船撞冲击下高桩桥墩高危损伤区域分布

高荣雄，　李　敬，　唐奇文

(1.华中科技大学　a.土木工程与力学学院；b.控制结构湖北省重点实验室， 湖北　武汉　430074；

2.深圳市公路交通工程试验检测中心， 广东　深圳　518049；

3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司， 湖南　长沙　410000)



船撞冲击下高桩桥墩高危损伤区域分布

高荣雄1，李敬2，唐奇文3

(1.华中科技大学a.土木工程与力学学院；b.控制结构湖北省重点实验室， 湖北武汉430074；

2.深圳市公路交通工程试验检测中心， 广东深圳518049；

3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司， 湖南长沙410000)

摘要：航道桥梁的建设在一定程度上改变了船舶通航环境，船撞冲击成为桥梁损伤倒塌的重要原因之一。高桩基础具有基桩自由长度长、长径比大和抗冲击能力相对弱的特点，船撞冲击更容易导致其损伤或倒塌。本文基于一内河航道上常见的驳船和实桥桥墩模型，充分考虑土体对桥墩的约束作用和混凝土材料的弹塑性硬化特点，模拟驳船以一定速度撞击桥墩全过程。藉此深入分析高桩桥墩船撞冲击力的动态特征、高应力区域的分布和其应力动态时程，探讨了高桩桥墩撞击冲击下的高危损伤区域分布。最后，基于一实桥船撞的损伤分布和病害特点，印证了高桩桥墩船撞易损区域分布结论。研究成果可为类似结构的防撞设计、加固和开展针对性检测提供指导。

关键词：高桩桥墩；船撞冲击；损伤区域；撞击力时程；应力时程

尽管航道管理水平和技术在不断提高，但是大量跨航道桥梁的建设一定程度上还是恶化了船舶通航环境，船撞风险与日俱增。作者所在的课题组根据公开文献，对2000年以来国内91座桥梁发生倒塌的原因进行归类分析，结果表明撞击(船舶或车辆)是仅次于洪水灾害导致桥梁倒塌的重要因素。文献[1]对1444～2008年期间有倒塌记录的航道桥梁进行统计，造成倒塌的原因第一位是洪水，第二位是船撞，第三位和第四位分别是设计和施工。文献[2]对国内外458起桥梁事故的评析，也得到同样的结论。文献[3]对美国过去503起平均桥龄52.5a的桥梁事故案例进行研究，得出导致桥梁失效的主要因素依次是：洪水灾害52.88%，撞击11.73%，超载8.75%，结构及材料性能退化8.55%。

船撞不仅导致桥梁构件和船舶损伤，还带来巨大的经济损失和恶劣的社会影响，甚至造成桥毁人亡的严重后果。1980年美国Sunshine Skyway Bridge被船撞击倒塌[4]，35人死亡；1983年，俄罗斯Volga River Railroad Bridge受轮船撞击倒塌造成176人死亡，另一起相撞事故致使240人丧生[5]；2007年广东佛山九江大桥被撞导致9人死亡。除了这些严重的桥梁撞击事故外，处于通航河道中的桥梁，船撞桥事件时有发生，如武汉长江大桥建成至今，受到船舶撞击多达77次[6]，水中8个桥墩都被船舶撞击过[7]。在世界范围内，平均每年都有桥梁因船舶撞击而造成严重损坏甚至倒塌的事故发生[8]。

船撞冲击导致桥梁结构损伤甚至倒塌，宏观层面主要原因是桥墩抗力小于撞击载荷，微观分析是瞬态撞击导致构件材料内部微裂纹发展、延伸和聚合，出现起裂、裂纹发展，直至断裂破坏。大量文献统计表明，更多的桥梁受到撞击后并未因此倒塌，有些甚至多次重复受撞(如1993～1994两年间黄石长江大桥就被船舶撞击多达19次[9])，这些桥梁虽未倒塌或出现宏观裂缝，但已处于“带病”工作状态，内部的损伤隐含着巨大风险。这种现象在高桩基础中表现突出，一方面航道桥梁由于水深一般较深，大多采用高桩基础[10]，因此其基桩自由长度长、长径比大，基础抵抗冲击能力相对较弱，船撞冲击过程中基桩往往产生较大形变而成为易损环节；另一方面，构件的内部损伤较难被发现，一旦船舶撞击，仅依靠目测或大面积的检测，不仅较难发现损伤区域，且工作效率低。由于船撞问题的复杂性和研究历程非常短暂，该领域的研究亟待深入、还需不断的总结和解决与此相关的新问题。综合归纳现有研究主要集中在以下方面[11～20]：(1)船桥碰撞力学计算理论；(2)桩土动态相互作用；(3)船撞作用的损伤评估；(4)实桥船撞分析等。

