船撞条件下钢筋混凝土桁架式悬索桥承载能力评估

2018-06-05许华聪

福建建筑 2018年5期

许华聪

(福建省永正工程质量检测有限公司福建福州 350012)

0 引言

随着国民经济的发展，跨越大江大河的桥梁越来越多，各类船舶的数量、吨位、航速不断增加，船舶撞击桥梁的事故越来越多[1]。国内外学者围绕着船舶互相碰撞做了大量的研究，研究重点主要集中在：船舶撞击力的确定，船舶撞击桥梁概率、桥墩与桥梁的破坏，船桥碰撞仿真数值研究同，防撞设施的研制等[2-3]。

钢筋混凝土桁架式悬索桥是福建省20世纪90年代修建的一种特色桥型。受限于当时的建造水平及资金情况，此类桥梁目前普遍存在病害发展迅速且各构件、指标富余系数偏低的情况[4]，而且此类桥梁普遍建设在具有通航需求的大江大河上。随着大型船舶的不断增多和管理不善，目前部分桥梁已发生过船舶撞击事故。此类桥梁的船舶撞击问题与目前船舶撞击研究的重点不同，船舶撞击的部位集中在钢筋混凝土桁架上，而非桥墩，此类的研究目前相对较少。

本文拟以某钢筋混凝土桁架式悬索桥受到一次船舶撞击为工程背景，对船舶撞击的此类桥梁进行承载能力检测评估，以期为类似工程提供一定的借鉴。

1 工程背景

某三跨简支钢筋混凝土桁架式悬索桥位于福建某出海口，海上经济是当地收入的主要支柱之一。桥梁全长466.0m，主跨为208.0m。近年来，大型运输船舶越来越多，原有设计通航高度富余较少，桥梁受船舶撞击的风险日益增大。2016年10月18日20时50分，海水处于涨潮期间，桥梁被运沙船海润635号撞击，现场撞击图如图1所示。

图1 船舶撞击图

2 船舶撞击过程及影响分析

2.1 撞击过程及特点

结合视频资料、走访及外观调查分析，此次船舶撞击的特点及影响分析如下：

(1)由于海水处于涨潮期间，桥下净空减少；而运砂船海润635号又处于空载状态，吃水较浅；船长疏于观察，未将输送带架放平，最终导致输送带架撞击桥梁。

(2)撞击时船舶未开启船身动力，顺流而下。输送带架首先撞击到38#～39#吊杆间，第一个撞击点为下弦杆，持续约1s，然后是两根斜撑处；随后船舶被卡在桥梁前方，船长紧急开启动力，带动整个船舶逆流后退，并放下输送带架。整个过程持续约5min。

(3)根据事后调查，撞击时，船身重量约为500t。当时水流速度约1.96m/s。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 021—15)附录四[5]计算可知，第一次撞击的下弦杆处撞击力计算如下：

P=Wv/(gT)=(5000×1.96)/(9.81×1)≈1000kN

式中：W为漂流物重量(kN)；v为水流速度(m/s)；T为撞击时间(s)；g为重力加速度，取9.81m/s2。

(4)根据外观检测结果，船舶撞击处，下弦杆、斜杆处节点及两根斜杆存在混凝土剥落，骨架外露；其中下弦杆和其中1根斜杆处钢筋外露、扭屈变形，但并未发现钢筋断裂。撞击处附近吊杆仅发现局部漆皮剥落现象。主缆、支座等未见明显滑移现象。部分外观检测照片，如图2所示。

图2 船舶撞击位置病害照片

2.2 影响范围分析

采用MIDAS有限元软件建立桥梁三维有限元模型，并赋予初始刚度。将撞击力等效为一个集中力，作用于下弦杆上，对桥梁进行拟静力计算(仅对第一处撞击点进行计算)。建立的桥梁模型如图3所示。部分计算结果如图4～图5所示。

图3 桥梁有限元模型

图4 横桥向位移静力计算结果

图5 应力静力计算结果

由图中可知，船舶撞击的主要影响范围在撞击处附近约6m；在撞击处附近，下弦杆位移及应力均产生突变；桥梁最大横向位移达到28.9cm；撞击点应力远远超过混凝土拉应力允许值。这与实际外观检测结果一致。

3 基于考虑损伤模拟的桥梁承载能力检算

船舶撞击后，桁架部分构件出现混凝土碎裂，甚至可能失效的情况。因此，下文通过采用考虑损伤后的桥梁进行模拟计算(模拟的方法是构件截面折减)，对桁架主要构件承载能力进行检算分析。

