大跨径桥梁防撞力数值模拟分析(2)

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　　3.2 船撞桥的风险接受准则

　　船撞桥的风险接受准则主要是控制船撞桥导致的桥梁坍塌的概率。根据AASHTO规范，对于一般桥梁，整桥的最大年倒塌频率应小于10-3，对于关键性桥梁，整桥的最大年倒塌频率应小于10-4。大桥属大型工程，投资大，使用年限长，应尽量减少大桥受船舶撞击的风险，桥梁整体一般采用10-4年倒塌频率符合大桥的要求。

　　4 工程实例分析

　　本文结合某跨海大桥主通航孔的工程实例，进行船撞风险分析和船撞数值模拟研究，得出主通航孔桥墩的船撞力设防标准。

　　4.1 工程概况

　　该大桥主桥为主跨300m的下承式钢箱拱桥，主桥桥面宽度为34m，设计荷载为公路I级。主墩基础为26根直径为2.5m桩基础加钢筋混凝土承台。承台总尺寸为40.7m×19.7m。

　　主桥主通航孔按5000吨级杂货船单孔双向通航设计，通航净高39m，通航净宽260m。设计最高通航水位为4.511m(85国家高程);最低通航水位为-3.049m(85国家高程)。桥型布置。

　　4.2 参数取值

　　1)水位

　　计算船撞风险时，应考虑到全年的水位变化，先计算出不同水位下各墩以及全桥的船撞风险，然后再按照不同水位出现的概率进行加权求和。

　　2)船舶通航密度

　　根据以往通过主通航孔船舶的统计资料和船舶数量的发展趋势，并同时参考桥位周边港区、码头的发展情况及货物吞吐量情况，预测了2010、2020以及2050年通过南汊主桥区的船舶数量。

　　3)船舶航速

　　根据水文资料分析，通航孔处水域的最小水流速度取2.1m/s，船舶过桥航行速度取4.11m/s。

　　4)桥墩计算抗力

　　大桥主通航孔处南、北主墩横桥向计算抗力为34MN，顺桥向为18MN。

　　4.3 风险计算结果和分析

　　主墩随着自身抗力的增大，其船撞风险也相应减少。根据AASHTO方法计算结果，北24主墩随抗力变化的年倒塌频率曲线见图2所示，通航密度取2050年的通航密度。

　　可见，北24主墩设防船撞力取35MN时，全桥的年倒塌频率降到可接受风险10-4范围内，此时得到数值模拟采用的代表船舶为5000DWT，计算撞击速度为4.09m/s。

　　4.4 船撞数值模拟分析

　　1)、桥墩模型

　　对于24号主墩，将桥墩和承台处理采用六面体单元进行划分。桩和拱圈、钢箱梁、索等采用梁单元进行模拟。有限元模型。

　　2)数值模拟计算结果分析

　　最大撞击力工况为船舶满载正撞，其三维视图见图4。撞击船型采用DWT为5000吨的集装箱船，满载排水量为6700吨，船体吃水为7.4m，设计船舶撞击速度为4.09m/s，撞击角度为0°,计算时间为1.6s。

　　船舶的撞击力变化情况如图5所示，最大值出现在0.73s，值为37.95MN。塔顶的位移时程见图6，墩顶横桥向位移最大值为0.89cm，出现在撞击发生后0.73s的时刻。船舶的撞深变化情况如图7所示，由图中可以看出，船舶的最大撞深为2.62m，发生在撞击后1.37s的时刻。

　　根据数值分析结果可得，北24主墩的设防船撞力应不小于37.95MN;而北24主墩基础设计抗力为34MN，因此北24主墩的抗力满足不了设防船撞力要求，需要采取必要的防撞措施。

　　5 结论

　　(1)桥梁船撞力标准研究在我国刚处于起步阶段，其涉及了多个领域的交叉学科问题，而大跨径桥梁船撞的受力尤为复杂。目前比较有效的方法是采用风险概率分析方法结合非线性有限元技术研究分析大跨径桥梁设防船撞力。

　　(2)根据桥梁设防船撞力的标准，应结合实际情况采用合适的主动或者被动的防撞措施，如采用专门的导航和助航措施、设置防撞钢套箱、人工岛、防撞桩、浮围、缆索拦截等，减小船舶撞击力，提高桥梁安全储备，从而最终保护桥梁的结构安全。

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