航道上的桥梁结构船撞抗力分析

航道上的桥梁结构船撞抗力分析

陈正

(重庆交通大学土木工程学院，重庆400074)

摘要：伴随着社会经济的快速发展，交通运输业的发展也

不断加快，现代化的大吨位船舶数量也日趋增加，为保证船 舶和桥梁结构的安全，对航道上的桥梁桥墩进行船撞抗力分 析，是一项系统性的安全保障工程。

墩船撞力其船撞抗力的比较，检验和评价主墩的结构安 全性。

3)根据桥墩船撞抗力的计算结果和防撞安全度标准，确 定是否采用防撞设施5

关键词：航道;桥梁;船撞抗力计算 中图分类号SU442. 5

文献标志码:A

文章编号：1672 - 4011 (2017) 07 - 0140 - 03

DOI: 10. 3969/j. issn. 1672 - 4011. 2017. 07. 067

1

工程概况与计算目的

以广东省某大桥为计算背景，该大桥为6 x33 +4 x50 + (82 +2 x 128 +82) +7 x 50 + 6 x 16 m 的 27 跨混凝土梁式 桥。桥梁全长为1 274. 87 m，宽度为12. 5 m。主桥为82+2

x 128 +82 =420 m的四跨一联预应力混凝土连续箱梁桥。

大桥于1999年6月建成。桥梁设计荷载标准为汽车-超20 级，挂车-120,设计洪水位为22. 766 m(黄海高程），设计洪 水频率标准为1/100,设计地震烈度为6度，按7度设防。

设计最高通航水位为20. 49 m (20年一遇洪水位，黄海 高程），设计最低通航水位为〇. 70 m。

大桥的设计通航标准为内河一级航道，设计通航船舶吨 级为3 000 t，设有两主通航孔和两副通航孔4主通航孔设计 净高为12. 5 m，设计净宽为90 m;副通航孔设计净高为8 m， 设计净宽为70 m。随着船舶吨级的增大而增大，主桥11号 〜13号主墩的船撞频率、承受的船撞力也将变大，因此，进行 桥梁桥墩抗力计算是很有必要的。

桥墩的船撞抗力，是桥墩承载能力极限状态能抵抗的船 舶撞击力。肇庆西江大桥主墩船撞抗力的计算，目的是检验 主墩设计船撞荷载作用下有无FRP防撞浮箱保护的结构安 全性提供计算依据和评价标准。

桥墩船撞抗力计算的计算目的，可分项表述如下。1)

根据桥墩各控制计算水位（最高通航水位和最低通航

水位）、船撞危险方向（横桥向正撞、顺桥向正撞）和承载能 力极限状态计算得到的主墩各构件不同受力状态和最不利 作用效应组合的船撞抗力，确定保证桥墩和全桥结构安全的 最小极限抗力。

2)

根据桥墩各控制计算水位（最高通航水位和最低通航

水位）、计算船撞方向（横桥向正撞、横桥向斜撞）和桥墩保 护模式（无浮箱保护模式和有浮箱保护模式）计算得到的主

收稿日期=2017 -03 -10;修回日期:2017 -03 -13

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计算假定:当船撞力让主梁、桥墩及粧基等构件中最先 达到承载能力极限状态时的船撞力为桥墩抗力，计算中采用 的假定如下:①粧基按照受拉构件计算其承载能力；②墩身 按照偏心受压构件计算其承载能力e

2计算内容

大桥主墩船撞抗力的计算，主要根据桥墩承载能力极限

状态的船撞作用效应计算，确定桥墩的船撞抗力。

3荷载效应组合

在该计算分析当中采用的荷载组合为恒载+活载+横

向船撞击力，计算方法来自于桥梁规范当中船舶撞击力的计 算公式。

4计算原理

1) 采用JTJ D60 -2015《公路桥涵设计通用规范》4. 4. 的要求，假定内河船舶的撞击作用点为计算通航水位线以上 2 m处的桥墩宽度或长度的中点。航道内船舶对桥墩的撞 击力的计算可以采用静力法来进行，即将桥墩上接收到的有 效动能假定全部转化为静力功，同时，依靠|定的经验系数 计算得到。

2)

桥梁墩台的等效抗撞力主要考虑在船撞下墩结构

载能力、扩大基础的抗滑移和抗倾覆能力、地基承载力、单粧 承载力和粧基础混凝土的强度等多种因素，拟定采用承载能 力极限状态计算得到的桥墩船撞力的最小破坏值为桥梁墩 台的船撞抗力，正常使用极限状态计算得到为后期设防的抗

