桥墩撞击力计算方法

船舶对桥梁的撞击是桥梁设计需要十分重视的课题,不同的计算方法结果差异很大。

文章结合广东东江水系上在建桥梁的实例,对国内外现行的防撞设计研究方法进行分析与比较,并根据工点情况选用适合的研究方法。

关键词:桥墩;船撞力;分析;运用
1概述
随着交通运输事业的迅猛发展,一个综合的立体运输体系正在国内迅速发展,跨越大江大河及海洋的桥梁日益增多。

与此相对应,在建和已建成的桥梁被撞事故也逐年增加。

据统计,长江上发生的船撞桥事故超过120起,其中武汉长江大桥被撞就达68次。

2007年6月发生的九江大桥桥墩被撞,导致出现200m长桥面垮蹋、数人死亡的重大安全事故。

因此,对船舶等撞击桥梁墩台进行专门研究,合理确定防撞设计标准及配套的安全设施,显得紧迫而必要,具有重要的现实意义,而合理确定撞击力,则是防撞设计首要的环节和基础。

船舶撞击力的选取是否恰当,直接影响桥梁结构的安全性和桥梁方案的经济性。

在船只碰撞事故中,要确定船对桥梁结构的碰撞力是非常复杂的,既取决于船舶特性和桥梁结构,包括船舶类型、尺寸、速度、船体强度和刚度,桥梁撞击部位尺寸、形状、质量和测向抗力特性,还受碰撞环境、撞击力的偏心和水深影响。

目前国内外对船舶撞击力虽有很多研究,国内外的规范中也有相关规定,但因撞击力计算是一个复杂的力学问题,国内外不同的规范所采用的方法不同,计算结果相差也
较大,在实际运用中带来较大的困难。

本文结合广东东江水系太阳洲东海航道上正在建设的一座桥梁为例,结合国内公路、铁路现行规范,美国AASHTO规范和目前运用较为广泛的德国沃辛公式,对桥墩撞击力计算方法及运用做简单分析。

2撞击力计算方法简述
经典力学中,处理碰撞问题,一般利用冲量定理和冲量矩定理来确定碰撞双方运动变化的关系,以经验性的恢复系数k来反映碰撞过程中机械能损失的程度,其中相撞的两物体简化为质点,未深究碰撞过程中的力的变化和量度以及具体材料抗冲击性、弹塑性及物体自身的结构组成问题。

然而桥梁下部结构与外物的碰撞过程远不象经典力学假设的质点-速度系统那样简单。

漂浮物或船只以初速度与桥墩台接触,双方碰撞的局部区域在瞬时冲击力下形成材料弹、塑性变形或脆性破坏;接下来桥墩台发生弹性挠度变形并分别向上下传递,导致上部结构与墩台顶部发生同步或异步位移,地基土、岩体在瞬时作用下产生弹塑性变形;接下来产生弹性变形的各部位依次恢复,而塑性变形则仍然保留,碰撞双方脱离开或是不再相互作用。

这一过程时间短、速度快,由于影吶因素繁多,对撞击荷载的计算比较复杂。

从工程角度而言,计算都趋于简单化,省略掉次要因素,保留主要因素以能较为准确地反映实际碰撞力。

美国公路桥梁设计规范(AASHTO-1994)。

因为桥梁被碰撞事件绝大多数是由于暴风雨气候下空驳挣脱锚缆后顺水冲击桥梁所致,故AASHTO规范要求:对于位于水深超过0.6m处的桥墩,一律采用最小撞击力。

最小撞击力按一条标准底卸式内河驳船计算,大于标准底卸式内河驳船的,其撞击力根据驳船宽度之比修正。

3设计条件
本文以广东东江水系上正在建设的一座桥为例,运用上述撞击力公式,对计算结果作计算与比较。

太阳洲东海原为内河VI级航道,根据通航标准航道净宽为25m,通航净高为6m。

由于水道接近口门段,现有航道水深超过3.0m,地方政府及航道主管部门已将下游规划为5000t级码头港区航道,因此该桥位处通航等级定为Ⅲ级,船舶等级按1000t内河船舶考虑,通航净空取为110m×10m,通航孔为单孔双向,一个主通航孔。

因河道与桥位斜交25°,桥梁采用(99+180+99)m跨径,上部结构为预应力混凝土连续梁,中间墩采用单壁实心矩形墩。

根据该桥位通航标准(III级),船舶等级按1000t内河船舶考虑,1000t内河船舶尺度(长×宽×吃水深度)为
49.9m×15.6m×2.8m。

载重为1000t的内河船舶自重约667t,船舶的最大排水量为1667t。

桥位处实测水流最大流速为0.89m/s,100年一遇的设计流速为1.215m/s。

根据水下地形图,通航水深最低为4.9m,船舶安全航行速度为5节,即2.5m/s。

船舶撞击桥墩的撞击速度,则取决于船舶的航速、桥梁构件距桥下航行中心线的位置及船身长度。

在航道范围内的桥梁构件,其受撞击的速度V为船舶航行速度;在航道边缘,撞击速度呈线性减小,至离航行中线3倍船身长度处,达到最小的撞击速度,可取年平均水流速度。

据航道部门的了解,下水方向的船
速当通过桥梁时,宜为水流流速的3倍左右,以便于控制航向,不至于随波逐流撞击桥墩。

4撞击力计算分析
根据上述撞击力计算结果,国内公路、铁路规范计算结果较为接近,而美国AASHTO规范和德国沃辛公式则较为接近,且国外规范或公式计算结果远大于国内规范计算结果,是国内规范计算结果的2.39～3.27倍。

根据上述公式分析,国外工程界在初期只考虑船舶的质量和速度,用一个简单的方次和一个综合系数表示;后来将质量和速度分开选用两个不同的方次,再后来又考虑到船舶实际装载,即实际质量。

国内公路及铁路规范考虑到冲撞的动态属性,在铁路规范中计入船舶和墩的总刚度,刚度越大冲撞力越大,在冲撞中两者刚度小者先变形限制了力的上升;公路规范则直接用冲量公式,引入冲撞时间,是最符合物力分析的方法。

经过比较,美国规范和沃辛公式适合于大吨位的散装或集装船,计算出的船舶撞击力比我国现行公路规范和铁路计算值大的多;我国公路规范飘流物公式存在碰撞时间的取值问题,对计算结果影响很大;铁路规范中两个刚度与冲撞时间互为函数,而如何从刚度到时间还需从理论和实践验证。

国内公路和铁路规范撞击力计算公式较为符合物理学的动态原理,也较为符合国内实际情况。

国内公路和铁路规范对撞击力的计算结果较为接近,铁路规范计算船舶撞击力比公路规范的计算值略大。

根据本工程具体情况,推荐采用铁路规范计算的船舶撞击力作为船舶撞击力进行设计。

5结语
(1)国内公路及铁路规范考虑到冲撞的动态属性,较为符合物理学的动态原理,也较为符合国内实际情况。

(2)美国规范和沃辛公式适合于大吨位的散装或集装船,计算出的船舶撞击力比我国现行公路规范和铁路计算值大的多。

(3)通过对国内外不同规范、公式计算结果的比较,本文推荐采用采用了铁路规范计算的船舶撞击力作为船舶撞击力进行设计。