船撞钢筋混凝土箱型拱桥受力性能及稳定性研究

黄海珊，林本虎，梁高荣，2

（1.广西交建工程检测咨询有限公司，南宁 530024；2.广西路建工程集团有限公司，南宁 530001）

近年来，随着航运事业的不断发展，内河航运吨位越来越大，航运船只撞击桥梁的事件时有发生，给桥梁安全及人民生命财产带来极大隐患。船桥碰撞问题也越来越引起学者们关注，并对船桥碰撞问题开展研究。郭健等[1]运用层次分析法和熵权法对舟山朱家尖跨海大桥进行船撞桥风险评估，并提出相应的风险控制对策及措施。钟智福等[2]以某船撞桥梁为工程背景，基于桥梁鉴定检测结果，提出桥梁加固措施。王贵春等[3]研究了不同桩土模型下的船桥碰撞动力性能差异、船舶航速和质量对桥墩船撞动力性能的影响，并比较采用相关经验公式和各国桥梁设计规范评估撞击力时的适用性。曹明等[4]采用动力分析软件LS-DYNA进行了不同船速、不同通航水位、不同基础形式和不同船型等因素对船撞力的影响分析研究，并对船撞力计算公式提出改进方法。张爱锋等[5]采用非线性有限元仿真方法，研究船舶航速、船舶载况、碰撞角度和横向偏移距桥墩截面形式5个因素对船桥碰撞力及接触时间的影响，得出各因素作用下船撞力差异。可见，对船撞桥梁的安全评估，以往的研究成果大多针对桥梁下部结构的船桥碰撞问题，而对于上部结构遭受撞击后的承载能力研究则鲜有报道。本文以某钢筋混凝土箱型拱桥为对象，运用数值模拟的方式对拱圈遭受船舶撞击前后桥梁的受力情况、活载作用下桥梁挠度及稳定性进行了分析研究。

1 工程背景

某钢筋混凝土箱型拱桥桥梁全长366.2 m，桥梁宽度12.5 m，桥梁跨径组合为5×65 m。上部结构为钢筋混凝土箱拱，每跨7片拱箱，拱箱为悬链线拱箱，m=1.988，f0/L0=1/7，混凝土材料等级为C30。下部结构为重力式桥墩桥台，墩台基础为扩大基础。桥梁单向坡度为0.75%，西低东高。桥梁设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100级，航道等级为6级航道，于1987年建成通车。该桥某年遭受通航船舶凸起物沿拱底全截面划过，损伤宽度约20 cm。桥梁跨径布置图如图1所示。

2 有限元模型的建立

采用专用桥梁结构计算软件Midas Civil建立该钢筋混凝土箱型拱桥模型。考虑到该桥桥墩抗推刚度较大，忽略连拱效应，因此仅建立被撞桥跨的有限元模型。建模时，跨中拱顶受损处在20 cm内以去除拱肋截面底板的方式进行模拟；该桥为实腹式上承式拱桥，仅考虑主拱作为主要承重结构。有限元模型如图2所示。

3 结构计算分析

3.1 结构损伤前后拱顶拱肋应力对比分析

在分析结构船撞损伤前后拱顶拱肋应力时，考虑以下荷载组合。

（1）组合1：恒载+GC+人群；

（2）组合2：恒载+QC+人群；

（3）组合2：恒载+GC+人群+温升；

（4）组合2：恒载+GC+人群+温降；

（5）组合2：恒载+QC+人群+温升；

（6）组合2：恒载+QC+人群+温降。

不同荷载组合下，结构损伤前后拱顶与全拱肋的最大应力计算结果见表1；限于篇幅，文章仅给出组合1和组合2的全拱肋应力云图，如图3和图4所示。

表1 结构损伤前后不同荷载组合下拱顶与全拱肋的最大应力 MPa

由表1可知，拱顶损伤前后主要影响的是恒载以及温度荷载作用下的应力，对恒载与活载共同作用下的影响较小：恒载单独作用时拱顶损伤后拱顶最大应力增大28.09%，全拱肋最大应力增大1.35%；恒载与活载（不论是GC还是QC）共同作用时，损伤前后拱顶最大应力相差不超过1.50 MPa，且不论叠加何种车辆荷载，全拱肋最大应力基本不发生变化，但应该注意的是，车辆荷载为GC时拱肋最大应力的最大增幅会比QC大5.00 MPa左右；降温对全桥的影响大于升温。

3.2 结构损伤前后挠度对比分析

在分析船撞前后桥梁挠度时，考虑以下荷载组合。

（1）组合1：GC+人群；

（2）组合2：QC+人群。

2种荷载组合作用下拱肋的最大挠度见表2，相应的拱肋变形如图5和图6所示。

表2 不同荷载组合作用下拱肋的最大挠度mm

由表2可知，2种荷载组合作用下，船撞前后拱顶拱肋最大挠度基本相同。由图5和图6可知，2种荷载组合作用下拱顶损伤前后拱肋出现最大挠度的位置均在约L/4跨处。

3.3 结构损伤前后结构稳定性对比分析

对结构进行稳定性分析，结果见表3，屈曲模态如图7所示。由表3及图7可知，损伤前后结构首次发生失稳时的稳定系数及屈曲模态基本未发生变化，稳定系数约为22.11，屈曲模态为面内失稳。且前10阶内未发生面外失稳。

表3 损伤前后结构首次发生失稳时的稳定系数及屈曲模态

3.4 影响线及车辆加载分析

在最不利荷载作用下，拱肋出现最大应力时的影响线如图8所示。可见，拱顶在船撞损伤前后，当拱肋在最不利荷载作用下达到最大应力时，活载的布置位置相同。

考虑到拱肋所用材料为C30，为保守计算，以荷载组合“恒载+QC+人群”作用下的拱肋最大应力值-10.66 MPa作为标准进行车辆加载分析。

按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》里的标准车辆，在图9中影响线范围内施加车辆荷载，在拱肋最大应力达到-10.66 MPa时停止加载，以此时的车辆数作为桥梁限载通行数量。通过分析表明：当车辆达到4辆时，拱脚最大应力为-11.42 MPa（如图9所示），与-10.66 MPa基本吻合，因此建议限制4辆以下的标准车辆通行。

4 结束语

通过借助有限元软件采用不同的荷载组合，对某钢筋混凝土箱型拱桥被船舶撞击后的受力状态和稳定性进行模拟分析，结果表明：

（1）在不同荷载组合作用下，结构损伤前后拱顶最大应力差值均小于1.50 MPa；

（2）结构损伤前后拱肋最大挠度、稳定性系数和最不利荷载作用下的最大应力位置基本保持不变。

（3）采用影响线进行模拟分析，给出桥梁通行车辆的限载数量。