内河高桩承台桥梁船撞动力响应分析

邵俊虎，赵人达，占玉林，王明路

(西南交通大学桥梁工程系，四川成都 610031)

随着高速公路的大量兴建，跨越河流的桥梁也越来越多，由于近年来河流通航船舶的密度和吨位的大幅增多，船舶撞毁桥梁的风险越来越高，桥梁船撞问题日渐突出。对于船撞问题，国内外作了大量研究，主要集中在船舶撞击桥梁的力学分析方法以及桥梁在船舶撞击下结构的动力响应。在船舶撞击桥梁的力学分析方法上，除了各国推出的规范简化公式[1-4]外，主要采用有限元方法来对船舶撞击桥梁的力学过程进行计算分析，Cowan将撞击船舶简化为一个集中质量，并通过非线性只受压弹簧与桥梁连接的方法对桥梁在船撞作用下的动力响应进行了研究，并论证了这种方法的有效性[5]。文献[6-10]结合有限元和碰撞—接触算法对船舶撞击结构的动力响应进行了计算，分析了各种因素对结构动力响应的影响，并证明了有限元结合碰撞—接触算法分析此类问题的可靠性。和秀岭等[11]采用3 000 t内河船舶撞击时程力计算了一座拱桥在横向和纵向船舶撞击下拱圈的动力响应。杨智等[12]对一座漂浮体系斜拉桥在船撞作用下的动力响应进行了研究，并分析了重力、斜拉索力、p—Δ效应对船撞作用下主墩的内力响应的影响。朱忠义等[13]对一座已建拱桥进行了船撞数值模拟，并与索尔—诺特—格林那公式进行了比较，得出了一些有益于设计的结论。陈刚等[14]按照简化公式对一座内河桩柱式桥梁在船撞作用下的桥梁内力响应进行了分析研究，研究表明，设置横系梁能有效减小被撞桥墩的内力响应。

船撞作用作为一种偶然作用，国内对于船撞桥的研究主要集中在重要的大型桥梁上，对于内河航运等级较低的河流上的桥梁研究较少。而随着交通发展，航运等级较低的内河桥梁船撞事故也时有发生。对于高桩承台，从船舶撞击桥梁的位置来讲，一般分为撞击承台和撞击桩基两种类型。桩基主要承受竖向荷载，船舶撞击桩基往往会对桥梁结构更为不利。

1 工程概况

新建白水大桥为预应力混凝土连续刚构，跨径组合为(102+168+102)m，桥梁总长388 m，桥面宽10 m。桥梁下部结构采用钻孔桩基础、高桩承台，承台与箱梁0#块刚性连接，构成独特的连续刚构体系。姚渡岸桩基全长92 m，下承台高5 m，广元岸桩基全长97 m，下承台高5 m;姚渡岸桥台采用扩大基础，重力式桥台，广元岸桥台采用桩基础，桩柱式桥台。桥区所在河流为6级航道，桥梁的总体布置见图1。

图1 桥梁总体布置(单位:cm)

2 模型建立

2.1 参数取值

主桥箱梁采用C50混凝土，弹性模量Ec=3.45×104MPa。承台、桩基及桥台台帽和背墙采用C40混凝土，弹性模量Ec=3.25×104MPa。由于本文的主要目的是为了比较不同工况下结构动力响应，混凝土材料采用线弹性材料。船舶材料采用Q235钢材，其弹性模量为Ec=2.1×105MPa，钢材相比桥梁下部结构，其刚度较小，更易发生塑性变形，钢材材料采用随动塑性(与应变率相关)材料模型。

2.2 有限元模型的建立

本文采用有限元方法模拟了一艘200 t的驳船以3 m/s的速度横桥向撞击桥梁不同部位，并分别建立了船舶和桥梁的有限元模型。船舶采用板壳单元建模，船舶撞击部位桥梁构件采用实体单元建模，为节省计算时间，非撞击部位采取了梁单元建模。桩基结构在局部冲刷线或淤泥层以下一定深度固结，不考虑土体作用，根据学者研究一般取3～4倍桩径，本文取3倍桩径。

