桥梁结构受货船撞击后的影响分析★

刘 奇，江俐敏，罗 浩

(1.中铁上海设计院上海先行建设监理有限公司，上海 230011； 2.武汉职业技术学院建筑工程学院，湖北 武汉 430074； 3.广州城建开发设计院有限公司，广东 广州 510000)

随我国交通建设的高速发展，作为跨江跨湖的桥梁工程数量也越来越多，近几年，关于桥梁被船舶撞击的事故时有发生[1-2]，如2019年4月6日，巴西帕拉州首府贝伦一座横跨莫茹河的桥梁遭货船撞击坍塌；2019年7月16日，中国广西贵港平南大桥拱肋被“粤云138”砂石船撞击，船舶驾驶台与大桥桥拱碰撞，破损严重；2020年7月7日，江西鄱阳县太阳埠大桥水域发生运砂货船撞击桥梁事件，致桥面坍塌。一方面，受撞击后的桥梁在安全性和抗震能力受到影响；另一方面，对水上交通中断和人员及货物人身财产带来威胁，因此，桥梁界对船撞击桥梁的安全问题也逐渐受到重视。

因为撞击事故具有偶发性，对撞击过程中桥梁应力变化、位移变化很难实时监测，目前针对此类问题常用的方法有理论计算方法、数值模拟分析等。常用的理论公式有:如米诺斯基理论[3](Minorsky Theory)、沃辛理论[4](Woisin Theory)、汉斯-德鲁彻理论[5](Heins-Derucher Theory),这三种方法都基于能量守恒基础上考虑船舶撞击桥梁，其理论也得到桥梁界的认可。在数值模拟分析方法上，颜海泉等[6]采用Ls-dyna 程序模拟了散货船撞击江苏苏通长江大桥承台；潘晋[7]结合实例对船舶与防护装置的碰撞过程进行了全程有限元仿真模拟。面对桥梁使用和通航安全问题，提出了相应的预防措施，如钟晓斌[8]提出考虑桥梁设计防撞冗余度，加装防撞措施等；陈琼[9]提出了智能化桥梁管理系统，主被动结合的方式从全方位、多角度进行管控。此类方法对模拟船舶撞击桥梁的稳定性分析有一定的指导意义。

本文在前人的研究基础上，采用理论分析结合数值模拟方法，以湖北境内某桥梁被货船撞击案例为例，考虑顺桥向和垂直桥向分别撞击桥墩，从桥梁被撞击后的全桥应力和位移两方面展开分析，进一步判断桥梁受撞击后的影响，并针对此类船舶撞击桥梁的事故从设计、施工以及管理方面提出防撞措施，为类似桥梁受撞击的防护措施提供参考[10]。

1 工程案例现场情况

1.1 桥梁工程概况

该公路桥梁为先简支后连续梁桥，全长195.58 m，桥面宽9.5 m，桥跨组合为5×20 m(预应力空心板)+1×30 m(预应力T梁)+3×20 m(预应力空心板)，采用柱式墩台、钻孔灌注桩基础，桩长从20 m～26 m不等。桥梁技术指标为公路Ⅱ级，通航等级为Ⅵ级。

1.2 货船情况

撞桥的货船共有两艘，货船全长为25.5 m，宽为2 m，事发时，两艘货船均为满载河沙，单艘货船总质量约为30 t，由于河流上游水库开闸，导致下游洪水位上升，货船失控顺江而下，并依次撞击于三号和五号桥墩，撞击桥墩后，在桥墩上有明显的撞击痕迹，桥梁产生了晃动，事故现场如图1所示。

2 工程案例分析

2.1 撞击力确定

一般而言，船舶在撞击桥梁时，其撞击方向不是固定的，可能会从任一角度撞击桥墩，其最不利的情况是船舶垂直桥向撞击或者顺桥向撞击，为了模拟货船撞击桥梁的最不利情况，本文从顺桥向和垂直桥向分别撞击桥墩进行考虑。通过对比国内外船舶撞击桥梁的众多经验计算公式，按最不利荷载计算结果分别进行选取，其中垂直桥向的撞击采用《铁路桥涵设计基本规范》，顺桥向的撞击采用米诺斯基—捷勒—沃辛公式进行确定[11]。

