 工程概况

该桥为双塔双索面斜拉桥，全长1 280 m，主跨680 m。采用半漂浮结构体系，主塔采用钻石型桥塔，塔高220 m。主塔及辅助墩均采用桩基础，其中主塔桩径为2.8 m，辅助墩桩径为1.8 m。主梁采用钢箱梁，梁宽30.6 m(包括风嘴)，梁高 3.5 m，桥型布置见图1。

2 有限元模型

2.1 桥梁模型

桥梁模型如图2，全桥共有524个单元，696个节点。主塔、主梁、辅助墩均采用梁单元进行模拟;主梁与主塔、辅助墩之间采用主从约束，桥墩均采用双支座，每个支座约束桥梁横桥向与竖向位移，其它放开;桩土界面采用土弹簧进行模拟;主塔采用C50混凝土，承台及辅助墩采用C40混凝土，桩基采用C30混凝土，主桥钢箱梁采用Q370qd桥梁结构用钢，材料参数按规范取值，桥梁结构关键截面参数见表1。

图1 桥型布置(单位:m)Fig.1 Layout of bridge

图2 桥梁有限元模型Fig.2 The finite element model of bridge

表1 关键截面设计参数Tab.1 Parameters of key section

2.2 船舶模型［9］

主塔的设计撞击船舶为5 000 t级散货船，空载压舱排水量1 600 t，空载吃水深度2.2 m;满载排水量6 600 t，满载吃水深度取为7.4 m，船舶有限元模型见图3。

图3 船舶有限元模型Fig.3 Finite element model of ship

2.3 船撞力

如图1，三号主塔为船舶撞击斜拉桥的位置，文中只考虑船舶横桥向正撞桥墩，作用力方向假定不变，船舶撞击点为承台中部。通过有限元软件模拟得到船撞动力时程如图4。

船撞等效静力取动力时程中最大值Pm、峰值范围内的局部平均值Pl及时域内总体平均值P［10］g，作用点与船撞动力作用位置相同。

图4 船撞动力时程Fig.4 Time－history of vessel－bridge collision

图4中tm为船撞力时程最大值对应的时间，tl0、tl为 Pl取值起讫时间点，tg0、tg为 Pg取值起讫时间点。根据上述取值方法得:Pm=38 680 kN(tm=1.245 s)，Pl=21 057 kN(tl0=1.155 s、tl=1.760 s)，Pg=21 057 kN(tg0=0.035 s、tg=2.175 s)。

3 计算结果分析

3.1 位移响应比较

图5 塔顶横桥向位移Fig.5 Displacement of tower－tip

采用动力时程及等效静力计算斜拉桥在船撞力作用下的塔顶、跨中、梁端及桩顶位移响应如图5～图8及表2。在船撞动力荷载作用下，塔顶、跨中节点、梁端及桩顶横桥向最大位移分别为 5.2，3.3，1.5，3.4，而在等效静力荷载作用下，与上对应的横桥向最大位移分别为 4.3，2.7，0.2，2.5 mm。塔顶、跨中节点、梁端及桩顶横桥向最大位移的动力解均大于静力解，其中采用等效静力Pm时，塔顶、跨中节点及桩顶横桥向最大位移的静力解约为动力解的70%～80%;梁端最大位移的静力解约为动力解的13%。

表2 船撞力作用下结构横桥向最大位移响应比较Tab.2 Comparation of maximum displacement response of structure as the impact of ship

3.2 内力响应比较

采用动力时程及等效静力计算斜拉桥在船撞力作用下的塔底弯矩与塔底剪力响应如图9～图10，在船撞动力荷载作用下，塔底横桥向最大弯矩及剪力分别为37 713 k·Nm、1 310 kN。而在等效静力荷载作用下，塔底横桥向最大弯矩及剪力仅有817 k·Nm、22 kN。塔底横桥向最大弯矩、最大剪力的动力解远远高于静力解，采用时程最大值Pm作为船撞力荷载计算的塔底内力横桥向最大值仅为动力解的2%。可见塔底横桥向内力的动静力解差异极大，这主要是由于船舶的撞击作用激发了斜拉桥主塔横桥向的振动引起的，在船撞动力荷载作用下，主塔横桥向弯矩、剪力的最大值均滞后于船桥碰撞约1.3 s。由表3，桩顶最大弯矩、最大剪力的动力解与静力解相差不大，采用等效静力Pm时，桩顶最大弯矩、最大剪力的静力解约为动力解的70% ～80%。

表3 船撞力作用下结构横桥向最大内力响应比较Tab.3 Comparation of maximum force response of structure as the impact of ship

4 结语

针对国内典型斜拉桥结构，分别采用传统的静力分析方法与精细动力分析方法进行船撞分析，通过比较结构的位移响应及内力响应，得到结论如下:

1)在静力分析中，船撞等效静力取时程最大值Pm的计算结果比采用峰值范围内的局部平均值Pl及时域内总体平均值Pg更接近动力分析结果。但除斜拉桥下部结构的内力响应外，其它部位的位移响应及内力响应均小于动力荷载作用下的计算结果，且两者相差较大。

2)采用船撞动力时程最大值Pm作为船撞等效静力时，塔顶、跨中节点及桩顶横桥向最大位移的静力解约为动力解的70%～80%;梁端最大位移的静力解约为动力解的13%。桩顶最大弯矩、最大剪力的静力解约为动力解的70%～80%。

3)建议针对存在船撞问题的斜拉桥，在设计时船撞分析尽量采用动力分析方法，以便得到更为真实的结构内力和位移响应。如果要采用静力分析方法，必须对静力计算结果进行修正。

［1］陈国虞，王礼立.船撞桥及其防御［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［2］WOISIN G.Design against collision［C］//International Symposium on Advances in Marine Technology.Trondheim:［s.n.］，1979.

［3］AASHTO.Guide specifications and commentary for vessel collision design of highway bridges［M］.Washington D.C.:AASHTO，1991.

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［7］王胜斌，朱宇.内河桥梁船撞力计算方法比较分析［J］.工程与建设，2009 23(1):9-11.

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WANG Jun-jie，CHEN Cheng，WANG Hong，et al.Equivalent static force of ship impact to bridge based on impact numeric simulation:fundamental formula［J］.Technology of Highway and Transport，2009(2):66-70.

Static and Dynamic Response Comparison Analysis of Cable－stayed Bridge under Vessel Collision Load

ZENG Song1，GENG Bo2，LV Cheng-lin1，XIANG Ming-hang1，CHEN Can1，ZHENG Gang1，2
(1.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Chongqing Communications Research ＆ Design Institute Co.，Ltd.，China Merchants Bureau，Chongqing 400067，China)

The response of cable-stayed bridge under vessel collision load by dynamic and static analysis was analyzed with the maximum and the local average and the global average of the dynamic time history of ship impact as the equivalent static load.After comparison of the results it could be obtained that the response of cable-stayed bridge was different when different methods were applied.It was suggested that the cable-stayed bridge crossing the navigable river should be designed by dynamic analysis under vessel impact so as to get the displacement and force response accurately.

cable-stayed bridge;vessel-bridge collision;the equivalent static force

U442.55

A

1674-0696(2011)03-0384-04

2010-12-30;

2011-03-09

国家自然科学基金资助项目(51008266)

曾 嵩(1980-)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事桥梁结构分析方面的研究。E-mail:zengsong-hb@163.com。