橋墩撞擊力計算方法

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1、船舶對橋梁的撞擊是橋梁設(shè)計需要十分重視的課題,不同的計算方法結(jié)果差異很大。文章結(jié)合廣東東江水系上在建橋梁的實例,對國內(nèi)外現(xiàn)行的防撞設(shè)計研究方法進行分析與比較,并根據(jù)工點情況選用適合的研究方法。關(guān)鍵詞:橋墩;船撞力;分析;運用1概述隨著交通運輸事業(yè)的迅猛發(fā)展,一個綜合的立體運輸體系正在國內(nèi)迅速發(fā)展,跨越大江大河及海洋的橋梁日益增多。與此相對應(yīng),在建和已建成的橋梁被撞事故也逐年增加。據(jù)統(tǒng)計,長江上發(fā)生的船撞橋事故超過120起,其中武漢長江大橋被撞就達68次。2007年6月發(fā)生的九江大橋橋墩被撞,導(dǎo)致出現(xiàn)200m長橋面垮蹋、數(shù)人死亡的重大安全事故。因此,對船舶等撞擊橋梁墩臺進行專門研究,合理確定防撞

2、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及配套的安全設(shè)施,顯得緊迫而必要,具有重要的現(xiàn)實意義,而合理確定撞擊力,則是防撞設(shè)計首要的環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)。船舶撞擊力的選取是否恰當(dāng),直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和橋梁方案的經(jīng)濟性。在船只碰撞事故中,要確定船對橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞力是非常復(fù)雜的,既取決于船舶特性和橋梁結(jié)構(gòu),包括船舶類型、尺寸、速度、船體強度和剛度,橋梁撞擊部位尺寸、形狀、質(zhì)量和測向抗力特性,還受碰撞環(huán)境、撞擊力的偏心和水深影響。目前國內(nèi)外對船舶撞擊力雖有很多研究,國內(nèi)外的規(guī)范中也有相關(guān)規(guī)定,但因撞擊力計算是一個復(fù)雜的力學(xué)問題,國內(nèi)外不同的規(guī)范所采用的方法不同,計算結(jié)果相差也較大,在實際運用中帶來較大的困難。本文結(jié)合廣東東江水系太陽洲東

3、海航道上正在建設(shè)的一座橋梁為例,結(jié)合國內(nèi)公路、鐵路現(xiàn)行規(guī)范,美國AASHTO規(guī)范和目前運用較為廣泛的德國沃辛公式,對橋墩撞擊力計算方法及運用做簡單分析。2撞擊力計算方法簡述經(jīng)典力學(xué)中,處理碰撞問題,一般利用沖量定理和沖量矩定理來確定碰撞雙方運動變化的關(guān)系,以經(jīng)驗性的恢復(fù)系數(shù)k來反映碰撞過程中機械能損失的程度,其中相撞的兩物體簡化為質(zhì)點,未深究碰撞過程中的力的變化和量度以及具體材料抗沖擊性、彈塑性及物體自身的結(jié)構(gòu)組成問題。然而橋梁下部結(jié)構(gòu)與外物的碰撞過程遠(yuǎn)不象經(jīng)典力學(xué)假設(shè)的質(zhì)點-速度系統(tǒng)那樣簡單。漂浮物或船只以初速度與橋墩臺接觸,雙方碰撞的局部區(qū)域在瞬時沖擊力下形成材料彈、塑性變形或脆性破壞;接

4、下來橋墩臺發(fā)生彈性撓度變形并分別向上下傳遞,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)與墩臺頂部發(fā)生同步或異步位移,地基土、巖體在瞬時作用下產(chǎn)生彈塑性變形;接下來產(chǎn)生彈性變形的各部位依次恢復(fù),而塑性變形則仍然保留,碰撞雙方脫離開或是不再相互作用。這一過程時間短、速度快,由于影吶因素繁多,對撞擊荷載的計算比較復(fù)雜。從工程角度而言,計算都趨于簡單化,省略掉次要因素,保留主要因素以能較為準(zhǔn)確地反映實際碰撞力。美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范(AASHTO-1994)。因為橋梁被碰撞事件絕大多數(shù)是由于暴風(fēng)雨氣候下空駁掙脫錨纜后順?biāo)疀_擊橋梁所致,故AASHTO規(guī)范要求:對于位于水深超過0.6m處的橋墩,一律采用最小撞擊力。最小撞擊力按一條標(biāo)準(zhǔn)底

5、卸式內(nèi)河駁船計算,大于標(biāo)準(zhǔn)底卸式內(nèi)河駁船的,其撞擊力根據(jù)駁船寬度之比修正。3設(shè)計條件本文以廣東東江水系上正在建設(shè)的一座橋為例,運用上述撞擊力公式,對計算結(jié)果作計算與比較。太陽洲東海原為內(nèi)河VI級航道,根據(jù)通航標(biāo)準(zhǔn)航道凈寬為25m,通航凈高為6m。由于水道接近口門段,現(xiàn)有航道水深超過3.0m,地方政府及航道主管部門已將下游規(guī)劃為5000t級碼頭港區(qū)航道,因此該橋位處通航等級定為Ⅲ級,船舶等級按1000t內(nèi)河船舶考慮,通航凈空取為110m×10m,通航孔為單孔雙向,一個主通航孔。因河道與橋位斜交25°,橋梁采用(99+180+99)m跨徑,上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,中間墩采用單壁實心矩形墩。根

6、據(jù)該橋位通航標(biāo)準(zhǔn)(III級),船舶等級按1000t內(nèi)河船舶考慮,1000t內(nèi)河船舶尺度(長×寬×吃水深度)為49.9m×15.6m×路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)2.8m。載重為1000t的內(nèi)河船舶自重約667t,船舶的最大排水量為1667t。橋位處實測水流最大流速為0.89m/s,100年一遇的設(shè)計流速為1.215m/s。根據(jù)水下地形圖,通航水深最低為4.9m,船舶安全航行速度為5節(jié),即2.5m/s。船舶撞擊橋墩的撞擊速度,則取決于船舶的航速、橋梁構(gòu)件距橋下航行中心線的位置及船身長度。在航道范圍內(nèi)的橋梁構(gòu)件,其受撞擊的速度V為船舶航行速度;在航道邊緣,撞擊速度呈線性減小,至離航行中線3倍船

7、身長度處,達到最小的撞擊速度,可取年平均水流速度。據(jù)航道部門的了解,下水方向的船速當(dāng)通過橋梁時,宜為水流流速的3倍左右,以便于控制航向,不至于隨波逐流撞擊橋墩。4撞擊力計算分析根據(jù)上述撞擊力計算結(jié)果,國內(nèi)公路、鐵路規(guī)范計算結(jié)果較為接近,而美國AASHTO規(guī)范和德國沃辛公式則較為接近,且國外規(guī)范或公式計算結(jié)果遠(yuǎn)大于國內(nèi)規(guī)范計算結(jié)果,是國內(nèi)規(guī)范計算結(jié)果的2.39～3.27倍。根據(jù)上述公式分析,國外工程