船舶撞击下跨海桥粱结构损伤识别研究

船舶撞击下跨海桥粱结构损伤识别研究关键词：桥梁工程数值模拟船桥碰撞模型试验损伤识别第一章绪论

1.1课题的研究脅景与意义1.1.1研究背景随着我国经济建设突飞猛进的发展，交通运输业的发展越来越快，与此同时，大量高技术、大跨径、高投入的跨海越江大桥如雨后春夢般纷纷修建起来。在21

世纪的第1个10年中，我国先后建成了多座世界级的大型桥梁，长江中下游和东南沿海成为建设大型跨海越江轿梁的主战场。据统计，截至2001年底，我国主要通航河流上的桥梁总计为474座，其中长江水系156座，珠江水系111座，黑龙江水系10座，京杭运河45座，其它河流为152座⑴。截止2005年10月[2]，长江宜宾至上海江段已建成通车的特大型桥梁有53座，在建的桥梁18座(不包括规划中或设计中的桥梁)，筹建的桥梁10座。从目前的发展和规划来看，未来世界范围的跨海大桥建设的总体趋势是：在通航等级更高的宽阔海域建桥，要求基本满足超大吨位巨轮航行安全；受技术与经济条件制约，不仅要求主通航孔桥梁的跨越能力更强，而且会更多釆用施工便捷的预制梁桥来实现宽阔海域的非通航孔布设；在更为严梭的气候、地质、水文和通航繁忙的条件下，要求桥梁有抵

抗船舶碰撞能力和灾后迅速修复的能力[3]。与此同时，随着港口开发和航运业的大发展，我国沿海航道的通行密度及船舶吨位也不断提髙。据报道[4]，仅“十一五”期间，我国沿海港口就建成深水泊位661

个，新增通过能力达30亿吨，2010年沿海港口完成的货物吞吐量巳是2005年的1.8倍，预测2020年将达到75亿吨[5]。众多跨海越江桥梁的建立，一方面给国家或地方带来丰厚经济利润，另一方面却影响着船触运输的安全。对船舶航行来说桥梁无疑是一种障碍物：跨海越江桥梁的建成会使桥区环境发生改变，如水流流速、风速、弯道、冲刷、游积、潮位等，而随着造船技术的发展，现在的通航船舶也开始变得愈来愈快，愈来愈大。随之而来的是，船舶撞击桥梁的灾难性事故曰益增多，事故对人们的生命财产往往会带来重大损失。因此随着综合交通运输体系的完善，船舶碰撞桥梁的致损事故也渐渐成为桥梁建设管理部门和社会各界十分关注的重要欠害事件。

由国际航海协会常务会议PIANC第19工作组建立的船撞桥国际数据库收集了将

近151起重大船撞桥事故，这些事故主要发生在曰本、北欧国家、美国、法国、德国、荷兰、比利时和英国等国家。据统计自1960至2002年，国外因船舶撞击而导致桥梁损伤或严重破坏的事故达32起[7],平均不到1年就有一座桥梁因船碰撞致灾，如2002年5月，在美国俄克拉马州，因为拖轮失去了控制，两艘空驳船撞击上陈肯色河公路大桥，桥梁部分姆塌，使得繁忙的40号州际调整公路在维修6个月后才得以重新开放[8]。我国由于船撞事件造成已建和在建桥梁损伤、破坏及至倒塌的事故也不断发生，武汉长江大桥自从1957年建成以来，大约发生了70多起船撞桥事故[9]。2007年广东九江大桥被偏离主航道的运沙船撞击非通航孔桥缴，造成3个桥墩倒塌和200M桥面姆塌，造成很大的社会影响，也促使交通行业开始探讨是否可在设计规范中增加非通航孔桥梁按水深设防的条款，在随后的既有结构修复过程中，通过对受撞桥墩基础和塌梁进行损伤探查后，釆用了放弃部分原桥墩的重建方案，从既有结构评估、重建方案制定到最后建成耗时两年。国内多座跨海大桥在建设和运营过程中也都曾发生过不同程度

的船舶撞击事件，2008年由于船舶错误行驶偏离航线，7122吨的“勤丰128”货

轮误撞在浙江金塘大桥，导致刚刚架设的两片60米跨预制箱梁姆落，桥墩局部破损，在对破损结构进行了近一个月的探伤检测和墩台修复后，桥梁重新开始架设施工，并在该处加装了结构长期健康监测系统。

1.1.2研究意义国际上对于船撞桥问题的系统研究起始于20世纪80年代初，IABSE在1983

年召开了第一次关于船桥碰撞研究的国际研讨会随后国内外学者在船撞风险分析和船桥撞击力领域开展了大量研究，提出了用于设计的桥梁防撞风险评估方法

和撞击力取值方法，并开始制定了相关设计规范。1991年，美国道路工程师协

会（AASHTO)发表了第一部桥梁受船撞的设计指南[12],我国也分别在铁路（2000年）和公路（2004年）设计规范中难出了船撞力的设计取值计算方法。20世纪90年代，随着大型跨海桥梁的兴建，国内外学者结合船桥撞击力分析，开展了大量桥梁防撞技术研究，提出了设置筑岛围堪、独立防撞墩、防撞套箱、浮式柔性防撞等诸多结构性措施[13]。

