船撞桥梁上部结构数值仿真分析

孟媛媛

摘 要：随着我国交通事业的迅速发展，跨越河海的桥梁建设也逐年增长。跨航道桥梁常会受到船的撞击，因此跨航道的桥梁在设计时，应对桥梁的通航能力和承载能力进行重点考虑。通常，在对船桥相撞问题进行分析时，主要是通过半经验半公式的方法。随着模拟技术的发展，仿真分析得到了广泛的应用。针对船桥相撞问题论文进行了以下研究：有限元模型简化、通过实际工程对仿真计算进行分析、对桥梁的动力响应和撞击力进行分析，得到相关变化规律。为船桥相撞课题发展和研究提供了理论分析和方法。

关键词：跨河桥梁;通航能力;半经验半公式;撞击力

中图分类号：U441;U447 文献标识码：A

0 引言

我国对于船桥相撞问题的研究起步较晚。研究初期，主要针对船桥相撞的概念、撞击存在的风险、撞击时桥梁的性能变化进行分析。随着计算机水平的不断提高，大数据对各个行业的渗透，我国开始利用有限元技术对船桥相撞问题进行分析[1]。由于初期的理论基础较少，导致船桥相撞的模型过于简单，对桥墩的受力情况、变形、以及船舶的能量变化分析较少[2]。本文在前期研究的基础上，对船桥相撞的不同工况进行模拟，通过有限元软件对撞击过程中能量变化进行分析，具有一定的理论意义和参考价值。

1 工程概况

某跨航道桥，桥梁全长为164 m。桥跨跨径布置为：8×20 m+4 m，上部结构采用跨径20 m的钢筋混凝土T梁和跨径4 m钢筋混凝土板梁。下部桥墩为双柱式，桩基础为钻孔灌注桩。2019年一艘近400 t的货船从桥梁下方通行时，货船的顶部撞到了桥梁的腹板，撞击位置为第4孔1号T梁，导致梁体开裂及腹板混凝土局部脱落。

2 结构分析

2.1 桥梁上部结构模型及参数

本文研究船桥相撞的主要部位为桥梁的上部结构与船舶的甲板室，主要是针对桥梁上部结构的动力响应进行分析，因此模型在建立过程中简化了桥梁下部结构。桥梁上部结构为T梁，标准跨径为20 m。有限元模型中混凝土采用solid65单元，钢筋采用link8单元。相关材料指标按照设计规范取用。

2.2 船舶模型及参数

为便于分析，对船体曲面外观简按斜面处理。货轮尺寸为26 m×4.5 m×2.2 m（长×宽×高），甲板室的尺寸为3 m×3 m×4 m（长×宽×高）。船舶有限元模型采用SHELL163壳单元，其中船舱为3层钢板。为减少水浮力对船舶的影响，降低船舶浮动和漂流现象，对船舶Y和Z方向进行约束，释放X方向的全部约束[3]。船舶的材料参数如表1所示。

2.3 船桥相撞模型建立

船桥碰撞角度为90°，撞击接触面为桥梁腹板与船舶甲板室。在进行模拟时主要考虑的因素有：船舶行驶速度、甲板室的钢板厚度、接触面高度。通过设定不同的工况进行模拟分析。船桥相撞模型如图1所示。

2.3.1 撞击力

当发生船桥相撞时，从二者接触开始，撞击力的变化为先增大，后减小。接触瞬间撞击力的增长速率较大，在一定的碰撞接触时长下，撞击力将达到最大值，然后撞击力开始出现小范围的波动，随后开始减小直到撞击力降低为0。

2.3.2 速度

当船桥发生撞击到船速降为0 m/s时，用时为816 ms，当发生船桥相撞时，船舶的行驶速度开始降低。在撞击力的持续作用下，船舶开始反向行驶，达到计算结束的时间时，船舶行驶速度为0.51 m/s。

2.3.3 能量变化

因能量守恒，船桥相撞时，船舶的内能会突然增长。但随着船舶的撞击速度增长，内能占总能量的比重越来越低，此时的内能已经转化为变形能，同时也说明桥梁变形吸收的能量较少。通过分析可以总结出：发生船桥相撞时，桥梁的破坏较小，船舶的破坏较大。且速度越快，船舶变形越严重。

2.3.4 位移

船舶的甲板室与T梁碰撞时，桥梁腹板会发生横向位移，通过对腹板的外侧和内侧位移进行分析可知：T梁腹板内侧位移最大值为350.89 mm，外侧位移最大值为351.24 mm，说明发生撞击时腹板内外侧位移基本无差别。

3 桥梁动力响应分析

3.1 不同速度影响

船桥相撞时，船舶的速度对T梁以及自身甲板室的影响较大，因此在碰撞高度以及甲板室的钢板厚度一定的条件下，分析不同速度对撞击效果的影响。船舶不同行驶速度工况如表2所示。

通过对不同速度工况下船桥相撞进行模拟分析，主要分析指标为撞击力和位移，具体如下。

3.1.1 撞击力变化

当速度由0.5 m/s变化到4.0 m/s时：随着速度的增大，撞击力发生的响应也越来越大。通过纵向比较，撞击力的最大值与速度的最大值具有良好的相关性。以撞击力大小为因变量，以速度大小为自变量，对模拟数据进行拟合，结果表明二者的相关系数为0.974，同时进一步证明速度对撞击力具有较大影响。拟合的撞击力-速度变化曲线如图2所示。