为了将船舶撞击桥梁不同部位以及船舶撞击不同形式桩基的动力响应进行比较研究，本文选取了3种工况进行计算:①船舶横向撞击桥梁承台(桩基不设置横系梁);②船舶横向撞击桥梁桩基(桩基不设置横系梁);③船舶横向撞击桥梁桩基(桩基设置横系梁)。

3 结果分析

通过有限元碰撞仿真分析，得出了船舶撞击力以及主梁、桩基的位移时程曲线，见图2至图5。由图2可以看出，船舶撞击承台时撞击力最大值为3.88 MN，船舶撞击桩基时，无论桩基有无横系梁，其最大撞击力均为2.56 MN左右。以上数据表明，船舶撞击承台碰撞力比船舶撞击桩基碰撞力大;船舶撞击桩基时，桩基有无横系梁对撞击力基本没有影响。说明结构形状对碰撞力有较大影响，而采用横系梁连接只会在一定程度上改善了桩基的整体性，并不会显著改善船舶撞击桩基时撞击力大小。

图2 撞击力时程曲线

图3 主梁墩顶处横桥向位移时程曲线

图4 主梁跨中横桥向位移时程曲线

图5 被撞桩基桩顶横桥向位移时程曲线

由图3和图4可以看出，在船舶撞击作用下，船舶撞击承台时主梁墩顶和跨中最大横向位移分别为10.6 mm，14.1 mm;船舶撞击桩基时，主梁墩顶和跨中最大横向位移分别为9.7 mm，13.2 mm。桩基采用横系梁连接后，船舶撞击桩基时主梁墩顶和跨中最大横向位移分别为7.6 mm，9.7 mm。从以上数据可以看出，由于船舶撞击承台的撞击力比撞击桩基时大，导致船舶撞击承台比撞击桩基时墩顶和跨中位移略大。当船舶撞击桩基时，桩基采用横系梁连接和不采用横系梁连接时，前者位移更小。主要是由于两种工况下，碰撞力大小相当，而桩基采用横系梁连接后增大了下部结构整体刚度的缘故。

由图5可以看出，被撞击桩顶在工况1、工况2、工况3时最大位移分别为25.9，28.9，21 mm，当桩基不加横系梁时船舶撞击桩基位移最大，桩基采用横系梁连接后，能显著减小被撞桩基桩顶位移。

对于桩基的应力，主要分析了被撞桩基桩底的应力情况，并选取了被撞桩基桩底应力比较大的点绘制了应力时程图。工况1和工况2最大应力点的计算结果对比图见图6，工况2和工况3最大应力点的计算结果对比图见图7。

图6 被撞桩基桩底最大应力点应力时程曲线

图7 被撞桩基桩底最大应力点应力时程曲线

由图6可以看出，船舶撞击桥梁下部结构过程中，船舶撞击桩基工况比船舶撞击承台工况较为不利，最大应力相差可达2 MPa，说明桥梁最不利撞击点应处于桩基处。由图7看以看出，当船舶撞击桩基时，将桩基采用横系梁连接后，可较大程度上降低应力水平。计算结果表明当船舶撞击桩基时，桩基采用横系梁连接能使桩基之间内力重分配，有效降低了被撞桩基应力，降低了桩基被撞击失效的风险。

4 结论

通过对高桩承台不同部位进行船桥碰撞计算分析，主要得出了以下结论:

1)船舶撞击承台和撞击桩基两种工况下，船撞力大小和接触碰撞时间显著改变，而桩基有无横系梁对船撞力大小并无太大影响，表明船撞力大小和被撞结构的几何形状有关，桥梁结构整体刚度对船撞力大小影响较小。

2)船舶撞击桩基比撞击承台工况更为不利，主要原因是船舶撞击桩基时，大部分船撞力主要由单根被撞桩基承担，导致了单根桩的失效风险增大。

3)当船舶撞击桩基时，桥梁处于较不利工况，而将桩基采用横系梁连接后，较大程度上降低了被撞桩基的应力水平。说明采用横系梁连接桩基的措施使船撞作用下桩基的内力进行了重新分配，能有效地降低船舶撞击时单根桩基失效的风险。

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