力值。3)

在该计算分析中，以42#墩为例进行计算，在计算

础(42 #主墩为粧基础）抗力时，将横桥向的水平作用力添加 到相应水位线以上2 m的恰当位置，从而进行计算桥墩墩底 的内力和粧基的最不利内力。计算得出内力辰，按照JT-

GD62 -2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范》5. 3. 5的要求，采用矩形截面偏心受压构件计算其正截 面抗压承载能力。等墩底或者粧基的压力接近构件自身的 抗力时，此时施加在构件上的水平力就是基础的自身最大

抗力。

2

第43卷第7期

2017 年 7 月________________________V〇1.43,N〇.7

Sichuan Building Materials_________________________July ,2017

f h丨v£讨

4)当桥梁墩台为矩形截面偏心受压构件时，它的正截面 的抗压承载力计算应符合JTGD62 -2004《公路钢筋混凝土 及预应力混凝土桥涵设计规范》5. 3. 5的要求。

5计算方法

大桥主墩船撞抗力及其设防船撞力的计算，采用如下计

图2主桥的有限元计算模型立面图

算步骤的简化计算方法0

1)

本计算分析以42#墩在最高通航水位（ 13. 606 m)处

的船撞力计算分析为例进行分析#船撞力作用位置在最高 通航水位线以上2 m处，即桥墩15. 606 m的地方为该计算桥 墩撞击力作用点，在该处添加计算得到的静力，采用大型有 限元软件MIDAS/CM1 2015计算桥墩内力和粧基内力，查我 出可能的最不利截面，然后采用MIDAS/Civil中的RC设计 分别验算查找出的各个截面的船撞抗力是否满足要求。同 理，可以采用试算得到其他墩粧能承受的最大船撞力和相应 抗力。

2)

在桥墩危险船撞方向的桥墩墩柱或承台对应计算水

位以上2 m位置的中心施加一水平撞击力P，通过主桥整体 有限元模型计算求出桥墩各构件（墩柱、承台、粧基础）在桥 梁恒载、汽车荷载、人群荷载、温度荷载、徐变荷载、风荷载和 水平撞击力P作用下的内力及其最不利荷载效应组合e3)

按照JTG D62 -2004《公路钢筋混凝虫及预应力混凝

土桥涵设计规范》和〗TG D63 -2007《公路桥涵地基与基础 设计规范》的计算规定，对桥墩墩柱、承台和粧分别进行承载 能力极限状态的正截面抗弯、斜截面抗剪、偏心受压计算及 正常使用极限状态的位移、裂缝宽度计算;对粧基础地基进 行承载力和稳定性计算，求出各构件控制截面最不利荷载效 应组合下的各受力状态最接近其截面抗力、地基极限承载力

和地基稳定牲限值的计算内力。4) 比较桥墩各构件和地基按上述方法求得的计算内力，选取承载能力极限状态最小计算内力对应的水平撞击力P 作为桥墩的船撞抗力，选取正常使用极限状态最小计算内力 对应的水平撞击力P作为桥墩的设防船撞力a

6计算模型

主桥桥墩船撞抗力和设防船撞力计算，采用有限元软件

MIDAS/Civil 2015进行模拟&

主桥单元节点数量394个，梁

单元232个，柱单元114个^对于模型边界条件，基粧底部 采用一般支承，基粧与承台采用刚性连接，连续梁桥支座位 置采用节点模拟支座进行弹性连接，土体对基粧的作用采用 土弹簧模拟，其计算模型如1〜3所示。

\\\\ m

i

图3 42#墩与桩局部模型图

6.1

材料参数

混凝土、钢筋等材料的弹性模量、设计抗压（拉）强度等 基本参数均按〗TG D62 -2004《公路钢筋混凝土及预应力混 混凝土桥涵设计规范》取值，具体数值见表1。

表1

混凝土材料参数表

构件

混凝土弹性

抗压抗拉类型标号

/MPa模量泊松比

/MPa强度

/MPa

强度

线膨胀 容重 系数 /(kN.m_3)

主梁C6036 0000.226.51.961.000 x10 ^25桥墩/ 粧基C3030 0000.213. 81.391.000 x10 -525承台

C30

30 000

0.2

13. 8

1.391.000 X10 _5

25

HRB335钢筋:抗拉设计强度fsd =280 MPa;标准强度

fsk =335 MPa;弹性模量 E =2. 1 x 1〇5 MPa。

R235钢筋:抗拉设计强度fsd = 195 MPa;标准强度fsk =

235 MPa;弹性模量 E =2. 1 x 1〇5 MPa念

6.2 设计作用

二期恒载:10 cm厚沥青混凝土铺装层与防撞护栏，采用 均布荷载模拟，其值为〇. 1 x 22 x 1 x 25 + 0. 538 x 25 x 2 = 81.9 kN/ me

