既有双柱式桥墩船撞后模拟分析与加固实例

Simulation analysis and reinforcement case study of existing double-column piers after ship collision

摘要

近年来船桥碰撞事件频繁发生，桥梁下部结构受损风险显著提升。为评估受损双柱式桥墩的安全性能与最优加固方案，该文以斜塘大桥船撞事故为工程背景，提出几种可行的加固措施，通过有限元模拟，对比分析各加固方案的抗撞性能。结果表明：2种载货撞击工况中，满载工况峰值撞击力为2.68 MN，承台受撞侧残余位移约为291 mm，说明事故更可能由满载标准货船碰撞所致；相同撞击条件下，相比于未加固桥墩，增大截面式加固方案的峰值撞击力提高了47.7%，对双柱式桥梁的抗撞性能的提升效果最好；撞击角度对撞击持时和桥梁动力响应影响更大，增加了桥梁整体倒塌风险。该研究可为双柱式桥梁船撞评估与加固设计提供参考。

Abstract

In recent years, ship-bridge collisions have occurred frequently, significantly increasing the risk of damage to bridge substructures. To evaluate the safety performance of the damaged double-column pier and determine the optimal reinforcement scheme, the ship collision accident involving Xietang Bridge was used as the engineering case study. Several feasible reinforcement measures were proposed, and the impact resistance of each scheme was compared using finite element simulations. The results show that, among the two impact conditions with different loading states, the peak impact force under the fully loaded condition is 2.68 MN, and the residual displacement on the impacted side of the pile cap is approximately 291 mm, indicating that a collision with a fully loaded standard cargo vessel is the most likely cause of the actual accident. Under the same impact conditions, compared with the unreinforced pier, the pier strengthened using the section-enlargement scheme has a 47.7% higher peak impact force and provides the greatest improvement in the impact resistance of the bridge with double-column piers. The impact angle has a greater influence on the impact duration and the dynamic response of the bridge, thus increasing the risk of overall bridge collapse. This study provides a reference for ship-collision assessment and reinforcement design of bridges with double-column piers.

Graphical abstract

0 引言

“十四五”以后，桥梁事业和内河航运事业均进入新阶段^［1］。统计数据显示，截至2020年，中国已建成各类跨越等级航道的桥梁约1.7万座，其中包括2 500余座跨越内河高等级航道的桥梁^［2］。这些跨江涉水桥梁的桥墩对船舶航行安全构成潜在威胁，是船桥碰撞事故的主要诱因。一旦发生此类事故，会造成重大经济损失，产生安全隐患。因此，深入研究既有桥梁桥墩在船撞事故中的动态响应特性和损伤破坏机理，不仅对提升桥梁结构的抗撞性能具有重要理论价值，更能为实际工程中的桥梁加固设计提供科学依据^［3-5］。

美国佛罗里达大学^［6］于2004年进行了首次实船足尺碰撞桥墩的试验。Meir-Dornberg^［7］研究了碰撞过程中产生的能量、碰撞力和塑性变形之间的关系；Chen等^［8］进行了圆形钢筋混凝土桥墩的缩尺试验和乌松河大桥边墩的有限元模拟；Chen等^［9］开展了下部结构缩比模型试验和数值仿真研究；耿波等^［10］提出了中国桥梁船撞安全评估系统的总体框架；单成林等^［11］使用钢‒聚氨酯夹层板设计了圆端形曲面防撞套箱，并进行了300 DWT船舶的撞击试验；王飞等^［12］设计了一种新型柔性防撞装置，对船舶正撞和斜撞桥墩过程中防撞装置和船舶动力学行为、能量转换关系等进行了分析；朱俊羽等^［13］对某25 m T梁和桩柱式桥墩发生船撞事故后进行了加固方案研究，建议采用增大截面法对受损桩基础进行加固补强；袁龙文等^［14］采用有限元分析方法分析了桥墩混凝土强度、配筋率、船舶行驶速度等因素对内河中桥墩撞击的具体作用规律；招启嵩等^［15］分析了一座桥龄超过20年的内河航道桥的抗撞能力；宋彦臣等^［16］提出了更合理的混凝土帽盖模型，解决了弹塑性损伤帽盖模型参数过多、取值困难而不便应用的问题。

