胡晓勇，刘菊玖

（广州市市政工程设计研究院，广东广州 510060）

0 前言

我国现有五千余座公路与铁路大桥，桥墩经常被船只撞击，造成桥梁结构损伤[1]。为提高桥梁在受船舶撞击力作用下的安全性，并降低桥梁的建造和维护成本，工程技术人员需要较为准确地计算评估桥梁结构受船舶撞击力后的损伤情况，作为设计与维护决策的依据[2]。

本文采用某预应力混凝土梁桥受船舶撞击工程实例，分别采用简化模型、空间杆系有限元计算分析模型、空间实体有限元计算分析模型等三种计算模型分别评定船舶撞击对该桥受力行为的影响，排查隐患，为下一步是否需要对该桥梁加固设计提供依据。

1 桥梁概况

某桥跨径组成为：12×16 m（简支T梁）+4×35 m（工字简支梁）+12×16 m（简支 T梁），桥梁全长529.74 m，桥宽17.4 m；桩基础分为两种形式、三种规格，其中：0#、28#台及12#～16#、19#桥墩采 用 Φ150 cm 钻 孔 灌 注 桩 ；4#、5#、9#～11#、17#～18#、20#～27#墩采用 Φ120 cm钻孔灌注桩；1#～3#、6#～8#采用Φ50 cm PHC高强管桩。该桥设计荷载标准：汽车-超20级、挂车-120。该桥概貌如图1所示。该桥桥墩设敷管桁架，将两根Φ480热力蒸汽管道置于桁架上。

2010年6月11日该桥13#～14#桥跨受大型船只碰撞，致使蒸汽管及保护桁架发生明显扭曲变形、个别桁架杆甚至出现断裂现象，如图2、图3所示。

图2 蒸气管桁架断裂实景

图3 蒸气管及桁架扭曲变形实景

2 结构分析模型建立

本文采用某预应力混凝梁桥受船舶撞击工程实例。为计算船舶撞击对该桥的受力影响，确定该桥的安全性，为尽快通车提供依据，分别采用以下三个步骤进行计算：

（1）通过对被撞击结构进行计算简化，对被撞击桥跨的承载能力进行初步评价，为该桥能否继续通车提供依据[3][4]。

（2）建立空间杆系有限元计算分析模型，模拟该桥受船只撞击过程的力学行为，分析桥梁的结构性能。

（3）建立空间实体有限元计算分析模型，精细模拟船只撞击所引起的附加应力、变形，以及下部结构地基土的扰动情况，精确分析撞击对桥梁产生的影响。

根据现场桁架受损情况，通过反复试算并结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（TJG D62-2004）内河船舶撞击作用标准值及肇事船只吨位偏安全取船舶撞击作用力为1 400kN。

2.1 简化计算模型

为对被撞跨桥墩进行承载能力验算，采用桥梁结构专业计算软件MIDAS2010对14#桥墩进行计算分析。建模时根据14#桥墩处地质资料及《公路桥涵地基与基础设计规范》考虑4/α桩长对结构的影响，将上部结构转化为荷载考虑上部结构的影响。

根据14#桥墩处地质资料及《公路桥涵地基与基础设计规范》公式(P.0.2-3)取：第一层土厚度h1=4.3 m,非岩石地基水平向抗力系数m=3 000 kN/m4，第二层土厚度hm=0.7 m，非岩石地基水平向抗力系数 m=5 000 kN/m4，取 r=0.980 4，m=3 039.2 kN/m4，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》公式(P.0.1-1)～(P.0.1-4)可得桩基的计算宽度b1。b1＝2.25 m，EI＝0.8EcI＝5 066 930（kN·m2），α＝0.266 7。故计算模型中考虑地面以下桩长H=4/α=14.998 m，共计考虑桩长h=18.74 m(地面以上桩长为3.74 m),从偏安全考虑，则不考虑桩土相互作用，计算模型见图4所示。

2.2 空间杆系有限元计算分析模型

为获得在船舶撞击之前与之后下部结构（桥墩和桩）的应力变化情况是该项分析的主要目的。从分析目的出发，建立空间杆系有限元计算分析模型，模拟该桥受船只撞击过程的力学行为。

图4 简化计算模型

利用Midas/Civil建立了空间杆系有限元模型，对13#墩～14#墩间桥跨进行桥梁结构验算，模型共建立了595个节点和1 132个单元，其中梁单元641个，桁架单元491个，有限元计算模型如图5所示。利用该有限元模型详细分析桥墩、桩的承载能力。