基于上述考虑，探索船撞冲击下高桩桥墩的高危损伤区域分布情况，及其内部效应随船撞进程变化规律，根据实桥船撞后的损伤分布及其内部超声探伤结果验证理论分析的正确性，研究得出的成果有益于指导高桩桥墩船撞后水面上下构件的高概率损伤位置判断和开展有针对性的检测分析，也为桥墩防撞设计和撞击加固提供指导。

1高桩桥墩船撞分析

1.1船撞桥墩模型

1.1.1桥墩模型

桥墩模型[21]采用汉江下游一连续梁桥桥墩，墩身截面为6.6 m×2.5 m的矩形实体截面；承台长、宽、高为7.6 m×7.6 m×3.0 m；基础采用4根Φ1.8 m，桩长40 m(桩基自由长度10 m)的灌注桩。桥墩几何及有限元模型如图1。

图1　高桩桥墩模型/cm

上部结构对桥墩的作用以质量形式施加在桥顶上，并在墩顶设置边界条件以模拟上部结构对桥墩的约束。墩身采用C40混凝土，承台和基桩为C30混凝土，桥墩模拟时不考虑普通钢筋的作用。应用LS-DYNA进行碰撞分析，混凝土本构关系采用HJC模型。该模型的状态方程是分段式的(图2)，三段线分别代表线弹性区、塑性过渡区和材料完全密实区(图中的参数含义见ANSYS及LS-DYNA分析手册，此处略)。

图2　HJC模型的状态方程

1.1.2土体模型

土体本构关系采用修正Mohr-Coulomb模型，其屈服准则如下：

(1)

式中：α为和修正前模型相比的修改相识度；P为压力；φ为土体内摩擦角；K(θ)2为偏平面上角度方程；J2为第二应力不变量的平方根；c为土体黏聚力。

土体与基桩相互作用采用面面接触单元处理。在土体半无限地基选取一个有限分析计算区域的处理原则是：确保应力波穿过人工边界时不会发生反射，以便能更好地反映半无限地基中桩周土的作用。无反射边界(Non-Reflecting Boundary)的条件如下式：

(2)

式中：ρ为土体材料的密度；cs为压缩波速；cd为剪切波速；vnormat为边界法向质点运动速度；vtan为边界切向质点运动速度；σnormat为沿着无反射边界的法向应力；σtan为沿着无反射边界的切向应力。

该桥墩局部冲刷线以下均为卵石，且为单层土，依据无反射边界条件重复试算，选取桩周土体参与分析的尺寸如表1。

表1　桩周土体模型尺寸　m

1.1.3船舶模型

船舶种类繁多，不同的船舶类型，船艏形状和刚度千差万别，研究无法涵盖不同种类的船舶。以内河航道上常见的驳船作为碰撞体，其参数见表2及图3。

表2　驳船主尺度

图3　标准底卸式驳船

驳船材料采用Cowper-Symonds双线性弹塑性本构模型，具体如下式：

(3)

综合上述分析，并根据各部分结构的力学特征选用了一系列单元，其中矩形墩、承台、桩基、桩周土体采用SOLID164单元，驳船采用SHELL163单元，船桥碰撞有限元模型如图4所示。

图4　船桥碰撞模型

1.2船撞力及其效应

1.2.1撞击力时程

基于上述船撞模型，驳船装载半仓时(总重1050.0 t)以3 m/s的航速正面撞击墩身(撞击点距离承台顶面5 m)，其撞击力时程见图5。在整个碰撞过程中，撞击力产生了两个峰值，第1个峰值在0.054 s产生，其峰值为14.30 MN；而第2个撞击在0.432 s时达到，该次峰值为6.32 MN，整个撞击过程持续约1.5 s。呈齿状的撞击历程表明：该过程中船和桥墩出现震荡，驳船和(或)被撞构件出现了损伤，甚至失效破坏导致撞击过程中局部刚度瞬间降低，出现撞击力衰减，而后恢复进而再次进入衰减阶段。

图5　船桥碰撞撞击力时程曲线

由上述分析可知，在碰撞过程中，撞击力极值达到14.30 MN。而该桥防撞设计，若按现行规范，即使偏安全地按内河二级航道考虑，其横桥向设计撞击力仅为1.1 MN[22]，实际撞击力可能大大超出设计预期，且设计撞击力以静力方式作用于桥墩上，不能正确反映实际撞击情况，撞击发生时结构产生的损伤甚至开裂破坏并未在设计阶段得到考虑。