汽车荷载:按照公路I级荷载标准和2车道布载要求进 行影响线布载。

水平撞击力作用点（船撞力作用点）：根据JTG D60 - 2015《公路桥涵设计通用规范》第4. 4. 2条：内河船舶的撞击 作用点，假定为计算通航水位线以上2 m处的桥墩宽度或长 度的中点。该桥桥墩墩柱的撞击力作用点，取最高通航水位 以上2 m位置处的墩柱中点

6.3高水位横桥向撞击力计算结果

1)基粧构件承载能力极限状态控制的撞击力。取不同 的撞击力值进行试算，当作用在42#墩柱显高水位以上2 m 位置中点的横向撞击力为12 000 kN时，粧基顶部达到承载 能力极限状态，粧顶即将出现偏心受压破坏#

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Vol.43,N〇.7 (T l»i 第43卷第 7 期July ,2017____________________________Sichuan Building Materials________________________2017 年 7 月

2)墩靠构件承载能力极限状态控制的撞击力。当作用 在42#墩柱最高水位以上2 m位置中点的横向撞击力为15 850 kN时，墩柱构件底部截面的承载能力达到极限状态，此 时粧基顶部早已破坏3

6. 4 高水位顺桥向撞击力计算结果

1)

柱显高水位以上2 m位置中点的顺桥向撞击力为12 600 kN 时，墩柱构件的撞击力作用点截面先达到承载能力极限 状态。

2)

基粧构件承载能力极限状态控制的撞击力。当作用

在42 #墩柱最高水位以上2 m位置中点的顺桥向撞击力为17 240 kN，粧顶截面承载力达到极限状态，墩柱已破坏，6.5低水位横桥向撞击力计算结果

当作用在42#墩柱最低水位以上2 m位置中点的横向撞 击力为11 230 kN时，基粧顶部即将出现偏心受压破坏;当横 向撞击力达到30 000 kN以上时，桥墩仍未发生破坏。6. 6

低水位顺桥向撞击力计算结果1)

墩柱构件承载能力极限状态控制的撞击力$取不同

参考文献：[1]

现偏心受压破坏，但墩柱已提前破坏。

7 42#主墩计算结果

经过对膚低水位，在横桥向和顺桥向撞击力进行计算， 得到的结果如表2。

42#主墩基础自身抗力表

水位/m高水位

(H = 13. 606)低水位(H=0.4)

方向421#主墩横桥向421#主墩顺桥向421¥主墩横桥向421¥主墩顺桥向

抗力/kN12 00012 60011 23012 410

表2 承载能力极限状态控制的撞击力，当作用在42#墩

备注

桩控制墩控制桩控制墩控制

8结论

经过分析表明:该航道上的桥梁抗力不满足船舶的撞击

力，因此，必须采取相应防撞设施加以设防，保护该桥梁Q

[ID：004434]

的撞击力值进行试算，当作用在42#墩柱最低水位以上2 m 位置中点的顺桥向撞击力为12 410 kN时，墩柱构件底部截 面的承载能力达到极限状态。

2)

的撞击力值进行试算^当作用在42#墩柱最低水位以上2 m 位置中点的顺桥向撞击力为12 810 kN时，基粧顶部即将出(上接第137页）

3组:弹性阶段（0〜29)，弹塑性阶段（29〜63)，破坏阶段 (63〜87)。弹性阶段，曲线平稳发展，可认为其一阶导数一 定，试验梁刚度几乎未发生改变；弹塑性阶段：曲线发展变 缓，可认为其一阶导数逐渐减小，试验梁刚度逐渐减小;破坏 阶段:曲线趋于水平，刚度进一减小，最后试验梁破坏。在 弹塑性阶段，可看到异常测度曲线波动异常大，可认为由弹 性阶段到塑性阶段的一个过渡阶段，刚度的异常变化a

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5结论

复杂系统理论应用于桥梁挠度变化异常检测研究，提出

更新、更高效的监测数据模式发现、结构特征向量提取、异常 检测和趋势预测方法，是进行数学、计算机科学以及桥梁工 程领域等多学科较差研究的有益探索，同时，应用复杂系统 理论来分析工程领域复杂行为具有其必要性与现实意义。

[ID：004424]

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