图5 桥跨受撞击空间杆系模型

2.3 空间实体有限元计算分析模型

为精确模拟该桥13#墩～14#墩间的桥跨受船只碰撞后的影响，利用ANSYS软件建立了13#～14#轴跨的空间三维实体有限元计算模型进行局部分析，梁体、盖梁、墩、桩、土采用Solid65单元模拟，桩与土之间的接触采用接触单元模拟，其中桩的表面接触用Targe170单元模拟，土的表面接触用Contac173单元模拟，用共建立了54 153个节点和46 185个单元（有限元计算模型如图6所示）。

图6 13#～14#轴全桥+土体有限元计算模型

3 计算结果及分析

3.1 简化计算模型计算结果（见表1）

表1 墩柱控制截面强度验算汇总表

采用简化计算模型，为对被撞跨桥墩的承载能力进行初步评价，以便对被撞击结构是否可继续通车做出迅速判断，本章采用桥梁结构专业计算软件MIDAS2010对14#桥墩进行简化分析。计算时根据14#桥墩处地质资料及《公路桥涵地基与基础设计规范》考虑4/α桩长对结构的影响（但不考虑桩土相互作用的影响），将上部结构转化为荷载考虑上部结构的影响。可得出如下结论：按《公路桥涵设计通用规范》取船舶横向撞击荷载P=1 400kN，在该工况下桥墩与桩基均能满足承载能力要求，结构安全。

3.2 空间杆系有限元计算分析模型计算结果 (见表2)

采用桥梁结构Midas/Civil建立空间杆系有限元模型计算，考虑了船舶撞击对桥梁结构的影响，对受船舶撞击影响的13#～14#墩间桥墩和桩进行承载力验算。13#～14#跨间桥墩计算分析结果：13#～14#跨间桥墩在自重、附加热力管道荷载和受到偶然荷载船舶撞击作用下，桥墩的承载力满足规范要求，桥墩抗裂性能满足规范要求，桩基础的承载力满足规范要求。

3.3 空间实体有限元计算分析模型计算结果（见表3）

通过对13#-14#桥跨建立空间三维实体有限元计算模型进行局部的计算分析，可以得出以下结论：桥墩在最不利荷载即：恒载+活载+船舶撞击荷载作用下，桥墩的竖向压应力约为4.97 MPa，未超过C25混凝土的抗压强度值；桩在最不利荷载即：恒载+活载+船舶撞击荷载作用下，桩的竖向压应力约为3.53 MPa，未超过C20混凝土的抗压强度值；桩底土层在最不利荷载作用下的竖向应力最大值约为1.41 MPa，未超过勘察值（岩石单轴抗压强度标准值6.0 MPa）。船舶撞击荷载对桥下部结构有一定的影响，但桥墩和桩的压应力没有超过混凝土的抗压强度标注值，桩底土层的压应力也未超过该土层的抗压强度标注值。

表2 偶然组合作用下桥墩承载能力复核汇总表

表3 墩和桩在各种荷载作用下的第三主应力值汇总表（单位：MPa）

4 结论

根据桥梁结构采取不同分析模型后的仿真分析结果，对该桥梁受船舶撞击受力行为影响分析，可得如下结论：

（1）船舶撞击致使本实例桥梁结构被撞桥跨桁架杆受到了严重的损坏，对热力管道的正常使用造成了极大的安全隐患，但总体上对被撞桥跨下部结构的极限承载能力和正常使用性能影响不是很大，尚能满足规范要求。

（2）针对桥梁结构受船舶撞击后，应该根据实际需要，针对桥梁结构被撞的病害特点，按照简化计算模型、空间杆系有限元模型、空间实体有限元模型，分层次分步骤的进行分析。既可以保证对被撞击桥跨的承载能力进行初步评价，为该桥能否继续通车提供依据，将被船撞击后的影响降低到最小限度，又能够对桥梁受船舶撞击受力行为进行全面分析，为下一步是否需要对该桥梁进行加固设计提供依据。

[1]刘建成，顾永宁.基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真[J].工程力学，2003，（05）.

[2]黄健超，李运喜，刘永健.船舶撞击连续梁桥风险评估[J].公路工程，2008，（03）.

[3]林铁良，陈艾荣，王君杰.船舶撞击桥梁风险评价[D].上海：同济大学，2006.

[4]Ship Collision due to the Presence of Bridges.Report of Working Group 19 of the INLAND NAVIGATION COMMISSION.2001.