1.2.2应力时程

图6为船撞过程中各时刻高桩桥墩的应力变化历程。从图中清晰可见，从撞击开始到结束的整个1.5 s时长内，高桩桥墩的应力峰值首先出现在撞击区域，而后向下延伸，依次出现在墩底、桩顶和桩身自由段，最后在基桩自由段产生高应力扩散区域，之后应力逐渐衰减，高桩桥墩内部应力波峰呈现从墩身到基础逐渐扩散的过程。整个应力传递过程中，分别在船舶直接撞击区、墩底与承台连接处、桩顶与承台连接处和桩身自由区段依次产生应力峰值，这些部位的主拉应力峰值分别达到：20.93、3.46、10.34和16.73 MPa。撞击出现的各高应力区，是高桩桥墩船撞极易损伤开裂之处，其应变波动过程表现如下特征：

图6　典型时刻高桩桥墩等效应力云图/Pa

(1)船舶直接撞击区：应力集中非常显著，局部混凝土应力在瞬间达到峰值，且很快衰减，而后应力变化幅度较小。受撞击部位的高应力主要是由于船艏撞击到墩身时，局部混凝土应力迅速超越材料弹性阶段而进入弹塑性及塑性阶段，混凝土内部孔隙受到挤压，进而产生微裂缝甚至出现宏观裂缝，应变能得以释放导致应力快速下降。由于强冲击直接作用下，该区域材料内部微裂纹发展、延伸和聚合，经历快速的弹性到塑性变换，因此，其损伤特征表现出局部混凝土材料压碎、裂缝宽和裂缝密布的特点。其典型应力如图7。

图7　船舶直接撞击区应力

(2)墩底与承台连接处：虽然这个区域出现可能超出混凝土抗拉强度的高应力(图8)，但是与船舶直接撞击区应力分布不同的是，一方面其应力集中程度显著降低，高低应力过渡较平缓，应力峰值也明显减小；另一方面该部位的应力主要是由于受冲击下高桩桥墩整体弯曲所致。应力峰值出现的时间滞后于直接撞击区，并且在应力衰减过程中，出现震荡现象，这与撞击力时程相吻合，但与撞击力峰值不同步。从应力分布可知，该区域的损伤特征主要表现为长裂缝，若撞击激烈，甚至出现墩身从承台顶面拔出的撕裂裂缝。裂缝主要分布于桥墩迎撞面对应的墩底段。

图8　墩底与承台连接处应力

(3)桩顶与承台连接处：由于基桩和承台刚度差异较大，冲击作用下桥墩整体弯曲导致桩顶与承台连接处产生较为严重的应力集中(图9)。应力极值晚于前面两个高危损伤区，但是高应力持续时间相对较长，这主要是由于撞击力时程的不同峰值在此产生的效应发生叠加，大大提高了桩顶连接处起裂破坏的风险。桩顶环向裂缝、连接处局部混凝土脱落是其主要病害特征。

(4)桩身自由区段：图10为撞击作用下基桩第一主应力峰值情况，该图表明：在碰撞发生后的0.972 s，基桩主应力达到峰值16.73 MPa，应力峰值大于桩顶连接处，这表明高桩基础的整体弯曲导致基桩自由段产生显著效应，是水下基础船撞冲击易损区段。桩顶往下15.732 m范围内的应力值达到2.278～16.73 MPa，均大于桩身C30混凝土抗拉极限值，是基桩损伤开裂的敏感区域。

图9　桩顶与承台连接处应力

图10　桩基混凝土主应力峰值时刻云图/Pa

2实桥船撞损伤分布及特征

2.1损伤分布及其特征

碰撞发生之后，对各墩进行了详细外观检查，并采用声波透射法对承台内部、基桩侧面钢护筒开口验证；采用低应变反射波法对处于承台底面之下水深近18 m的基桩进行检测，收集了病害分布及其程度。撞击现场损伤分布情况及受害程度与高桩桥墩船撞分析高度吻合。桥墩详细损伤情况如下：

墩身：各墩为钢管立柱，每个桥墩共8根钢管，4号墩8根钢管被直接撞断，断口呈现撕裂性破坏，有沿钢管焊缝断开的，也有完整钢板被撕开。其余桥墩钢管被撞区域局部凹陷，其它部位较完整，但没有开裂发生。具体如图11。

墩身与承台连接处：如图12所示，检测发现该部位受损较为严重，3～5号桥墩均存在程度不同的病害。4号桥墩该处上游口裂缝宽度达到10 mm以上，且裂缝数量非常多，钢筋暴露，裂缝深度达2 m深之多(承台侧面反射出)，造成局部混凝土完全断裂失效。3号及5号墩身与承台连接处存在大量微裂缝，缝宽从0.05～0.1 mm不等，缝长约为50 cm左右，承台侧面反映裂缝向下最深约35 cm，且墩柱与承台连接部出现泛碱现象，表明连接部分存在较大的孔隙渗漏或轻微松动。除了4号桥墩承台内部受损严重外，其余桥墩承台内部采用声波透射法检测完好。

