双肢薄壁墩连续刚构桥抗撞性能研究

岑贞志

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

连续刚构桥具有结构简单、跨越能力大、施工便利和经济性好的优点,在大跨桥梁建设中应用广泛。而大跨桥梁桥下往往为通航河道,随着我国河道通航等级的逐步提升和船舶吨位快速增大,船舶与桥梁碰撞风险不可忽视。连续刚构桥桥墩一般为双肢薄壁墩,具有纵向刚度较小、适应主桥伸缩变形的优点,但薄壁墩体型较小,在抗船撞方面可能存在不足。为了解决这个问题,本文以实际工程为背景,对连续刚构桥双肢薄壁墩的抗撞性能进行深入的研究。

1 桥梁概况

崇左市丽江大桥位于崇左城区左江大道,跨越左江,连接城西片区与丽江新区。主桥为预应力混凝土连续刚构桥,主桥桥跨布置为(84+160+84)=328 m,全桥长521 m。主桥下部结构中主墩为双肢薄壁墩,过渡墩为墙式墩。大桥总体布局示意图见图1。

图1 丽江大桥总体布局示意图

丽江大桥建设标准:设计时速50 km;设计汽车荷载:城-A级;设计洪水频率:1/300;通航等级:Ⅲ级,通航净空114 m×10 m(净宽×净高),单孔双向通航。

2 通航船舶与船桥碰撞参数

2.1 代表船型

左江为郁江的一级支流,自龙州县城到左右江汇合口,天然水位落差为42.6 m,河道平均比降为0.152‰,窄段河道宽度一般在100～150 m,宽段河道宽度一般在250～300 m,枯水期河道水深一般在3.0 m左右。根据《珠江流域综合规划(2012—2030年)》,左江(龙州至宋村三江河口)为1 000吨级航道,预测到港货运船型将以500～1 000吨级船舶为主,旅游船舶以20～150 t客位为主。

货船吨位重,只考虑货船进行船桥冲撞分析。航道货船虽以500～1 000吨级船舶为主,但也有1 000吨级以上船型,因此船桥碰撞分析代表船型选择2 000吨级货船,代表船型的尺度见表1。

表1 代表船型尺度表

2.2 船舶撞击速度

船舶撞击速度以航道中心线为基准,沿航道中心线以撞击速度与桥墩与航道中心线距离满足图2的关系进行偏航,采用船舶可达性分析方法,确定各桥墩处船舶撞击速度。

图2 设计船舶撞击速度计算曲线图

图中:V——设计船舶撞击速度(m/s);

VT——船只正常行驶的速度(m/s);

Vmin——可根据所在水域多年平均流速确定船舶的最小设计撞击速度(m/s);

X——桥墩中心线到航道中心线的路程(m);

XC——通道中心线到通道边缘的路程(m);

XL——距离航道中线3倍于船长的距离(m)。

在确定撞击力的关键要素中,根据船舶失控情况,其下限值V取水流速度,上限值V取正常船舶航速(含水流速度),需要根据通航船舶在桥址的航速调查和气象水文调查来确定。其中,流速包括洪水期高水位、枯水期低水位、高航行水位等多种情况。值得注意的是,撞击速度沿航道中心线向两侧递减,3倍船长以外的可通航水域仍然有撞击速度,意味着仍然有撞击力。

表2列出了按照上述方法计算丽江大桥航道边桥墩撞击速度的结果。

表2 船舶撞击速度计算结果表

2.3 船舶撞击力

船桥碰撞过程虽持续时间短,但集合了材料非线性、几何非线性及边界非线性,各种作用相互耦合,结构响应难以完全模拟。通过学术界的多年研究,已经总结出了一套相对简单和容易实现的仿真计算方法,收录在《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)[1],规范规定了应当结合设防代表船型、撞击速度、被撞体厚度、船艏高度等因素来综合考虑轮船的设防船撞力,并给出了计算公式,丽江大桥主墩4#、5#墩船舶横桥向和顺桥向的撞击力结果如表3所示。

表3 船舶撞击力计算结果表

3 桥梁撞后分析

3.1 计算模型

采用三维有限元软件Midas Civil对全桥结构进行结构建模分析,并着重进行了船桥碰撞分析,以检验墩柱结构的抗撞安全性。全桥共建184个单元、199个节点。有限元模型见图3。

图3 丽江大桥主桥结构有限元仿真模型图

3.2 撞机分析工况

桥梁抗撞性能分析计算需进行不同的荷载组合,按照“永久作用+可变作用+一种偶然作用”的形式计算桥墩的撞击响应,利用动力时程分析方法分析桥墩受船舶撞击的响应,得到关键部位的内力及变形情况,采用最不利工况计算结果进行防撞性能验算。结合该项目桥梁结构特点及现有相关研究成果,确定高水位情况下船舶撞击为该项目的最不利碰撞工况,具体撞击计算工况如图4～5所示。