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1.2国内外船桥碰撞事故1.2.1国内船桥碰撞事故2013年8月6曰，一艘河北籍满载砂石的5000吨级货船"茂韵1号”撞上椒江大桥护桥墩，导致货船前船破损进水沉底。2013年8月10号，一艘清远籍运砂船行经顺德潭州水道，在通过105国道林头大桥时，由于逆水航行动力不足，失控撞上大桥桥墩。事故未造成人员伤亡，但桥墩受损，事发后相关部门已对桥体进行检测，林头大桥广州往顺德大氣方向也封闭部分机动车道为大桥减负。据桥梁业主单位介绍，受撞击影响，大桥的一个桥墩受损，一条联系梁出现一道数十

厘米长的裂缝，见图1-3。2013年8月16日，一徐州籍船队经过兴化市戴蜜镇

车路河时，撞上了端午桥桥桩，导致桥梁樹塌，见图1-4。2013年5月12日，一海轮碰擦南京长江大桥六孔、七孔之间的桥墩后，在大桥下游3.5公里处的北岸岸边浅滩附近水域沉没。见图1-52012年05月23日，刚下水的五星级豪华邮轮“明珠七号”从風江下游通过温州大桥时，和大桥发生到擦，大桥底部中间部位有明显撞击刮擦痕迹。大桥箱梁局部“受伤”：梁板混凝土局部脱落，钢筋外露，横系梁边角别损，擦痕贯穿整个梁

底见图1-6。

2006年8月11日，大约中午12点钟左右，位于浙江宁波发生了一起严重的船撞事件。"7历青快车”号一艘来自新加坡的货船的右船般撞上正在建设施工中的杭州湾跨海大桥，大桥被撞位置却是引桥端部的一个结合部，巨大的船撞力使被撞位置的混凝土墩身和承台还有箱梁结构都遭到严重的损伤，经调査，该船撞事故是由于涨潮，船走锚而失去控制，原本停泊着新加坡的货船被水流冲下，结果撞上了跨海大桥。此次事故对杭州湾跨海大桥的建设施工造成了非常大的影响，经济损失高达一千多万元人民币。

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1.2.2国外船桥碰撞事故美国当地时间2012年1月27日晚间，肯塔基州南部发生水路交通事故，一艘大型货船在穿过一座近百年大桥时发生碰撞，由于桥梁钢架年久老化，被.撞桥身整段断塌。货船上装有火箭助推器组件，但所幸在事

故中未受到损坏。见图1-7。

2007年11月7日，"中远爸山”号货轮撞上美国旧金山大桥。尽管船撞事故没有对旧金山大桥带来严重损坏，但是在撞击过程中，巨大的撞击力将船体右侧撕裂出长达三十米的大裂缝，导致船内装载的二十二万升的重油直接泄漏进旧金山湾

区。该起事故是最近20年来最严重的漏油事件。

2002年8月，一艘载满原油的货轮与圣彼得堡的一座大桥桥墩发生相撞，导致船上的部分燃油泄漏于涅瓦河中，漏油事件对当地环境有一定程度的污染。该事故原因经过调查发现是由于机械故障，导致船撞上桥墩。

据美国《华盛顿邮报》，2002年5月26号，一艘空驳船拖拉着两艘运油船于凌晨撞上了美国俄克拉阿肯色河上一座大桥的桥墩。大桥桥面混凝土随即断裂，造成大约180来长桥体姆塌。7至9辆汽车坠入乌黑浑油的河水中中，致使多人遇难。产生的经济损失多达一千五百万美元。1993年，位于美国亚拉巴马州莫比河的CSX铁路大桥，惨遭到一支驳船船队严重撞击。持续时间较长的巨大撞击力迫使铁路大桥产生不可恢复的较大变形和位移。事故发生后的几分钟恰有一列火车驶至大桥，铁路大桥较大变形讲致使火车运行出轨，列车上四十七名乘客罹难。经过调查发现主要是天气原因使得船队行驶偏离了原航道，引起撞桥事故的发生。

全世界范围内船桥碰撞事故中损失最大的该属美国的阳光大桥被撞。1980年5月位于美国佛罗里达州的阳光高架桥被一艘三万五千吨散装货船撞击。被撞桥敬下的四根桩基彻底损坏，由于被撞部位是主墩，导致缴的南面桥面倒塌沉入水中。

该起事故导致三十多人死亡，挢梁倒塌引起的损失高达2.5亿美元。

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第二章桥梁桩基数值分析方法探讨2.1引言由于桩基础有着稳定性好、沉降量小、对地基的适应能力强的特点，在轿梁以及高层建筑等工程结构中得到广泛的应用。近年来，国内跨海大桥建设也多釆用控

基础；而过去针对桩-土共同工作的分析研究多是针对桩基竖向承载力和桩顶发生桥梁纵向位移所开展的。而实际上，从最近的工程调研来看，海域桥梁桩基还要承受船舶碰撞、海浪及海喷等灾害性横向力的作用，对桥梁桩基的横向抗破坏能力提出了更高的要求。研究人员对桩土接触数值分析方法已开展了大量的研究

工作。Lei等人[66]通过接触面单元立了桩土接触面体系的有限元模型，考虑土

体本构关系和桩土接触的高度非线性。阙水杰等人[67]有限元模拟桩基时考虑非线性桩-土关系，釆用等效桩法，等效桩的长度取为8倍桩径，下端刚性固结。桩土相互作用简化釆用连续分布的水平弹簧和枯滞阻尼器模型来模拟。虽然研究人员釆用数值分析方法研究桩土共同作用已取得了大量有价值的成果，

但是由于利用大型通用软件ANSYS进行数值模拟与实际情况相比难免存有误差。以往的研究都忽略挑选相对最优的桩土数值分析方法，用来减少因为数值方法本身造成的误差，本文针对上述提到的三种桩土接触常用方法，在横向荷载作