图11　墩身损伤

桩顶与承台连接处：3～5号桥墩撞击造成基桩与承台连接处混凝土局部掉落和连接松动(图13)，桩顶圆周上游(迎撞面)侧表现显著，其余岸边桥墩未见明显损伤。说明基桩自由长度越长，越容易造成该处损伤，是高桩基础船撞敏感损伤区。

图12　墩身与承台连接处损伤

图13　桩顶与承台连接处受损

图14　基桩低应变反射波及损伤

桩身自由区段：由于水深达到18 m，基桩自由段很长，且基桩外表钢护筒并未拆除，内部的损伤肉眼无法看到，需要检测的范围很大，若茫无目标检测，不仅效果差，水下作业困难，而且可能漏过损伤区域。因此，在碰撞分析的基础上，对钢护筒局部区域开口验证，同时采用低应变反射波法对基桩进行检测。检测(图14)和仿真分析结果均表明：桩顶之下5 m范围损伤较大，并在桩顶之下1.2 m处桩身混凝土存在微小裂缝。

2.2碰撞分析

应用LS-DYNA进行碰撞分析，碰撞历程总计1356 ms，应力波从上往下传递的过程中，同样在上述4个区域出现较大的应力峰值(图15)，印证了损伤分布特点。

由图15可见，墩柱钢管撕裂区最大剪应力达到230.8 MPa，超过Q345容许剪应力145 MPa；墩柱与承台连接处主拉应力达到18.02 MPa；桩顶与承台连接处主拉应力为18.88 MPa；基桩自由段较大范围出现主拉应力超标，桩顶段5 m多长度内尤其明显。上述区域应力集中且严重超标，数值仿真与实际情况吻合的相当好。

图15　撞击过程中某时刻应力分布/MPa

3结论

(1)现行规范船撞桥墩作用以静力形式施加于结构上，虽然简单明了，但无法很好模拟船撞桥墩的瞬态冲击过程。且实际撞击力峰值要显著大于设计撞击力，桥墩防撞设计应适当考虑两者差异，在无法模拟船撞瞬态碰撞仿真分析时，应考虑留足安全储备，避免船撞桥塌事故重演；

(2)桥墩船撞冲击以波动形式向基础传递，各构件应力峰值出现具有时间差。在应力波的传播过程中，由于能量的耗时和转化，高桩基桩入土部分冲击效应较弱；

(3)船舶直接撞击区、墩底与承台连接处、桩顶与承台连接处和桩身自由区段是高桩桥墩船撞冲击的四个高危损伤区域。实桥船撞案例所收集到的病害分布和特征验证了高桩桥墩撞击分析结论的可靠性。

(4)高桩桥墩撞击高应力易损区是撞击后检测的重点部位，其损伤分布特征可为类似结构的事先防撞设计和事后加固提供指导。

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Investigation on Distribution of High Risk Damaged Areas

of High Pile Bridge Pier Under Vessel Collision Impact

GAORong-xiong1,LIJing2,TANGQi-wen3

(1.a.School of Civil Engineering and Mechanics; b.Hubei Key Laboratory of Control Structure,

Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;

2. Shenzhen Traffic Construction Engineering Test and Detection Center, Shenzhen 518049, China;

3. Power China Zhongnan Engineering Co Ltd, Changsha 410000, China)

Abstract:At some degree, bridge constructions spanning shipping channel have changed navigational conditions for vessels. Hence, vessel collision has been one of the major causes of bridge damage or collapse. Owing to these features of high pile foundation as followings: longer free length, lager length to diameter ratio and weaker anti-impact capacity, vessel impact can easily leads high pile bridge pier to damage or collapse. Based on an inland waterway channel barge and a real bridge pier model, considering the fully constraint effect of soil to pile and elastic-plastic hardening of concrete, the whole process of barge colliding bridge pier was simulated. Thereby, dynamic features of collision force, distribution of stress concentration areas and stress dynamic time-history were deeply analyzed, and distribution of high risk damaged regions under vessel collision impact was also investigated. Lastly, on the basic of distribution of damaged areas and characters of defects about a real vessel collision with bridge pier, this conclusion about distribution of damaged areas of high pile bridge pier was confirmed. These above research results may guide anti-collision design, strengthening and specific detection for similar structures.

Key words：high pile bridge pier; vessel collision impact; damaged area; collision force time-history; stress time-history

中图分类号：U447; U441+.3

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)01-0024-08

作者简介：高荣雄(1969-)，男，福建福安人，博士，副教授，研究方向为桥梁船撞、损伤与加固(Email: bridge115@hust.edu.cn)

收稿日期：2015-09-19修回日期： 2015-10-29