垂直桥向的撞击根据我国《铁路桥涵设计基本规范》规定[12]，桥梁承受平均撞击力F为：

(1)

其中，γ为动能折减系数，s/m0.5；V为船速，取2.5 m/s；α为船只撞击切线夹角，取17°；W为船舶重，取300 kN；C1,C2分别为船舶与桥墩的弹性变形系数，设C1+C2=0.000 5 m/kN。

将已知条件代入式(1)后进行计算，得到垂直桥向的最大撞击力大小为580.9 kN，将此数据作为有限元数值模拟时的垂直桥向撞击力进行计算分析。

顺桥向的撞击按照米诺斯基-捷勒-沃辛公式[12]进行计算。

P=24(VD)2/3

(2)

其中，P为船的撞击力，kN；V为船速，取2.5 m/s；D为船排水量，取30 t。

将已知条件代入式(2)后进行计算，得到顺桥向的撞击力大小为213.5 kN，将此数据作为有限元数值模拟时的顺桥向撞击力进行计算分析。

2.2 有限元模型

采用北京迈达斯技术有限公司的数值分析软件MIDAS/CIVEL进行，模拟过程按两只货船分别撞击三号桥墩和五号桥墩作为两种工况展开分析，通过现场调查三号桥墩柱长11.7 m，桩长20 m，五号桥墩柱长14.6 m，桩长26 m，桥梁采用C40混凝土材料，桥梁桩基底端采用固定约束，桥面两端采用单向约束，考虑到货船在撞击过程中主要是通过船缘部分与桥梁的接触方式碰撞，因此，撞击荷载采用集中荷载的方式，桥梁受撞击模型见图2。

2.3 有限元分析结果

现场撞击过程中，货船与桥墩并不是垂直撞击，而是呈一定角度斜向撞击，从桥梁安全角度考虑，在进行数值模拟时，按最不利撞击情况考虑，分别从垂直桥向和顺桥向两种方式进行分析。

2.3.1 三号桥墩分析结果

1)垂直桥向撞击。

考虑撞击时水位及货船高度，取撞击点为距梁底7.0 m处进行分析，其作用点如图3所示。

受货船垂直向撞击后全桥的应力分布如图4所示，应力变化较大区域主要在受撞桥墩处，其最大值位置位于撞击部分，最大应力值为σ=-6.41 MPa。

受货船垂直向撞击后全桥的位移变化如图5所示，通过大变形显示，最大值位置位于撞击部分，其最大位移值为s=1.99 mm，其他部分的变形影响较小。

2)顺桥向撞击。

受货船顺桥向撞击后全桥的应力分布如图6所示，应力变化较大区域主要在受撞桥墩处，最大值位置位于撞击部分，其最大应力值为σ=-2.52 MPa。

受货船垂直向撞击后全桥的位移变化如图7所示，通过大变形显示，最大值位置位于撞击部分，其最大位移值s=0.82 mm，除撞击桥墩上方桥面板有一定的变形影响外，其他部分的变形影响较小。

对比现场三号桥墩的破坏情况，现场桥墩表面撞击处只出现了擦痕，擦痕长度大约25 cm，初步判断撞击时间较短，没有明显的裂隙和缺块，桥墩与盖梁连接处未发现有裂缝，说明不论是从垂直桥向撞击，还是顺桥向撞击，对三号桥墩的影响不大。

