諶河水 江西華道工程技術(shù)有限公司

伍昕茹 江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1.引言

我國每年嚴(yán)重的橋梁船撞事故數(shù)目呈上升趨勢，船撞橋事故在世界各地一直在不斷發(fā)生，船撞橋事故的頻率遠(yuǎn)比想象的更高。很多船撞橋事故輕則損失數(shù)萬元，重則人員傷亡、損失以數(shù)百萬、數(shù)千萬甚至數(shù)十億美元計(jì)，大量的間接損失更是難以計(jì)算。

本文依托《交通運(yùn)輸部辦公廳國家鐵路局綜合司 國鐵集團(tuán)辦公廳關(guān)于印發(fā)船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動實(shí)施方案的通知》及《江西省船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動領(lǐng)導(dǎo)小組關(guān)于印發(fā)贛江、信江區(qū)段通航代表船型船隊(duì)的通知》，對跨越贛江的新井岡山大橋進(jìn)行抗船撞計(jì)算與分析。分析了在船撞擊力作用下橋梁的抗船撞性能。橋梁上、下游通航孔照片如圖1～2所示。

圖1 橋梁上游通航孔

圖2 橋梁下游通航孔

2.有限元研究方法

船橋撞擊過程中船舶的計(jì)算模型的外形和尺寸參考《江西省船舶碰撞橋梁隱患治理自查評估贛江、信江區(qū)段通航代表船型船隊(duì)》中新干樞紐至贛州水尺區(qū)段的通航代表船型。船舶計(jì)算模型的主要尺寸可見表1。橋區(qū)范圍內(nèi)船的平均行駛速度取2.5m/s。

表1 船舶的主要參數(shù)

本文應(yīng)用有限元LS-DYNA軟件計(jì)算了橋梁結(jié)構(gòu)總體、局部受力及結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力的動態(tài)響應(yīng)。船舶計(jì)算模型由兩部分組成，分別為船艏碰撞區(qū)域和后面部分船體。由于碰撞過程中的碰撞區(qū)域在船頭，所以對于該部分計(jì)算模型做了比較精細(xì)的描述，見圖3～4。

圖3 船舶撞擊位置網(wǎng)格

圖4 整船模型

幾何模型有限元離散采用ANSYS APDL完成，單元數(shù)目總共270萬，混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)采用solid164單元，最小網(wǎng)格尺寸0.3m。鋼筋采用link160單元，最小尺寸0.6m。拉索采用link167單元，最小尺寸0.5m。橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型局部網(wǎng)格如圖5～6所示。

圖5 新井岡山大橋幾何模型

圖6 新井岡山大橋有限元模型局部網(wǎng)格

船舶撞擊位置根據(jù)通航水位以及吃水深度確定，船舶撞擊主塔位置如圖7所示。由于新井岡山大橋9、11號墩與10號墩不一致，故還需要考慮船舶撞擊9號或者11號墩的情況，船舶撞擊11號墩位置如圖8所示。

圖7 船舶撞擊主塔位置

圖8 船舶撞擊11號墩位置

斜拉橋混凝土主要材料等級見表2?；炷翉椥阅Ａ俊⒚芏?、泊松比等材料屬性根據(jù)不同混凝土等級確定。

表2 混凝土材料表

3.船舶撞擊主塔仿真結(jié)果分析

主塔及下部結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力云圖時程變化如圖9所示。從圖中可以看出，在碰撞過程中撞擊處的剪切應(yīng)力較大5.67Mpa～9.077Mpa。碰撞結(jié)束后，主塔與塔座連接位置剪切應(yīng)力較大在1.873Mpa～2.621Mpa之間。對于C30混凝土容許剪應(yīng)力為2.85Mpa，因此主塔被撞擊區(qū)域易發(fā)生剪切破壞。

圖9 主塔及下部結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力時程變化(t=0.52s、0.88s、0.96s、1.28s)

主塔及下部結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖時程變化如圖10所示。圖中可以看出，碰撞過程及碰撞結(jié)束后主塔與塔座連接處的第一主應(yīng)力值比其他位置大，最大可達(dá)到8.383Mpa左右。對于C30混凝土的容許拉應(yīng)力為2.01Mpa，因此主塔與塔座連接處易發(fā)生拉伸破壞。

圖10 主塔及下部結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力時程變化(t=0.52s、0.76s、0.96s、1.28s)

主塔與塔座連接處的截面上第一主應(yīng)力云圖如圖11所示，其值在3.3Mpa～4.812Mpa之間，可以看出易發(fā)生拉伸破壞區(qū)域較大。

圖11 主塔及下部結(jié)構(gòu)連接處截面第一主應(yīng)力云圖(t=0.92s)

4.船舶撞擊邊墩仿真結(jié)果分析

邊墩剪切應(yīng)力云圖時程變化如圖12所示。從圖中可以看出，邊墩大多數(shù)區(qū)域剪切應(yīng)力在2.42Mpa以下。在支座處、撞擊位置以及橋墩和承臺連接處剪切應(yīng)力較大，均大于C30混凝土容許剪應(yīng)力值2.85Mpa，因此支座處、邊墩被撞擊區(qū)域以及橋墩和承臺連接處易發(fā)生剪切破壞。

圖12 邊墩剪切應(yīng)力時程變化

邊墩第一主應(yīng)力云圖時程變化如圖13所示。圖中可以看出，碰撞過程及碰撞結(jié)束后橋墩及承臺連接處第一主應(yīng)力值比其他位置大，遠(yuǎn)大于C30混凝土的容許拉應(yīng)力2.01Mpa，因此橋墩及承臺連接處易發(fā)生拉伸破壞。

圖13 邊墩第一主應(yīng)力時程變化

邊墩順橋向截面在t=0.68s時刻的剪切應(yīng)力和第一主應(yīng)力云圖如圖14和15所示。從圖中可以看出邊墩在撞擊位置、橋墩與承臺連接處易發(fā)生剪切破壞區(qū)域大小。以及橋墩和承臺連接處發(fā)生拉伸破壞的區(qū)域大小。

圖14 邊墩順橋向截面剪切應(yīng)力云圖

圖15 邊墩順橋向截面第一主應(yīng)力云圖

5.分析結(jié)論

對于船舶撞擊主塔，在撞擊位置產(chǎn)生了較大剪切應(yīng)力，因此易發(fā)生局部剪切破壞。在主塔與塔座連接處第一主應(yīng)力較大，易發(fā)生局部拉伸破壞。

對于船舶撞擊邊墩，邊墩被撞擊區(qū)域以及橋墩和承臺連接處存在較大剪切應(yīng)力，因此易發(fā)生局部剪切破壞。橋墩及承臺連接處同樣容易發(fā)生局部拉伸破壞。