吉顺莉，陆萍

（江苏航运职业技术学院，江苏 南通 226010）

近年来，随着全国交通基础设施建设的日益加快，跨越通航水域的桥梁不断增多，对于水中设墩的跨航桥梁，船舶碰撞跨河桥梁的风险日趋加大，且事故频发。为了进一步提升通航桥区水域通航环境，有效防范船舶碰撞桥梁事故发生，本文结合某通航桥梁抗撞性能评估实例，为提升桥梁防撞能力提供支撑，保障跨河桥梁安全和船舶航行安全。

1 桥梁基本情况

该大桥是高速公路大桥，主跨为PC 变截面连续箱梁，桥梁中心线轴线与航道中心线夹角为15°，本桥所在航段航道等级为五级，规划三级。

本桥为双幅桥，全长903 .4 米，桥面全宽28m，采用预应力连续箱梁结构型式。桥梁共31 孔，中间第16#孔主跨双向通航，单幅涉水桥墩2 个，共4 个。

桥梁结构立面图、结构平面图见图1 至图2 所示。

2 桥梁抗撞性能验算

2.1 相关参数确定

2.1.1 验算工况

依据交通运输部指南相关要求，本次桥梁综合评估抗撞性能验算主要针对现状设防代表船型开展，同时补充验算了建设期工况及规划航道等级对应船型验算，具体船型吨级取值如表1：

表2 桥梁抗船撞设防目标

2.1.2 桥梁性能标准

桥梁抗撞性能标准是桥梁抗撞能力是否满足的判别尺度，与桥梁的重要性等级、设防水准及构件性能等级息息相关。

本桥梁为高速公路上的大桥，依据《公路桥梁抗撞设计规范》相关要求[1]，桥梁抗船撞设防目标均为P1，桥梁的总体结构和构件受船舶撞击后其承载能力和通行能力均不能降低，各部构件均保持正常工作，船舶的撞击过程中结构仍处于弹性阶段，只能发生局部损伤（如保护层混凝土剥落等）影响桥梁的耐久性，需要进行耐久性的补修。

2.1.3 设防代表船型

验算中提出的设防代表船型是作为计算桥墩、防撞设施船舶撞击力使用，取单船作为计算船舶撞击力的代表船型，本桥的代表船型为1000 吨级单船，兼顾90TEU 集装箱船和1 拖+5×1000 拖带船队。代表船型尺度为60×10.8×2.5（长×宽×吃水，单位m）。

2.1.4 材料力学特性

（1）混凝土：通航孔主墩桥墩及承台为C30混凝土，钻孔桩为C30 水下混凝土，上部结构采用C50 混凝土，容重γ=26kN/m3，弹性模量分别为E=3.45x104MPa、E=3.00x104MPa。

（2）钢筋：HRB400 钢筋抗拉强度fsd=300MPa。

2.1.5 荷载

2.1.5.1 二期恒载

包括桥面混凝土铺装、沥青铺装及依据横向分布影响线分配的护栏荷载。

2.1.5.2 流水压力

作用于桥墩上的流水压力按《公路桥涵设计通用规范》第4 .3 .9 条计算[2]。

2.1.5.3 船舶撞击力[3]

2.1.5.3.1 计算方法

通过对各规范船舶撞击力理论、演变分析，并依据《桥梁通航安全风险及抗撞性能综合评估工作及技术指南》相关要求，本桥梁的抗撞性能评估参照《公路桥梁抗撞设计规范》，为了更准确地得到真实的桥梁抗撞性能，采用强迫振动法（动力法）进行抗撞性能分析验算。

强迫振动方法可以提供更合理的船撞效应计算结果，是将船撞作用力的时程曲线施加于桥墩上，进行时程分析得到桥梁的响应。

2.1.5.3.2 船舶撞击速度

桥梁的设防船撞力与设防代表船型及船舶撞击速度息息相关，本桥梁船舶撞击速度是根据桥区水域的实测数据确定，对各桥梁过桥船舶速度进行实测，船舶过桥航速在1.7m/s～3.7m/s 之间，参照AIS 系统，选取不同时段具有代表性的过桥航速作为本次设计的船舶撞击速度，同时参照《上海市内河跨航道桥梁水中墩防撞（护）设计导则》的相关规定，Ⅱ～Ⅴ航道防撞速度取3.61m/s，Ⅵ～Ⅶ航道取2.77m/s，综合考虑，取该大桥船舶过桥航速为3.6m/s。