2.3.2 五号桥墩分析结果

1)垂直桥向撞击。

同样，考虑撞击时水位及货船高度，取撞击点为距梁底7.0 m处进行分析，其作用点如图8所示。

受货船垂直向撞击后全桥的应力分布如图9所示，应力变化较大区域主要在受撞桥墩处和桩基底部，最大值位置位于撞击部分，其最大应力值σ=-7.36 MPa。

受货船垂直向撞击后全桥的位移变化如图10所示，通过大变形显示，最大值位置位于撞击部分，其最大位移值s=1.97 mm，其他部分的变形影响较小。

2)顺桥向撞击。

受货船顺桥向撞击后全桥的应力分布如图11所示，应力变化较大区域主要在受撞桥墩处和桩基底端，最大值位置位于撞击部分，其最大应力值σ=-2.73 MPa。

受货船垂直向撞击后全桥的位移变化如图12所示，通过大变形显示，最大值位置位于撞击部分，其最大位移值s=0.74 mm，除撞击桥墩上方桥面板有一定的变形影响外，其他部分的变形影响较小。

通过对比现场五号桥墩的破坏情况，桥墩表面出现了较长的擦痕，擦痕长度大约40 cm，初步判断撞击时间比三号桥墩时间长，但没有明显的裂隙和缺块，桥墩与盖梁连接处未发现有裂缝，说明不论是从垂直桥向撞击，还是顺桥向撞击，对五号桥墩的影响不大。

通过数值模拟分析，从撞击最大应力来看，两艘货船对三号墩和五号墩在垂直撞击下的最大应力值分别为σ=-6.41 MPa,σ=-7.36 MPa，顺桥向撞击的最大应力值分别为σ=-2.52 MPa,σ=-2.73 MPa。均满足桥梁混凝土材料最大抗压强度以及桥梁允许最大变形值要求。

3 预防对策

针对货船撞击桥梁的事故分析，从桥梁的设计、施工以及后期管理三方面提出以下预防措施：

1)设计角度。根据现场货船撞击桥梁后出现的破坏现象，从桥梁自身的安全稳定性及后期使用耐久性考虑，提高桥梁设计的安全冗余度，建议在中间三号至五号墩柱增加系梁，加大桥梁对撞击承载能力；对常水位附近增厚保护层，必要时增加柔性防船撞击设施。

2)施工角度。在施工过程中，建议采取必要的措施，如在常水位附近桥墩表面涂抹防水材料，增加桥梁使用寿命，防止桥墩出现老化，并使用高强混凝土进行修复，在桥墩外围布置刚性较大的防撞圈，设置夜间通行醒目标志，在施工结束后建立桥梁运营监测系统。

3)管理角度。加强桥梁与河道管理部门之间的沟通，桥梁运营管理部分应加强航道通行管理措施，设置通航警示标牌和限高架，在桥梁上下游一定范围内利用浮标设置通航路线；通航管理部门加大巡航力度，加强监管，加强船舶操作人员的安全责任意识。

4 结论

本文采用理论分析结合数值模拟方法，对比不同方法，确定了货船撞击桥梁的最大撞击力，并考虑垂直向和顺桥向的撞击作用，模拟撞击过程中，桥墩最大应力和位移的变化规律，并提出了相应的预防措施，主要有以下结论：1)从应力变化角度分析，垂直撞击桥墩作用下，三号桥墩和五号桥墩所受最大应力值分别为σ=-6.41 MPa，σ=-7.36 MPa，满足混凝土材料最大抗压强度；顺桥向撞击桥墩作用下，三号桥墩和五号桥墩所受最大应力值分别为σ=-2.52 MPa，σ=-2.73 MPa，均满足混凝土材料最大抗压强度。2)从桥梁变形角度分析，垂直撞击桥墩作用下，三号桥墩和五号桥墩所受最大位移值分别为s=1.99 mm，s=1.97 mm，满足混凝土材料最大抗压强度；顺桥向撞击桥墩作用下，三号桥墩和五号桥墩所受最大位移值分别为s=0.82 mm,s=0.74 mm，均满足桥梁允许最大变形值。3)从桥梁设计、施工和管理三方面出发，提出了相关的预防货船撞击桥梁的对策和措施，对桥梁正常使用及货船安全通航提供了保障。