在桥墩防护装置研究方面，岩井聪等^［17］认为桥墩防护设施按设置地点的不同，可分为直接构造与间接构造两大类；樊伟等^［18］认为桥梁系统防撞途径主要包括：优化桥跨构型、采取物理耗能防护措施以及采取预警管理防护措施。

本文建立了上海斜塘大桥货船‒桥梁撞击的精细化有限元模型，探讨了2种不同载货工况下船桥碰撞与事故报告对比的合理性。在此基础上，通过建立不同双柱式桥墩加固措施的有限元模型，对比分析了各方案的抗撞性能，可为双柱式桥墩的抗撞加固设计提供一定参考。

1 上海斜塘大桥事故模拟分析

1.1 工程背景

松蒸公路斜塘大桥照片和总体布置见图1和图2。该桥宽12.5 m，上部结构采用简支梁桥形式。边跨引桥东、西对称布置，为6×22 m预应力空心板梁。主桥中跨为2×42 m T形梁，桥梁总长度348.6 m。桥墩承台以上设2根直径110 cm的圆形墩柱。基础采用高桩承台群桩基础，桩长为23 m，截面为边长40 cm的方桩，共12根。2014年3月10日，上海松蒸公路斜塘大桥发生船桥碰撞事故 ，货船与大桥5^#桥墩发生碰撞。由于缺乏监控记录，事故过程不详。魏伟^［19］和宋彦臣等^［16］介绍了大桥资料与事故调查结果。

1.2 有限元建模

对事故桥梁进行有限元简化建模，如图3所示。上部结构为两跨空心板梁桥，跨径22 m，伸缩缝宽度10 cm。桥面板两端自由搁置于固定约束的支座上。下部结构采用实体单元建模，混凝土本构选用弹塑性损伤帽盖模型^［16］，材料参数考虑了混凝土的应变率效应^［20］。主梁采用弹性材料模型模拟。采用“m”法模拟桩‒土动力响应，群桩基础采用梁单元建模。土的水平抗力系数按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）^［21］确定。

根据现场船舶流量观测结果和航道等级，选取1 000 DWT的标准货船作为代表碰撞船舶，该船的满载排水量为1 210 t。结合现场实地调查，货船选择圆头船艏。假设1 000 DWT级船艏长、高和宽分别为9.6 m、3.5 m和9.7 m，建立的货船有限元模型见图4（a）。内部加劲肋采用现场测量的方式确定，见图4（b）。

1.3 撞击工况

船桥碰撞事故中，碰撞角度、碰撞速度和船舶载重量是影响损伤程度的重要因素。根据现场实测结果，该航道船舶空载与满载平均速度分别为3.3 m/s、1.9 m/s。根据现场水位情况，满载船舶仅撞击承台，空载船会同时撞击承台和桥墩。因此，本节共设定空载和满载2种工况，结合现场测定的速度进行模拟，通过与事故后结构损伤状态的对比分析，推测较为合理的事故原因。具体工况布置如表1所示。

本节在数值模拟中，通过关键字*ELEMENT_MASS考虑船舶周围水体的附加质量效应，取附加水质量系数为1.05（即附加水质量为船舶总质量的5%）。根据图5所示的现场卫星照片，主航道两侧桥墩设置防撞岛，事故桥墩位于非通航孔区域。综合考虑结构特征、防护措施和航行条件，假设船舶碰撞参数为：航向偏转角80°，船体侧倾角60°。

1.4 撞击模拟结果分析

根据上述工况模拟计算，得到桥梁结构船撞事故破坏过程。本节从桥梁损伤情况、撞击力时程以及撞击点位移3个方面，对不同桩基础的双柱式桥墩的动力响应行为进行分析。

1.4.1 撞击力时程

图6展示了船桥相互作用过程以及船舶撞击力的时程变化情况。以满载工况为例进行分析，0 s前主要是重力恒载的施加阶段；0 s后船与桥开始接触。当时间推进至0.098 s时，撞击力出现第一个峰值（2.68 MN）。在此阶段，船与桥逐渐达到相同的运动速度。在此过程中，非撞击柱因扭转破坏出现螺旋斜裂缝，而被撞击柱则未出现明显的弯剪损伤迹象。

在0.098~0.195 s的时间段内，撞击发生时桥梁产生了瞬时加速度，使桥梁朝远离货船的方向运动，进而导致撞击力逐渐减小，并在0.195 s时达到最小值（0.61 MN）。此时，船艏外部钢板在内部加劲肋的屈曲与挤压作用下，发生了明显的压溃变形。

