船撞偶然荷载作用下连续梁桥的分析方法探讨

2016-06-05孙莉

工程与建设 2016年6期

关键词：全桥梁桥分析模型

孙莉

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

船撞偶然荷载作用下连续梁桥的分析方法探讨

孙莉

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

在评估船撞偶然荷载作用下连续梁桥的结构响应时，不同于连续刚构桥的分析，一般取单个桥墩作为分析对象，船舶撞击力作用于桥墩上，并不考虑桥梁上部结构将船撞力传递至相邻墩的贡献。实际上基于桥梁上部结构与下部结构的连接强度以及可能被撞桥墩的相对刚度，可将桥梁上部结构纳入船撞力的传递路径中。该文基于一连续梁桥工程实例，针对船撞荷载工况，分别用单墩模型和桥梁整体模型进行了分析，通过对比研究认为，当连续梁桥有船撞风险时，可以采用桥梁整体分析的方法，考虑桥梁上部结构对船撞力的分配，并且桥梁上部结构和下部结构之间应设置可靠的连接构造。

船撞；连续梁桥；整体分析

0 引言

船舶撞击是跨越航道的桥梁倒塌的主要原因之一，还会造成人员伤亡、船舶受损、航道受阻、陆上交通中断等严重后果。因此在桥梁设计计算中，应合理考虑船撞荷载的作用。

一般来说，在确定了船撞力的大小后，桥梁设计的基本流程[1-3]如图1所示。

图1 考虑船撞时桥梁结构的基本设计流程

在评估船撞荷载作用下桥梁结构的响应时，对连续梁桥，过去多采用单墩分析的方法[3]，即取单个桥墩作为分析对象，将船撞力施加于桥墩上的设计位置，墩顶自由无约束，上部结构对墩顶的水平反力因较难量化，也不考虑。采用这种分析方法，桥墩的受力将偏大。而多用于连续刚构桥的整体分析方法[4]，即建立全桥上下部结构的有限元模型来进行分析，则很少用于连续梁桥。

实际上连续梁桥虽然不同于连续刚构，上下部形成一体，但每个桥墩处的支座布置均包含横向固定，如果结构设计还增设了横向挡块，则从横向来说，上下部的连接是可靠的。文献[5]即认为在满足横向连接可靠的前提下，基于桥梁上部结构与下部结构的连接强度以及被撞桥墩的相对刚度，可将桥梁上部结构纳入船撞荷载的传递路径中。本文即就这一问题，基于一连续梁桥工程实例，针对船撞荷载工况，分别用单墩模型和全桥整体模型进行了对比分析，并给出了一些设计建议。

1 算例与模型

1.1 设计算例

某连续梁桥上部结构为40 m+4×70 m+40 m预应力混凝土变截面直腹板箱梁，支点截面如图2(a)所示。下部结构主墩采用双柱式桥墩，墩柱直径2.4 m。基础采用4根直径1.8 m的钻孔灌注桩，如图2(b)所示。

墩身采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，桩基础采用C25水下混凝土。主桥中间各墩采用LQZ15 000 kN球形支座。其设防代表船型取2 000 t货船，高水位下横向最大船撞力取9 MN。

1.2 分析模型

采用MIDAS/Civil软件，分别建立单墩模型和全桥的三维梁单元模型进行船撞荷载作用下的静力对比分析，如图3所示。

图2 算例一般构造示意图

单墩模型考虑上部结构传递下来的竖向荷载，不考虑因桥梁支座的横向水平约束作用而带来的水平力；在全桥分析模型中，桥梁支座以MIDAS中的弹性连接模拟。在各分析模型中，桩土共同作用以“m法”模拟[6]。

图3 MIDAS分析模型

2 分析与对比

2.1 船撞荷载传递至桥梁上部结构的力占总荷载的比例

文献[5]推导了船撞荷载作用在某一桥墩上时，经由该桥墩传递至桥梁上部结构的力的计算公式为

(1)

其中，H为作用于桥墩上的船撞荷载;Δabti单墩模型中横向单位力作用在船撞力作用点时，墩顶的横向位移；Δaati为单墩模型中横向单位力作用在墩顶时，墩顶的横向位移；Δsti为全桥分析模型中，删除拟分析的桥墩，将横向单位力作用于该桥墩对应的主梁位置时，主梁上该点的横向位移。

上述公式使用的前提是桥梁上部结构和下部结构之间设置了可靠的连接构造，如横向挡块等，保证横向力能由桥墩可靠传递至上部结构。

根据上述公式计算，当船撞荷载作用于Z2桥墩时，经由该桥墩传递至桥梁上部结构的力占总荷载的比例如下。可见，有约30%的船撞力传递给了上部结构主梁。

2.2 有限元模型的计算结果

本设计算例中主桥中间各墩采用LQZ15 000 kN球形支座，为双支座布置，因此每个桥墩处支座可承受的总水平力为0.1×15 000 kN=1 500 kN。

作为初始计算，假设全桥分析模型中模拟横向固定支座的弹性连接的水平剪切刚度较大，取为1×107kN/m，并暂不考虑水平力超过支座的水平承载力后发生破坏的工况[7-10]。

经计算分析，当9 MN的船撞力横向作用于Z2墩时(作用点对应于高水位下的撞击点)，引起的Z2墩支座处的水平剪力为2 785 kN，约为9 MN船撞力的30.9%，这与前述(1)式的结果较为接近，可以认为全桥分析模型的计算结果具有可信度。

2.3 分析与讨论

(1) 支座的横向水平承载力。由前述计算结果，在假设上下部连接可靠的前提下，船撞引起的Z2墩上支座处的水平剪力为2 785 kN，这远大于该墩上所设支座可承受的总水平力1 500 kN。在这种情况下，如果要在防船撞设计中考虑上部结构的有益贡献，则应根据计算所得的水平剪力设计横向的挡块，保证在支座失效后，仍有可靠的第二道防线。

(2) 全桥分析模型与单墩模型的计算结果对比。表1给出了9 MN的船撞力横向作用于Z2墩时，单墩模型和全桥分析模型的计算结果(该结果为偶然组合下)。

从表1中数据可以看出，关键位置的结构响应，如墩底截面、桩顶截面的内力和墩顶位移等，全桥模型的分析结果均较单墩模型的结果有较大幅度的减少，达30%～40%。

(3) 相邻墩的水平力。同前述的假设，根据本设计算例的各桥墩及桩基础的构造设计，当9 MN的船撞力横向作用于Z2墩时(作用点对应于高水位下的撞击点)，引起的与Z2墩相邻的Z1、Z3墩支座处的水平剪力分别为1 068 kN和1 471 kN。可见在船撞荷载作用下，全桥协同作用的效应较明显。