第１０卷第２期 ２０１３年４月 铁道科学与工程学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＶＯＬ ｌ０ ＮＯ．２ Ａｐｒ．２０１３ 刚构一连续梁桥船撞桥墩最不利位置及安全性评价 胡先春 。李德建 。宁夏元 ，吴超 （１．中南大学土木工程学院，湖南长沙４１００７５； ２．湖南省交通科学研究院，湖南长沙４１００１５） 摘要：以湘府路湘江大桥（６５＋５ Ｘ １２０＋６５）ｍ刚构一连续梁桥为工程背景，采用２种方法研究了桥墩在纵横向船舶撞击 力作用下的墩身弯矩随船舶撞击高度的变化规律，以确定船撞桥墩的最不利位置。方法一采用简化计算模型进行桥墩弯 矩公式推导，方法二采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ建立空间有限元仿真全桥模型进行墩身弯矩计算。计算结果表明：有限元仿真全桥模 型计算得出的墩身弯矩与简化计算模型推导出的结论是一致的，在船撞力作用下整个桥墩中墩底弯矩最大，且墩底弯矩随 着船撞力作用点的升高而增大；简化计算模型中采用了若干简化处理，在进行桥梁船撞安全性评价时宜采用有限元仿真全 桥模型计算。本文结果对桥墩设计与船撞安全评价具有一定的指导意义，并在此基础上对此刚构一连续梁桥船撞桥墩安 全性进行了评价。 关键词：简化计算模型；有限元仿真全桥模型；刚构墩；连续梁墩；船撞桥墩最不利位置；船撞桥墩安全性评价 中图分类号：Ｕ４４３．２２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７０２９（２０１３）０２—０ｏ３０一Ｏ６ Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ——ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ—ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ＨＵ Ｘｉａｎｃｈｕｎ ，ＬＩ Ｄｅｊｉａｎ ，ＮＩＮＧ Ｘｉａｙｕａｎ ，ＷＵ Ｃｈａｏ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ ２．Ｈｕｎａｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ Ｘｉａｎｇｆｕ Ｒｏａｄ Ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ Ｘｉａｎ￣ｉａｎｇ Ｒｉｖｅｒ，ｉｔ ｉｓ ａ ｒｉｇｉｄ—ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｃｉｄｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ—ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ．Ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｎ— ｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｌａｗ ｏｆ ｐｉｅｒ ｍｏｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｈｅｉｇｈｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐ ｃｏｕｉｓｉｏｎ ａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｅｒ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｄｅｒｉｖｅ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｎｏ— ｍｅｎｔ ｆｏｒｍｕｌａ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｍｉｄｅｓ ｃｉｖｉｌ ｃｏａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｌｅ ａ ｄｉｍｉｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅ— ｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏｔａｌ ｂｒｉｄｇｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｍｏｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｍｏｍｅｎｔ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎ— ｃｌｕｓｉｏｎ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｅｒ ｂｏｔｔｏｍ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ ｔｅｎｄｓ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖｅｓｓｅｌ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｐｏｉｎｔ ｒｉｓｉｎｇ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｓｉｍｐｌｉｆｙ－ ｉｎｇ ｐｒｅｓｕｍｐｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｍｏｄｅｌ ｈａｄ ｂｅｔｔｅｒ ｂｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｖｅｓｓｅｌ—ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｓｏｍｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｖｅｓｓｅｌ—ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｖｅｓｓｅｌ—ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｘｉａｎｇｆｕ Ｒｏａｄ Ｂｒｉｄｇｅ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｍｏｄｅｌ；ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｐｉｅｒ； ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ｐｉｅｒ；ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ—ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ；ｖｅｓｓｅｌ—ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ 收稿日期：２０１２—１０—１２ 基金项目：湖南省交通科技计划项目（２０１００５） 作者简介：胡先春（１９８７一），男，湖南邵阳人，硕士研究生，从事桥梁工程研究 第２期 胡先春，等：刚构一连续梁桥船撞桥墩最不利位置及安全性评价 ３１ 随着我国经济和船舶工艺的发展，以及水上运 输可以利用天然资源的有利条件实现大吨位、长距 离运输的特点，目前我国的水上运输正呈现出日益 繁荣的趋势，各航道的船舶通行密度正越来越大， 船舶吨位也越来越高。发达的水上运输在促进经 济发展的同时也带来一个严峻的问题即船桥碰撞 问题。当前，由于跨江河桥梁的大量修建，通航船 下部结构：ｚ１一ｚ６号主墩采用花瓶墩结构形 式，底宽１２ ｍ，顶宽１９ ｍ，壁厚３．５ １ＴＩ，墩高２０．７６４ ～３１．０９７ ＩＴＩ，采用Ｃ５０混凝土，其中ｚ３和ｚ４号中 墩与梁固接，形成刚构一连续梁体系。承台为钢筋 混凝土结构，外形尺寸为１８．８ ｉｎ（长）×１３．６ Ｉｎ （宽）×４．５ ｍ（高），采用Ｃ４０混凝土。基础采用钻 孔灌注桩，每墩设ｌ２根桩，纵桥向布置３排，横桥 向布置４排，桩间距为５．２ ｍ，桩径为２ Ｉｎ，按摩擦 桩设计。 桥区所处航道等级为Ⅱ（３）级航道 Ｊ，最高通 航水位为３７．２７ ｍ，最高通航水位对应流速为１．７ 舶的规模化，加上桥区环境（如流速、风速、弯道、 冲刷、淤积等）的改变，导致桥梁船撞事故时有发 生，常常带来巨大的生命和财产损失¨ Ｊ。船桥碰 撞一直以来就是一个比较棘手的问题，国外在３０ 年前就开始得到了学者们的重视并着手研究，经过 长时间的努力，美国和欧洲等国家针对船桥撞击问 ｍ／ｓ。正常通航水位为２９．７０ ｉｎ，最低通航水位 ２３．４２ ｎｌ。最大通航船舶吨级为２ ０００ ｔ，据调查２ ０００ ｔ级的船舶满载排水量为３ ０５０ ｔ，船行最大速 题制定了专门的设计规范或指南 Ｉ４ Ｊ。但是，现有 规范主要是针对船桥撞击力的规定，对于船舶最不 利撞击点没有相应的条文说明。这对于桥梁的桥 墩抗船撞设计和已建桥梁的船撞安全评估都带来 了不便。本文以湘府路湘江大桥为工程背景，主要 对多跨刚构一连续梁桥最不利船撞力作用点进行 研究，并提出了确定船撞力最不利作用位置的建 议，以便为以后的设计和安全评估提供参考，并在 此基础上对长沙市湘府路湘江大桥桥墩船撞安全 性进行了评价。长沙市湘府路湘江大桥位于长沙 市猴子石与黑石铺大桥之间，距上、下游两桥各２． ２ ｋｍ左右。桥梁全长为２ ０６８．５ ＩＴＩ，其中主桥长为 ７３０ ｍ（孔跨分布为６５ ＩＴＩ＋５×１２０ ｍ＋６５ ｍ），标准 度按１６ ｋｍ／ｈ计算。 １ 我国规范船撞力作用点介绍 ＪＴＧＤ６０－－２００４（《公路桥涵范设计通用规 范》） 中４．４．２条规定内河船舶的撞击作用点， 假定为计算通航水位线以上２ ｍ的桥墩宽度或长 度的中点。这主要考虑船舶与桥梁撞击时，是船首 与桥墩之间的碰撞，该规范采用高出通航水位２ ｍ 作为平均的船首撞击点。漂流物的横向撞击作用 点假定在计算通航水位线上桥墩宽度的中点。 ＴＢ １０００２．１ ００５（《铁路桥涵设计基本规 范》） 》中４．４．６条规定船只或排筏撞击力的作 用高度应根据具体情况确定，缺乏资料时可采用通 航水位的高度。 桥面总宽３２．５０ ｉｎ，设计车速为５０ ｋｍ／ｈ。其总体 布置见图１。 上部结构：主梁采用变高度预应力混凝土连续 箱梁，斜腹板单箱三室截面。支点处梁高７００ ｃｍ，跨 根据以上介绍可知，我国公路和铁路设计规范 都没有明确表明船舶的最不利撞击点应该在什么 位置，只是提出可以作用在通航水位或其上２ ｍ。 中和边墩处梁高３００ ｃｍ，梁底曲线按二次抛物线变 化。箱梁顶结构宽３ ２２０ ｃｍ，箱底宽随箱梁高变化， 由主墩处的ｌ ９３８．６ ｃｍ渐变至跨中的２ １２０ ｃｍ。 ７３０００ ｌ２ Ｉ。（）０ 图１ 湘府路湘江大桥总体布置图 Ｆｉｇ・１ Ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ Ｘｉａｎｇ Ｆｕ Ｒｏａｄ Ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ Ｘｉａｎｇｊｉａｎｇ ３２ 铁道科学与工程学报 ２０１３年４月 而在实际工程中船舶的通航水位是在最高通航水 位到最低通航水位之间不断变化的，这就对具有船 计算所得的主梁扭转对墩顶处的转角约束刚度相 对较小，故如下计算简图中没有考虑主梁对墩顶的 转角约束。 撞风险 桥梁的桥墩抗船撞设计计算带来很大的 随意性。本文以长沙湘府路湘江大桥为工程背景， 对多跨刚构一连续梁桥的最不利撞击位置进行研 究。 ２桥墩的简化计算和弯矩变化规律 研究 ２．１连续梁墩（梁墩顺桥向可滑动）顺桥向撞击 弯矩简化计算模型 顺桥向撞击时，由于墩梁沿桥梁轴向可以发生 相对滑动，因此，可以将桥墩简化为悬臂结构处理， 简化计算简图如图２所示。 图２顺桥向船撞连续梁墩计算简图 Ｆｉｇ．２ Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｒｉｄｇｅ ｐｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｋｅｔｃｈ ｆｏｒ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｈｉｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ 墩身弯矩计算公式为： Ｍ：』Ｐ（。一 ），０＜ ＜口 （１） 【０．ａ≤ ＜Ｚ 由式（１）可知墩底处弯矩最大为Ｐ０，且墩底 弯矩随船舶撞击点的上移（ａ增大）而增大。 ２．２连续梁墩及刚构墩（梁墩固结墩）横向撞击 弯矩简化计算模型 连续箱梁桥桥墩顶一般设有２个支座，分为双 向活动支座（顺桥向与横桥向）和顺桥向单向活动 支座，所以，计算时，认为主梁和桥墩在横桥向不能 发生相对位移。采用简化模型计算时，将主梁对墩 顶的约束作用等效为１个约束刚度为Ｋ弹簧支撑， 为了方便公式推导，将Ｋ转化为桥墩混凝土弹性模 量Ｅ和截面平均惯性矩，（桥墩为变截面）以及墩 高Ｌ的表达式，经计算可得Ｋ ＥＩ／（４Ｌ） 。 桥墩横桥向撞击计算简图如图３所示。由于 图３横桥向船撞桥墩计算简图 Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｐｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｋｅｔｃｈ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｈｉｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ 采用力法 计算得到的墩身弯矩计算公式 为： ：Ｊ－ …）＿Ｐ ）， 【一Ｐ三 （ｚ— ），。≤ ＜ｆ （２） 由以上计算公式可知桥墩弯矩只可能在墩底 Ａ处或者船撞力作用点曰处弯矩绝对值最大。 ｝ Ｊ＝Ｐ。一Ｐ （３） ｝ Ｊ＝Ｐ （ｚ （４） 经计算ｌ ｌ—Ｉ ｌ在范围内恒大于０，即当 船舶撞击桥墩时恒有墩底弯矩取值最大。 对 的表达式（３）关于ａ求导可得其一阶导 数恒大于０，因此， 是关于参数ａ递增的，即墩底 弯矩随着船舶撞击点的升高而增大。 刚构墩（梁墩固结墩）和连续梁墩在船舶横桥 向撞击时墩顶约束条件一致。 ２．３ 刚构墩顺桥向撞击弯矩简化计算模型 由于刚构墩与主梁固结，而连续梁墩可相对于 主梁滑动，在此采用如图４所示的刚架 简化模型 计算。考虑到主梁和桥墩都采用变截面，且计算发 现主梁截面的惯性矩与桥墩对应的惯性矩的变化 范围基本一致。为了方便公式推导，将主梁和桥墩 的抗弯刚度取为相同且不变的Ｅ，。