所属栏目：数学论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:513
摘要：确定桥梁防撞力是桥梁防撞设计首要的环节和基础。本文简述了采用风险概率分析方法结合非线性有限元技术进行桥梁防撞力分析的方法，同时结合工程实例，利用有限元数值模拟方法对大跨径桥梁的主通航孔桥墩防撞力进行了计算分析。
关键词：桥梁船撞，设防标准，船撞风险，非线性有限元
随着我国跨越大江大河及海洋的桥梁日益增多，在建和已建成的桥梁被撞事故也逐年增加，桥梁遭受船舶撞击的风险越来越大。船撞桥事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失，严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果，经济损失巨大。
因此，桥梁防撞是通航水域桥梁设计必须考虑的问题，而合理确定桥梁防撞力标准是桥梁防撞设计首要的环节和基础。数值模拟分析是确定大跨度桥梁防撞力的有效方法，本文介绍了桥梁防撞力标准研究的一般方法和思路，简述了船撞力计算方法和船撞桥风险概率分析方法，同时结合工程实例，利用有限元数值模拟方法对主通航孔桥墩的防撞力进行了计算分析。
1 桥梁防撞力标准研究的一般方法和思路
建设在可航水域上的桥梁，如果有桥墩位于水中且水深满足船舶吃水要求，就需要研究水中桥墩的船舶防撞问题，并确定桥墩的设防标准，进而采取必要的防撞措施。桥墩防撞力设计标准的确定包括以下工作。
1.1 收集桥区自然及通航条件等资料
1.2 计算船舶撞击力
依据调研和论证结果所确定的防撞代表船型、防撞速度、防撞水位、桥梁设计等参数，选取适合的简化公式方法或数字模拟方法，计算不同桥墩的船舶撞击力。
1.3 确定防撞力设计标准
依据通航代表船型的主要尺度、流量密度、航道特征、桥位水文特征参数、桥梁几何参数、航道规划及船舶事故统计等参数，采用船桥碰撞概率风险分析方法，建立船舶撞击桥墩的概率模型，进行船舶撞击桥梁风险评估。依据桥墩的重要性确定桥墩撞损频率可接受准则，结合船舶撞击力确定出各桥墩防撞力设计标准。
2 桥梁船撞力的计算方法
目前国内外常用桥梁船撞力计算方法主要有简化公式法和数值模拟方法。
简化公式法特点是计算简单，能快速估算船撞力的大小。目前包括我国《铁路桥涵设计基本规范》[1]、《公路桥梁通用设计规范》[1]、美国公路桥梁设计规范( AASHTO) [1]、欧洲统一规范[4]在内的国内外不同规范提出了数十种船舶撞击桥墩的碰撞力计算公式。这些经验公式大都在特定船型和撞击速度的情况下其计算的结果与实际撞击力接近。
船舶碰撞动力数值模拟法是通过研究船舶碰撞的内部机理、外部机理，建立船舶碰撞的动力学模型，模拟船舶撞击桥墩的动力学过程，获得撞击力、能量转化、船舶破损长度等结果，并可模拟分析防撞消能设施的实际消能过程，动力数值模拟法考虑实际船舶撞击区域的结构特性、船舶周围水动力作用、桥墩刚度、形状，结果更符合实际情况。由于该方法需要进行碰撞接触有限元分析，因此计算量较大。
3 船撞桥风险概率分析方法
船撞桥的风险分析研究包括二个主要方面：第一是船撞桥的概率分析;第二是船撞桥的风险准则研究。
3.1 船桥碰撞概率分析方法
国际上几种应用比较广泛的船撞桥概率分析方法有：AASHTO规范方法、欧洲规范方法和德国昆兹(C.N.Kunz)改进积分方法。我国规范则是将船撞事件处理为偶然作用，根据航道和通航船舶情况给定设防船撞力，没有形成一个系统考虑风险的设计方法。AASHTO规范全面采用了基于风险的设计思想，其方法明确，应用简单，因而成为目前国际上应用最为广泛的一部指南。
根据美国AASHTO的《公路桥梁防撞设计指导文件》(1991)，大桥各桥墩年撞损频率按以下公式计算：
公式中去除桥梁倒塌概率 一项后是桥梁遭受船舶撞#p#副标题#e#击的年频率。
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。