3.1 桥梁自振频率检测评定

采用环境随机振动法测定桥梁结构竖向自振频率。通过在上游侧桥面吊索处布设竖向加速度传感器，以观测桥梁竖向自振特性，全桥共布置42个测点，测点布置如图6所示。

表1 实测自振频率与理论自振频率对比

图6 加速度传感器纵桥向布置图

从表1中可知，尽管桥梁局部构件损伤，但桥梁实测自振频率大于计算值，且振型基本一致，说明桥梁整体刚度仍满足要求。根据文献[6]中第5.9.2条的规定，该桥自振频率评定标度为2。另外，从表1中也可知，第三阶实测与理论差异略大，这说明理论模拟中的一些假设，如忽略梁梁连接、梁柱连接带来的尺寸变大效应等，可能会对结构的高阶计算频率产生较大影响。

3.2 构件承载能力恶化系数

桥梁承载能力检算前，除对桥梁进行自振频率检测外，还对桥梁进行外观及结构无损检测。限于篇幅，本文不再赘述。该悬索桥检测结果汇总如表2～表4所示。

表2 承载力恶化状况评定标度

注：由于钢筋锈蚀电位评定标度为1，混凝土电阻率、混凝土碳化状况、氯离子含量不检测，标度直接取1。

根据表2及文献[6]第7.7.4条的规定，承载能力恶化系数取0.04。

3.3 截面折减系数

根据表3及文献[6]第7.7.6条的规定，截面折减系数取0.98；钢筋截面折减系数取1.0。

表3 材料风化、碳化及物理与化学损伤评定标度

3.4 承载能力检算系数

根据表4及文献[6]第7.7.1-2条的规定，轴心受拉时，承载力检算系数Z1=0.995；轴心受压时，承载力检算系数取Z1=1.09；对于拉索构件，根据外观检测结果，取Z1=1.0。

表4 桥梁承载力检算系数

3.5 检算工况

根据上节分析结果，这里主要对被撞击处附近6m左右的截面进行构件承载能力计算，验算荷载为设计荷载(汽-10级，人群荷载3.5kN/m2)。计算工况如表5所示。

表5 承载能力检算工况

图7 桥梁静载试验测试截面(单位：cm)

3.6 承载能力检算结果

根据文献[6]第7.3.1条及7.5.1条的规定，计算结构最终极限承载能力。

对于钢筋混凝土构件，按下式进行计算评定：

γ0S≤R(fd,ζcαdc,ζsαds)Z1(1-ζe)

(1)

式中，γ0为结构的重要性系数；S为荷载效应函数；R(·)为抗力效应函数；αdc为构件混凝土几何参数值；αds为构件钢筋几何参数值；其余参数见上文。

对于吊杆构件，按下式进行计算评定：

(2)

式中：Tj为计入活载影响修正系数的计算索力；A为索的计算面积；[σ]为容许应力限值。

根据式(1)和式(2)进行承载能力计算，限于篇幅，各构件尺寸及钢筋配置不再赘述，最终计算结果如表6所示。

表6 承载能力检算结果

注：模型1、模型2定义参考表5。

因此，根据文献[6]第3.2.4条的规定，模型2中，纵桁下弦杆作用效应的比值为1.03，处于1.0～1.2的范围内，需要通过荷载试验来评定桥梁的承载能力。

4 基于荷载试验的桥梁承载能力检算

通过对桥梁进行静载试验及承载能力检算，确定桥梁承载能力是否满足要求。

4.1 静载测试项目

根据桥梁的结构特点及现阶段技术状况，对主桥受海润635号船舶撞击受损截面进行静力荷载试验，主要测点布设距船舶撞击处两侧6.0m处。静载试验测试截面如图7所示，测试项目为加劲桁架控制截面杆件在试验荷载作用下的应力(应变)及挠度。

4.2 试验车辆及加载布置

试验采用4辆约20t两轴重车，荷载试验效率为0.98，车辆布置图如图8所示。

(a)加载车辆平面布置图

(b)加载车辆横向布置图图8 车辆布置(单位：cm)

4.3 测点布置

应变测试采用电阻应变片和DH3819型静态应变仪进行采集。根据第3.6节的检算结果，本次测点主要布置在桥梁受损截面(1-1)附近6m的下弦杆处。累计布置6个应变测点，如图9所示。

主桥挠度采用全站仪进行测试。挠度测点布置在受损截面，累计布置2个挠度测点。具体测点布置如图10所示。

(a)下游侧纵桁应变测点布置图

(b)上游侧纵桁应变测点布置图图9 应变测点布置

图10 挠度测点布置

4.4 静载测试结果

部分现场试验照片如图11所示。表7～表8列出荷载作用下各应变及挠度测点的实测值和理论计算值。

图11 试验现场

测点位置试验值(με)构件测点编号实测值残余理论值(με)校验系数相对残余应变(%)纵桁下弦杆下游侧上游侧1523146420.792.682287163320.825.573425135520.753.06442405830.730.00537594720.782.406345214240.766.09