图4 船舶正撞的计算工况模型图

图5 船舶侧撞的计算工况模型图

由于结构具有对称性,因此正撞和侧撞均仅考虑4#墩受撞的工况。

3.3 撞击时程函数

船桥碰撞问题属于动力问题,直接计算难度大、耗时长,因此常用等效静力法模拟,即将动力问题等效为静力问题求解,但等效静力方法忽略了冲击动力效应,已有的研究表明,该方法有时会产生工程设计不可接受的误差。为了改进误差,本次将采用强制振动法对桥梁主体结构的船撞效应进行分析和计算。强制振动法起源于动力学的理论,目前已发展成熟,其计算结果较为可靠。

强制振动法的船桥碰撞过程可根据下列公式模拟:

(1)

(2)

式(1)(2)中,0<τ<1。

(3)

经计算,船舶撞击力的时程荷载曲线如图6所示,可导入有限元分析模型。

图6 桥墩受撞力的时程荷载曲线图

3.4 撞击响应

通过理论分析和建模计算,得到桥墩的结构响应,计算工况分为正撞工况和侧撞工况,分别列出两个工况的内力图,如图7和图8所示。

(a)轴力

(a)轴力

4 抗撞性能评估

4.1 墩身抗弯性能评估

丽江大桥抗船撞设防目标为P1级,即结构构件的安全性能完全保持,局部允许损伤,可以进行耐久性的补修。

根据这个要求,结构可以部分进入塑性,但不应全截面进入塑性,换言之,要求构件在船撞作用下的截面弯矩应小于等效屈服弯矩。

通过弯矩-曲率计算的纤维模型,将钢筋看作弹塑性竖向纤维,混凝土分为保护层混凝土和钢筋内部的核心混凝土,采用不同的本构关系曲线,分别划分为小网格,也将其等效为竖向纤维,于是可以计算出桥墩构件的M-φ曲线。4#墩截面纤维模型和M-φ曲线如下页图9～10所示。

图9 4#墩截面纤维模型图

(a)横桥向

计算得到的4#墩截面等效屈服弯矩My与船舶撞击计算弯矩M的对比结果如表4所示。

表4 桥墩抗弯计算结果对比表

通过验算,船舶横桥向撞击所产生墩底弯矩小于等效屈服弯矩,4#墩墩身满足抗弯性能要求。

4.2 墩身抗剪性能评估

墩身抗剪性能评价可根据《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T3360-02-2020)的规定计算,计算公式复杂,篇幅较长,本文不详细列举,可翻阅规范查看。

根据该桥的实际情况,4#墩的墩身抗剪计算参数按照表5取值。4#墩墩身抗剪承载能力设计值通过复杂计算如表6所示。

表5 桥墩截面抗剪承载力计算参数取值表

表6 桥墩截面抗剪承载能力验算结果表

通过计算,4#桥墩墩身最不利截面在横桥向、顺桥向船舶撞击力作用下所承受剪力小于桥墩自身抗剪承载力设计值,顺桥向船舶撞击力作用下所承受剪力均小于桥墩自身抗剪承载力设计值。4#桥墩抗剪性能满足要求[2-3]。

5 结语

本文以丽江大桥为背景进行了桥梁抗撞性能研究,根据计算分析,该桥在通航代表船型2 000吨级船队碰撞速度3.4 m/s条件下,船队若意外撞击墩柱,桥梁结构或构件承载能力能满足规范要求,并且通过荷载的设计值和构件承载能力值相比较,该桥承载能力仍具有一定的富余,这说明双肢薄壁墩连续刚构桥具有较好的抗撞效果,该桥型一般不会因为船舶的撞击而受到较大的损害。但为确保桥墩结构及船舶安全,建议设置简易的防撞设施。

连续刚构桥具有较好的抗撞性能,分析原因,主要可以归纳为以下三个方面:

(1)连续刚构桥双肢薄壁墩配筋富余,截面强度和截面韧性较好。该桥桥墩为单肢截面尺寸为6 m×1.8 m的双肢薄壁墩,但钢筋配筋率达到3.8%,配筋充足,计算截面弯矩-曲率后发现,截面强度高,并且韧性好,可以有效传递荷载和分散荷载,因此抗撞承载能力好。

(2)连续刚构桥自重较大,可以有效提供桥墩预压力。混凝土连续刚构桥由于上构较为庞大,梁高最高达到了10 m,因此给桥墩提供了良好的预压力。而且,由于双肢薄壁截面较小,预压力产生的压应力较大,这种压应力恰好克服了混凝土抗拉能力弱的缺点,使得桥墩结构抗撞性能力好。

(3)连续刚构桥桥梁跨径较大,桥墩结构虽为薄壁墩,但大跨桥梁相比中小跨径桥梁,桥墩结构仍然偏大,因此大跨径桥梁普遍具有良好的抗撞效果。

本文针对连续刚构桥双肢薄壁墩抗撞性能进行了研究,发现其具有较好的抗撞性能,同时分析了良好抗撞性能的形成原因。研究成果对同类型桥梁的防撞设计起到指导作用,同时也为设置防撞设施提供了借鉴。鉴于目前船桥碰撞研究还较为缺乏,详细的动力学实体模型研究和工程试验将是下一阶段的研究重点。