2.1.5.3.3 船舶排水量

采用5%准则确定，即取95%分位对应的船舶在载重吨作为计算船舶撞击力载重吨。

船舶排水量＝载重吨/0.75=1933 吨。

2.1.5.3.4 船舶撞击作用点

根据《公路桥梁抗撞设计规范》《公路桥涵设计通用规范》取设计最高通航水位线以上2.0m 位置作为撞击力作用点。

2.1.5.4 活载

（1）汽车荷载：按原设计文件，根据《公路桥涵设计通用规范》规定取用，公路一Ⅰ级。

（2）汽车冲击力：汽车荷载考虑冲击系数，按《公路桥涵设计通用规范》第4.3.2 条取用。

2.1.6 荷载组合

根据《公路桥梁抗撞设计规范》（JTG/T 3360-02-2020）第4.3.2 条规定，船撞力作用效应是考虑船撞作用的偶然组合下的作用效应设计值，考虑的作用包括永久作用标准值、流水压力标准值、汽车荷载标准永久值及设防船撞力，船舶撞击的荷载组合为：1.0 永久作用标准值＋1.0 设防船撞力标准值＋1.0 水流、波浪压力标准值＋0.4 汽车荷载标准值（考虑冲击系数）[7]。

2.1.7 桩—土相互作用

桩侧土对桩基的约束效应采用土弹簧来进行模拟（节点弹性支承），土弹簧刚度计算采用《公路桥涵地基及基础设计规范》（JTG 3363-2019）中给定的"m"法计算[4]。

2.1.8 边界条件

连接桥梁上、下 部结构的支座采用弹性连接模拟，支座约束特性通过输入的弹性连接刚度模拟；支座与上、下部结构之间通过主从约束连接：盖梁与桥墩、承台与桩基之间均通过主从约束连接。

2.1.9 结构重要性系数

结构重要性系数取为1.0（偶然组合）。

2.2 抗撞性能验算结果

2.2.1 模型建立

通过Midas/Civil 建立全桥有限元模型，共离散为807 个单元，840 个节点，其中主梁、桥墩、桩基等均采用梁单元模拟[5]，并模拟桩—土相互作用，计算模型如图3 所示。

图3 该大桥抗撞性能分析模型

2.2.2 基于现状设防代表船型桥梁抗撞性能验算

依据有限元分析结果，本桥考虑船舶撞击力的偶然组合作用下的作用响应分析包括桥墩、桩基础及支座等，如下所示。

2.2.2.1 桥墩强度

船撞作用偶然组合下桥墩剪力、弯矩及轴力包络见图4 所示。

图4 大桥桥墩响应包络图（kN）

船撞作用偶然组合下桥墩最不利位置强度验算结果见表3 所示。

表3 大桥桥墩强度验算结果表

表4 桥墩变形能力验算

经计算，通吕运河大桥桥墩顺桥向轴压比为0 .075＜0 .5，墩柱顺桥向剪跨比为1.7 ＞ 1.5，根据《公路桥梁抗撞设计规范》（JTG/T 3360-02-2020）第4.3.3条及附录A.1.3 规定进行桥墩变形验算。

2.2.2.2 桩基强度

大桥桩基顺桥向、横桥向均属于矮墩，按《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T2231-01-2020）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）、《公路桥梁抗撞》、《公路桥梁抗撞设计规范》（JTG/T 3360-02-2020）验算偶然组合下桩基强度。

船撞作用偶然组合下桩基抗剪、抗压承载力验算结果见表5。

表5 大桥桩基强度验算结果表

2.2.2.3 桩基竖向承载力

大桥桩基竖向承载力验算结果见表6 所示。

表6 大桥桩基竖向承载力验算结果表

2.2.2.4 桩基位移

依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019），验算桥墩桩基冲刷线处位移，见表7 所示。

表7 大桥桩基冲刷线处位移验算结果表

2.2.2.5 支座

依据《公路桥梁抗撞设规范》（JTG/T 3360-02-2020），对通航孔主墩盆式支座水平位移及水平承载力进行验算，见表8 所示。

表8 大桥盆式支座验算结果表

3 结论

依据相关规范，船撞作用偶然组合下对该大桥桥墩、桩基及支座进行抗撞性能验算，主要结论如下：

（1）按照原建设期《公路桥涵设计通用规范》对应Ⅲ级航道设防标准，桥梁抗撞承载能力及变形满足规范要求。

（2）按照现状设防代表船型，参照《公路桥梁抗撞设计规范》相关条文进行验算，桥梁抗撞承载能力及变形满足规范要求。

（3）按照规划航道等级对应代表船型，参照《公路桥梁抗撞设计规范》相关条文进行验算，桥梁抗撞承载能力及变形满足规范要求。