同时，主跨长度 为１２０ １１＂１，Ｚ３和ｚ４墩高分别为２７．７３８ ｍ和 ３０．０８９ ｍ，主跨与墩高之比约为４：１，因此，将主梁 第２期 胡先春，等：刚构一连续梁桥船撞桥墩最不利位置及安全性评价 ３３ 的长度取为４ｚ，桥墩的高度取为ｆ。 Ｉ一 ４ 图４顺桥向船撞刚构墩计算简图 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｒｉｇｉｄ ｆｌａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｐｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｋｅｔｃｈ ｆｏｒ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｈｉｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ 墩身弯矩计算公式为： Ｍ＝ Ｐ『ｌＬ ≥Ｏ，２ ＋ 口２ １一 ６ｔ３ ｊ卜＜ｌ 。 Ｐ『ｆＬ 口 ｌ１ ８一ｌ（ Ｃｔ３ｆ＿ 卜≤ＪＩ ｚ 由弯矩计算公式５可知，桥墩弯矩只可能在墩 底Ａ处和船撞力作用点Ｂ处绝对值取最大。 －Ｐ【。一 一 ２＋ 】 （６） Ｉ ＭＢ Ｉ．Ｐ【一 一 ２＋ 】 （７） 经比较Ｊ Ｉ恒大于Ｉ％ｌ，即当船舶撞击墩 身时恒有墩底弯矩取值最大。 对 的表达式６关于口求导可得其一阶导数 恒大于零，因此， 是关于参数０递增的，即墩底 弯矩随着船舶撞击点的升高而增大。 通过以上公式推导可以得出如下结论： （１）当船舶横向或纵向撞击桥墩时，无论是刚 构墩还是连续梁墩，均是墩底的弯矩最大。 （２）墩底弯矩随着船舶撞击点的升高而增大。 ３ 简化计算模型与有限元仿真全桥 模型计算弯矩比较 采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ建立空间梁单元的全桥模型 来进行船舶撞击下的桥墩弯矩计算。结构形式为 （６５＋５×１２０＋６５）ｍ的预应力刚构连续梁桥，除 ｚ３和Ｚ４ ２个刚构墩采用主梁固结外，其他６个墩 均为连续梁墩。具体建模时ｚ３和Ｚ４刚构墩采用 ｍｉｄａｓ刚性连接¨ （可模拟固结）。除刚构墩ｚ３ 和ｚ４之外的其他桥墩均采用ｍｉｄａｓ中的弹性连接 与主梁进行连接。墩底采用固定支座进行约束，建 立的全桥模型如图５所示。 图５全桥计算模型图 Ｆｉｇ．５ Ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ 如图１所示，Ｚ４墩（刚构墩）和ｚ５号墩（连续 梁墩）是８个墩中最高的两个墩，分别为３０．０８９ ｍ 和３１．０９７ ｍ。本文取以上２墩的计算结果与简化 公式得出的计算结果相互比较，以验证通过上述公 式推导得出结论的正确性。 在进行弯矩对比计算时，主要选取最低通航水 位对应的船舶撞击点（高出通航水位２ ｍ）到最高 通航水位对应的船舶撞击点之间的５个点进行计 算。通过对有限元仿真全桥模型计算得到的桥墩 弯矩结果进行比较得出桥墩在纵、横向船舶撞击力 作用下均是墩底的弯矩绝对值最大，与简化模型计 算得出的规律一致，这也从一个方面验证了有限元 仿真全桥模型计算的正确性。 图６～８所示为Ｚ４和ｚ５墩在纵、横向下单位 船舶撞击力下，按简化模型计算的墩底弯矩与按有 限元仿真全桥模型计算得到的墩底弯矩（墩身最 大弯矩）随船撞力距墩底的高度变化曲线。图中 三角形和圆圈所在位置对应５个计算船舶撞击点 的计算结果。 由图６～８可以看出：有限元仿真全桥模型计 算得出的墩身弯矩与由简化计算模型推导出的结 论是一致的，即在船撞力作用下，整个桥墩中墩底 弯矩最大，且墩底弯矩随着船撞力作用点的升高而 增大。比较简化模型计算的墩底弯矩曲线和有限 元仿真全桥模型墩底弯矩曲线可知，前者计算得到 的墩底弯矩比后者大。因此在实际工程中采用简 化模型计算得到的墩底弯矩是偏保守的。由于简 化计算模型中采用了若干简化处理，故对桥墩船撞 安全性评价宜采用有限元仿真全桥模型计算。 ３４ 铁道科学与工程学报 ２０１３年４月 船撞力作用点距墩底高度『ｍ 图６ Ｚ４墩横向船撞弯矩变化曲线图 Ｆｉｇ．６ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｚ４ ｐｉｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｈｉｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ 基 ● 邑 静 旺 趟 舛 船撞力作用点距墩底高度／瑚 图７ Ｚ５墩横向船撞弯矩变化曲线图 Ｆｉｇ．７ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ７＿５ ｐｉｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｈｉｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ 船撞力作用点距墩底高度／ｍ 图８ ｚ４墩顺桥向船撞弯矩变化曲线图 Ｆｉｇ．８ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｚ４ ｐｉｅｒ ｕｎｄｅｒ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｈｉｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ４桥墩船撞安全性评价 ４．１船撞力计算 由于我国ＪＴＧＤ６０－－２００４（《公路桥涵范设计 通用规范》） 中表４．４．２—１中给出的内河船舶 撞击作用标准值是根据航道等级按最大概率船舶 吨位给出的，在实际设计中对桥梁的作用影响很 小，这完全低估了船舶撞击桥梁的危险 。因此， 在进行桥墩防撞安全性评价时我们应根据通航船 舶的实际吨位采用４．４．２条中的漂流物横桥向撞 击力标准值公式计算，其计算公式如下： Ｐ＝ Ｗｖ （８） 式中： 为漂流物重力（ｋＮ），应根据河流中漂流 物情况，按实际调查确定； 为水流速度（ｍ／ｓ）；Ｔ 为撞击时间（Ｓ），应根据实际资料估计，在无资料 时可取１ Ｓ；ｇ为重力加速度，ｇ＝９．８１ ｍ／ｓ 。 湘府路湘江大桥的船撞力计算参数按表１选 取，船舶撞击时间保守的取为０．８ Ｓ。 表１ 主要船型及计算参数表 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｈｉｐ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 船舶横向撞击力Ｐ＝３０５０×９．８１×６．２／（９．８１ ×０．８）＝２３ ６３８ ｋＮ。 顺桥向撞击时，根据最不利原则，考虑船舶与 航线成４５度斜角撞击桥梁，故顺桥向的船撞力可 取为横桥向的 倍，为１６ ７１４ ｋＮ。 二 ４．２基于我国公路桥涵规范桥墩抗力计算 桥墩受船舶撞击时，主要有以下几种破坏准 则：（１）桥墩混凝土强度破坏；（２）桥墩剪切破坏； （３）基桩承载能力不足；（４）基桩剪切破坏。 ｚ１一ｚ６墩按以上４种破坏准则计算得到的最 小抗力结果如表２所示。 表２沅水大桥桥墩抗力计算结果 Ｔａｂｌｅ ３ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｙｕａｎ Ｒｉｖｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ｐｉｅｒ ｋＮ 第２期 胡先春，等：刚构一连续梁桥船撞桥墩最不利位置及安全性评价 ３５ ４．３桥墩防撞检算 通过以上抗力的计算，可以比较得出各种情况 下的最小抗力，将这个抗力作为桥墩的抗力，与计 算的船撞力相比较，如果船撞力小于桥墩抗力，说 明桥墩是安全的。桥墩水平抗力与船撞力比较情 况如表３所示。 表３桥墩水平抗力与船撞力比较袁 Ｔａｂｌｅ ３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ 由表３可知：基于我国公路桥涵设计规范对湘 府路湘江大桥桥墩防撞进行检算，将满载排水量为 ３ ０５０ ｔ的船舶按漂流物以船舶实际下行速度６．２ ｍ／ｓ计算撞击力，则桥墩顺桥向和横桥向水平抗力 均大于船舶作为漂流物的撞击力，桥墩是安全的。 ５结论 （１）有限元仿真全桥模型计算得出的墩身弯 矩与简化计算模型推导出的结论是一致的，在船撞 力作用下，整个桥墩中墩底弯矩最大，且墩底弯矩 随着船撞力作用点的升高而增大。比较简化模型 计算的墩底弯矩曲线和有限元仿真全桥模型墩底 弯矩曲线可知，前者计算得到的墩底弯矩比后者 大。因此，在实际工程中，采用简化模型计算得到 的墩底弯矩是偏保守的。 （２）由于简化计算模型中采用了若干简化处 理，故对桥墩船撞安全性评价宜采用有限元仿真全 桥模型计算。 （３）在对多跨刚构连续梁桥各桥墩进行防撞 安全评估时应取高出最高通航水位２ Ｉｎ的高度作 为船舶的最不利撞击点。 （４）基于我国公路桥涵设计规范对湘府路湘 江大桥进行了桥墩防撞检算，该桥的水平抗力大于 船舶作为漂流物的撞击力，桥墩是安全的。 参考文献： ［１］李金华，李德建．基于我国规范及美国规范桥墩防撞安 全性评价［Ｊ］．大众科技，２００９（１２）：８７—８９． ＬＩ Ｊｉｎｈｕａ，ＬＩ Ｄｅｊｉａｎ．Ｐｉｅｒ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａ－ ｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ ［Ｊ］．Ｐｏｐｕｌａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００９（１２）：８７—８９． ［２］耿波．桥梁船撞安全评估［Ｄ］．上海：同济大学，２００７． ＧＥＮＧ Ｂｏ．Ｓａｆｅｔｙ 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