基于有限元法的桥梁抗船撞性能计算分析

杨 旭，管群辉

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

0 引言

随着道路、铁路等交通设施的快速发展，跨越内河通航水域的桥梁不断增多，加上船舶大型化发展，船舶碰撞桥梁的风险日趋加大［1-2］，迫切需要按照航道区段标准统一的要求，提出实施范围航道区段设防代表船型、船队，并在此基础上开展桥梁安全风险隐患自查评估。为提高航道通航保证服务水平，规范桥区水域船舶通航秩序，提升桥梁防撞能力，建立健全防范化解安全风险的长效机制，交通运输部与国家铁路局、国铁集团联合发布了《船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案》（交办水〔2020〕69 号）。根据《船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案》的统一部署，需要按照“各负其责、科学评估、防治结合、综合施策”的原则，全面排查和治理船舶碰撞桥梁全隐患，进一步健全安全管理责任体系，坚决防止重大事故发生［3-4］。因此，进行桥梁的船撞性能研究，对防范桥梁安全风险隐患有重要意义。

1 总则

某桥桥长816 m，桥面宽15 m，桥型由三种跨径的简支T梁组成，采用桥面连续、结构简支的结构形式，跨径组合为11 m×16 m+6 m×30 m+2 m×50 m+6 m×30 m+11×16 m，为双孔单向通航。通航孔位于河道中央，通航孔跨度为50 m，净宽44 m，上底宽35 m，净高8 m。桥梁导助航设施比较完善，桥梁上下游两岸设有管线标，桥墩现状无防撞设施。本次工作验算通航孔桥墩的抗撞性能。

根据《公路桥梁抗撞设计规范：JTG/T 3360-02—2020》，桥梁抗船撞性能验算应分别进行强度验算和变形验算，并符合下式规定：

式中：Rd为桥梁的抗船撞性能；Sad为桥梁构件在考虑船撞作用的偶然组合下作用效应设计值；G为桥梁结构永久作用标准值；F为设防船撞力；Fw为水流、波浪压力准永久值；Qqk为汽车荷载准永久值。

根据《公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015》第4.1.6 条规定，船撞属于偶然作用，偶然作用各类作用的分项系数统一取1.0，参与组合的可变作用（这里指的汽车荷载）取其准永久值（分项系数为0.4），且不计汽车冲击力。

本计算采用的荷载组合如表1所示。

表1 计算所采用的荷载组合系数Tab.1 Load Combination Coefficients Used for Calculation

⑴验算项目

开展桥墩/桩抗弯强度验算、墩/桩抗剪强度验算、墩/桩弯曲变形性能验算以及桩基础稳定性验算。

⑵验算截面

对于桩承式桥墩，一般破坏的位置发生在墩底以及桩顶两个关键截面，破坏的形式为墩底的弯曲和剪切破坏、桩顶的剪切破坏，设计中一般也是对这两个关键截面的承载力进行重点验算。因此，本论文将各墩的墩底截面以及最不利单桩的桩顶截面作为验算截面。

⑶计算工况

船撞计算工况如表2所示。

表2 船撞计算工况Tab.2 Ship Collision Calculation Conditions

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型

取受力最不利的19#墩进行验算（即工况1～工况3）。本文计算采用有限元软件MIDAS Civil 2021 进行建模，模型采用梁单元进行模拟［5］。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型Fig.1 Finite Element Model

据桥梁的实际摸桩报告，考虑桩-土之间的相互作用，并在模型中采用节点弹性支承建立土弹簧以模拟桩土效应，如图2所示。

图2 使用土弹簧模拟桩土效应Fig.2 Using Soil Springs to Simulate Pile Soil Effects

2.2 荷载布置

2.2.1 恒载恒载包括结构自重、桥面铺装等，桥墩和桩基础自重由软件计算得到。

此类反应很容易进行，但一般只生成分子内具有酯的羧酸，业内戏称为“单边外交”。如果需要进一步酯化，则需在酸催化下进行一般的酯化反应。

2.2.2 汽车荷载

根据桥梁竣工图，其汽车荷载等级为汽车-20级、挂车-100。考虑到实际状况，本文按照公路-I级进行活载的计算，分别考虑单孔单列、单孔满列、双孔单列和双孔满列时的汽车荷载布置情况，详细表格如表3所示。

表3 桥梁上部活载计算Tab.3 Calculation for Live Load on the Upper Part of the Bridge

由于轴力的增大可以提高其抗弯承载力，因此本文取“单孔单列”的工况进行计算。

2.2.3 流水压力

流水压力按照《公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015》计算，考虑冲刷深度，合力点取设计最高通航水位以下0.3倍水深处。流水压力计算结果如表4所示。