3.1.2 位移变化

为说明不同撞击速度下桥梁位移的变化规律，选取腹板底部节点和翼缘板外侧节点进行分析。腹板节点位移（y）与撞击速度（x）间存在关系为：y=﹣18x2+177.5x-19.53。通過模拟分析与公式表明：撞击速度由4 m/s变化到0.5 m/s时，腹板节点的位移量在逐渐减小，且位移最大值也在逐渐减小。利用相同的方法对翼缘板的节点进行分析，二者的相关系数为0.994，说明速度对腹板位移影响程度较大。

3.2 不同撞击高度影响

撞击高度对T梁的上部结构影响程度较大。因此在撞击速度、钢板厚度相同的条件下，选取撞击高度为0.1～0.8 m，通过撞击力和节点位移的变化情况来说明撞击高度的具体影响。不同撞击高度工况如表3所示。

3.2.1 撞击力变化

经分析不同撞击高度情况下撞击力变化规律可知：撞击力随撞击高度的增大而增大。通过对模拟数据进行拟合，撞击力的最大值与撞击高度存在线性关系。二者的相关系数高达0.991。拟合的撞击力-高度变化曲线如图3所示。

3.2.2 位移变化

为说明不同撞击高度下桥梁位移的变化，选取腹板底部节点和翼缘板外侧节点进行分析。对于腹板节点选取时，应考虑混凝土失效引发位移失真。经分析得出结论为：在8种不同工况下，腹板节点的位移值变化规律一致，腹板节点位移先增加，在特定的撞击高度下达到最大值，然后缓慢降低。翼缘板位移变化情况与腹板情况相同。通过对模拟数值进行拟合，得出节点位移（y）与撞击高度（x）之间的关系：y=﹣345.7x2+225.2x+139.4。通过对该方程对应曲线进行分析，验证了上述结论的正确性。

3.3 不同钢板厚度影响

在速度和撞击高度相同的条件下，建立不同钢板厚度的船舶模型，针对撞击力和节点位移进行分析，如表4所示。

3.3.1 撞击力变化

通过对3种工况下撞击力的模拟数据进行分析可知：甲板厚度越大，撞击力的最大值越大。钢板厚度越大，撞击力减小到0的时间越短，主要原因为钢板厚度增加，船桥的撞击力增加，二者碰撞时的能量交换较大，动能转化为内能的速度变快。通过对模拟数据拟合发现：钢板厚度（x）与撞击力（y）间满足一次函数关系y=0.777x-2.776，相关系数为0.98，验证了以上数据分析的正确性。

3.3.2 位移变化

为说明不同钢板厚度下桥梁位移的变化，选取腹板底部节点和翼缘板外侧节点进行分析。通过对3种工况下节点的位移的模拟数据进行分析可知：钢板厚度越大，腹板产生的位移值也越大。翼缘板位移变化情况与腹板情况相同。通过对模拟数值拟合发现：钢板厚度（x）与节点位移（y）间满足一次函数关系y=49.19x-286.7，相关系数为0.999。

4 撞击力分析

4.1 不同速度影响

通过对不同速度下的撞击力最大值与规范值进行对比得出速度-撞击力变化规律如图4所示：当速度为0.5～

3.0 m/s时，计算值大于各国的规定值;当速度为3.0 m/s时，计算值与美国的规定值较为接近;当速度为3.5～4.0 m/s时，计算值小于美国规定值，大于其他国家的规定值。（其中仿真值为模拟分析结果，公路规范、铁路规范均为中国规范，且规范计算值与模拟分析计算结果差异较小，本文对此进行忽略）。

4.2 不同撞击高度影响

通过对不同撞击高度下的撞击力最大值与规范值进行对比得出高度-撞击力变化规律如图5所示：撞击高度在0.1～0.8 m内，最大撞击力的计算值小于美国规范值，大于其他国家规范值。（其中仿真值为模拟分析结果，公路规范、铁路规范均为中国规范）。

4.3 不同钢板厚度影响

通过对不同钢板厚度的撞击力最大值与规范值进行对比得出厚度-撞击力变化规律如图6所示：钢板厚度与撞击高度对撞击力的影响变化规律一致（其中仿真值为模拟分析结果，公路规范、铁路规范均为中国规范）。

通过对撞击力进行分析可知：各国对于撞击力的计算方法和参数取值不同，因此导致最终的规定值不同。我国撞击力最大值的规定均小于其他国家的规定，说明我国的设计过于保守。从具体的计算角度分析，国外将船桥相撞定为风险事件，而我国是将撞击力定为偶然荷载，因此在设计思路和计算方法上是不同的。

5 结语

为使计算简单，本文对模型进行了简化处理，并对桥梁上部结构以及参数进行设定。

通过对船撞桥梁动力响应进行分析研究，结果表明：

（1）船桥相撞发生过程中，撞击力先增大后减小;速度逐渐降低;能量变化为内能转化为变形能;腹板内侧与外侧位移差别较小。

（2）当速度、撞击高度、钢板厚度增大时，最大撞击力、节点位移也增大。不同速度下，计算值大于规范值;当速度为3.0 m/s时，撞击力变化与美国规定值相近;不同撞击高度、不同钢板厚度条件下，撞击力的计算值大于其他国家的规定值，小于美国规定值。本文通过模拟结果与公式计算结果进行分析，表明不同撞击速度下，二者的偏差最大值仅为计算值的2.57%。

参考文献：

[1]徐宪立，耿红，张科利，等.西部地區高速公路发展规划生态环境影响评价——指标体系构建及评价方法探讨[J].公路交通科技，2006（7）：154-157+166.

[2]徐鑫，倪朝辉，沈子伟，等.跨流域调水工程对水源区生态环境影响及评价指标体系研究[J].生态经济，2018（34）：174-178.

[3]耿恒银.水利水电工程生态环境影响评价指标体系与评价方法的研究[J].价值工程，2018（28）：15-16.