L041桥墩船撞局部应力分析中船墩接触面积计算方法

李建，王善春，夏伟

（安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引 述

目前,桥墩船撞局部应力分析通常都是建立船舶与桥梁结构的有限元模型进行碰撞接触计算，但这种方法耗时耗力，不便于工程界广泛使用。如按简化静力分析，则需确定桥墩船撞过程中的船撞力与船墩接触面积。目前,多国桥梁设计规范中已确定船撞力的静力计算方法，但均未提及船墩接触面积的计算。本文以芜湖长江公路二桥的桥墩船撞局部应力分析为例，浅谈船墩接触面积的确定方法。

1 桥梁概况（见图1）

芜湖长江公路二桥及接线是安徽省高速公路网规划“ 四纵八横”中“ 纵二”的一段，是连接安徽省长江两岸的又一条快速通道,主桥采用100m+308m+806m+308m+100m 五跨钢箱梁斜拉桥，基础采用直径3m 钢筋混凝土群桩基础；主桥南、北近端引桥为跨径55m 预应力混凝土连续箱梁桥，基础采用直径2m 钢筋混凝土群桩基础。

2 桥墩船撞可能性

芜湖长江公路二桥位处长江黄金水道，航运较繁忙。据统计，2008 年1～12 月份通过铜陵大桥断面船舶平均日流量为1381 艘次，通过芜湖大桥断面船舶平均日流量为1611 艘次；2011 年1～12 月份通过铜陵大桥断面船舶平均日流量为986 艘次，通过芜湖大桥断面船舶平均日流量为1540 艘次。从现场观测资料和统计分析可以看出，拟建桥梁所在河段船舶类型主要包括：客船、普通货船、集装箱船、危险品船、船队和其他船舶。其中普通货船最多，占总流量的90%以上。

根据“《芜湖长江公路二桥船舶撞击力标准研究报告》”，经船舶可达性分析、通航桥孔可能的船舶撞击部位分析，得出江边小堤和繁昌大堤内部的各墩的可能船舶撞击部位，见表1（表中斜线表示不能到该墩）。

桥墩可能船撞部位一览表 表1

3 桥墩设防船撞力

根据《芜湖长江公路二桥初步设计》，主桥各桥墩设防船撞力见表2。

桥墩设防船撞力一览表 表2

南主塔船墩接触范围及荷载一览表 表3

4 桥墩船撞局部应力分析

考虑到各种墩型结构的相似性，仅以南主塔为例阐述局部应力分析过程。

4.1 船墩接触范围及荷载

“芜湖长江公路二桥船舶撞击力标准研究报告”在南主塔未配布防撞设施工况下，考虑万吨海轮以3.59m/s 速度正撞塔身，利用LS-DYNA 进行了碰撞过程的数值模拟。船墩碰撞全程历时2.25s，碰撞力最大值出现在1.07s，船舶撞击力时程见图2。

从撞击力时程可以看出，在0s～1.07s 间船撞力近似线性上升； 在1.07s～2.0s 间船撞力缓速衰减， 保持较大撞击力；在2.0s～2.25s 间船撞力急速减小。考虑到船舶与桥墩间为接触传力，只能传递压力而不能传递拉力的特性，结合撞击力时程定性分析如下：船墩从0s 时开始接触，因桥墩刚度大于船舶，故船墩接触主要呈船舶以弹塑性变形贴合桥墩，可认为船舶变形在较大撞击力末期(即2.0s 时)达到最大，此时船速近似衰减为0，此后船舶开始进行弹性变形的恢复直至脱离桥墩，在0s～2.25s 的全程，船舶始终受桥墩撞击反力的作用而减速；在2.25s时船舶反弹脱离桥墩，此时船速应为负值，即已改变方向，但船速较小，船舶保留塑性变形。

根据上述分析可近似认为， 船舶以初始速度3.59m/s 经历0s～1.07s 间的线加速度减速及1.07s～2.0s 间的匀加速度减速后速度为0。取最大加速 度 为a， 加 速 度 方 程 为ab(t)，v 为 初 始 速 度3.59m/s，速度方程为vb(t)，船舶撞深方程为L(t)。

联列求解可得，2s 时L 为4.434m，进一步可求得0.25s、0.5s、0.75s、1.07s时的船舶撞深分别为0.892m、1.747m、2.532m、3.374m。

以长江内常规万吨级货船的尺度、形状进行桥墩船撞局部应力分析,见图6。

根据船舶撞深和对应的船舶型线图上可得船墩接触面积。

以面积相等、撞高相等将船墩接触面积换算为矩形。

4.2 有限元分析

利用结构计算软件ANSYS 建立实体有限元模型，承台底部采用固定约束，单元模型选取8 节点SOLID65 实体单元。模型的坐标系为：X 向为横桥向，Y 向为顺桥向，Z 向为竖直方向，共剖分单元数26678，节点数31132。0.25s 撞击产生横桥向位移及撞击产生主拉、压应力如图8～11 所示，其余时间节点不再敷述。

5 结 语

本文通过对船舶撞击时程进行分析，认为在已知撞击力时程的条件下可通过运动方程简化求得船舶的撞深- 时间函数关系，进而结合船舶型线图得出任一时间点的船墩接触面积。

考虑到目前欧洲统一规范已提出船舶冲击的荷载- 时间的函数关系，若能对各种不同吨位不同船型的船舶型线进行归纳，利用本文的方法可非常方便的求得船墩接触面积，具有较高的工程应用价值。

[1]The standard research report of ship collision force against Wuhan Yangtz River Highway Bridge.

[2]JTGD60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]GB50139—2004,内河通航标准[S].北京：中国计划出版社，2004.

[4]AASHTO.Guide specification and commentary for vessel collision design of highwabridges(Second Edition)[S].Washington D.C.:American Association of State Highway and Transportation Officials,2009.

[5]陈国虞,王礼立.船撞桥及其防御[M].北京:中国铁道出版社，2008.

[6]王君杰，王福敏，赵君黎，等.桥梁船撞研究与工程应用[M].北京：人民交通出版社，2011.