表4 19#桥墩受到的流水压力汇总Tab.4 Summary of Water Pressure on Pier 19#

2.3 截面材料特性

桥墩采用圆形桥墩，直径为1.80 m；桩基釆用直径0.60 m 的管桩。桥梁下部结构混凝土和钢筋材料特性如表5所示。

表5 下部结构主要材料Tab.5 List of Main Materials for Substructure

3 抗撞性能验算

3.1 桥墩与桩基础抗剪强度验算

根据《公路桥梁抗撞设计规范：JTG/T 3360-02—2020》附录A 的规定、MIDAS 模型计算结果以及截面抗剪承载力计算结果［6-8］，将桥墩底和桩基础顶部截面在静船组合和动船组合作用下的剪力设计值和抗剪承载力分别如表6和表7所示。

表6 墩底截面抗剪承载力验算Tab.6 Calculation of Shear Bearing Capacity of Pier Bottom Section （kN）

表7 桩基础顶部截面抗剪承载力验算Tab.7 Checking Calculation of Shear Bearing Capacity of Top Section of Pile Foundation （kN）

因此，桥墩墩底和桩顶截面的抗剪承载力不满足要求。

3.2 桥墩与桩基础抗弯强度验算

根据各截面的混凝土材料和配筋情况，计算各截面的P-M（轴力-弯矩）曲线，用来验算其抗弯承载力。

桥墩底和桩顶截面在动船撞力组合和静船撞力组合下的轴力设计值如表8所示。

表8 各墩偶然荷载作用下轴力设计值Tab.8 Design Value of Axial Force under Accidental Load on Each Pier（kN）

3.2.2 抗弯承载力验算

桥墩底和桩顶截面在动船撞力作用下的弯矩图如图3所示。

图3 各墩的墩底和桩顶截面在动船撞力作用下的轴力时程Fig.3 Shear Time History of Pier Bottom and Pile Foundation Top under the Impact Force of Moving Ship

墩底截面和桩顶截面的P-M曲线如图4所示。

图4 墩底截面和桩顶截面P-M曲线Fig.4 P-M Curve of Bridge Pier Bottom Section

桥墩墩底、桩顶截面在偶然荷载作用下的的轴力均由受压状态变位受拉状态，因此亭角大桥桥墩墩底、桩顶截面抗弯承载力不满足要求。

3.3 桥墩与桩基础弯曲变形性能验算

对于钢筋混凝土柱式构件，其弯矩-转角关系可以采用图5规定的理想弹塑性模型进行描述。

图5中a点表示截面等效屈服点；b点表示极限变形点；1、2、3 点分别对应构件的性能等级1、2、3；My表示构件截面等效屈服弯矩；Mu表示构件截面极限弯矩；θy表示构件塑性铰区等效屈服转角；θu表示构件塑性铰区极限转角；α表示构件性能等级系数，其取值如表9所示。

表9 下部结构主要材料Tab.9 List of Main Materials for Substructure

根据《公路桥梁抗撞设计规范：JTG/T 3360-02—2020》附录A，对于钢筋混凝土柱式构件的弯曲变形性能等级的界限值按照下式确定：

式中：θd为弯曲变形性能等级的界限值（rad）；θy为构件塑性铰区等效屈服转角（rad）；α为构件性能等级系数，对于JX1性能的钢筋混凝土构件，α取0；θpu为构件塑性铰区的极限塑性转角（rad）；K为构件极限塑性转角的安全系数，取1.5；ϕu为塑性铰区极限曲率（m-1）；ϕy为塑性铰区屈服曲率（m-1）；Lp为塑性铰长度（m）。

桥墩墩底、桩顶截面在偶然荷载作用下的的轴力均由受压状态变位受拉状态，因此桥墩墩底、桩顶截面的弯曲变形性能不满足要求。

3.4 桩基础整体稳定性验算

在静船撞组合下各墩的桩顶最大位移如表10 所示，各墩的桩顶最大位移为横桥向408.690 mm，因此桩基础稳定性不满足要求。

表10 静船撞组合下各墩的桩顶最大位移Tab.10 Maximum Displacement of Pile Top of Each Pier under the Combination of Static Ship Collision

4 结论

通过对桥梁墩底、桩顶截面的抗剪承载力、抗弯承载力、弯曲变形性能和对桩基础整体稳定性进行验算，结果表明，在3 000 t 船舶静船撞力和动船撞力工况的作用下，墩顶截面抗剪承载力、抗弯承载力和变形性能均不满足要求；桩基础的抗弯承载力、变形性能和整体稳定性均不满足要求，桩顶在横桥向撞击下最大位移为408.690 mm。

建议对通航孔桥墩（18#～20#）增设固定式钢覆复合材料防撞设施［9-10］，防撞设施标高范围-0.5～5.26 m，以提高桥墩的抗撞性能；建议加装主动预警装置，并由各有关部门加强现场管理，避免发生船撞桥事故。