随后在0.195~0.233 s期间，在桥梁的惯性效应、土‒桩相互作用以及桥梁上部结构约束的共同作用下，桥梁与仍在运动的货船继续保持接触状态。当时间达到0.233 s时，撞击力达到第二个峰值，约为1.04 MN。与此同时，被撞墩柱的损伤程度进一步加剧，裂缝不断扩展延伸，相邻墩柱的损伤程度也在不断提高。被撞击柱不仅出现了明显的弯剪损伤裂缝，而且柱顶还产生了受压损伤。

在0.233~0.400 s期间，船与桥逐渐分离，直至船桥碰撞过程完全结束，船舶撞击力也随之逐渐降至0。

综合对比2种工况可以发现，船舶质量越大，峰值撞击力越大；2种工况撞击过程持续的时间比较接近。

1.4.2 承台位移

承台端部的位移时程如图7所示，撞击侧承台端部残余位移在空载和满载工况下分别为20 mm和291 mm，其中满载工况的残余位移与事故分析中的残余位移300 mm基本一致^［16］。

1.4.3 桥墩损伤

基于有限元模拟得到的桥梁整体损伤情况与实际事故情形的对比如图8所示。不同工况模拟结果显示：非受撞柱出现扭转现象，与事故照片吻合；被撞侧柱的墩底混凝土发生弯剪损伤，墩顶保护层混凝土出现受压损伤，模拟结果与事故中的实际情形基本一致；承台出现局部破坏，但墩柱本身没有较大的损伤。对比3种工况下桥墩损伤裂缝可知，动能越大的轮船撞击桥墩时，非受撞侧的扭转破坏越大，损伤越明显。

上述模拟分析验证了全桥碰撞有限元模拟的正确性。对比分析空载、半载和满载工况的船桥碰撞动力响应，结合现场撞击损伤状态，确定事故发生时肇事船只最可能处于满载状态。

以上分析为后续讨论桥墩加固措施的适用性提供了模拟基础。此外，结合现场考察情况来看，经过10余年服役期，与受撞击5^#柱对称的9^#柱已出现箍筋裸露的现象。虽然斜塘大桥的主航道桥墩已设置防撞岛，防止船桥相撞，但是作为副通航道桥墩的5^#与9^#双柱墩的墩柱本体加固措施必须考虑。

2 不同措施的防撞效果比较

加固方式可分为直接加固和间接加固。直接加固包括：双柱墩改整体墙式墩、双柱墩改局部墙式墩、局部高度扩大桥墩截面加固、全高扩大桥墩截面加固、钢护筒加固、斜撑加固等。间接加固指体外加固方法，包括混凝土防撞墩、钢护筒防撞墩、龙门架防撞墩等。

斜塘大桥对破坏后的桥墩采用原样重建+混凝土防撞墩的加固设计方案（图9），其他部位未进行处理。但对称位置的9^#桥墩出现了钢筋锈蚀外露病害（图10），受船撞后，发生严重破坏的可能性较大，亟须进行加固处理。本节重点对桥墩本体的直接加固方法进行探讨。选取加固措施中常见的双柱墩改整体墙式墩加固法、全高扩大桥墩截面加固法以及斜撑桥墩加固法，进行力学性能对比分析，以评估加固措施的适用性。

2.1 有限元建模

为了计算墩柱的抗撞能力，仅选取双柱桥墩建立有限元模型，承台底部固结。各个方案的有限元模型具体布置如下：未加固双柱墩柱高7 000 mm，墩柱直径1 100 mm；双柱墩改整体墙［图11（a）］，将两个墩柱之间用同等强度混凝土C40填满，墙宽度与墩柱直径相同，均为1 100 mm；全高扩大桥墩截面加固［图11（b）］，采用厚度为200 mm的UHPC（超高性能混凝土）作为墩柱保护壳，并在原桥墩表面植筋，配筋与桥墩内部材料一致；斜撑桥墩加固［图11（c）~11（d）］，采用V形和X形斜撑加固，加固材料采用C40混凝土，宽度为1 000 mm，该加固方案的目的是增加框架桥墩的冗余度，确保桥墩严重破坏时，支撑继续承担上部恒载，防止上部结构倒塌。

2.2 工况设计

船舶撞击力与船舶初始速度以及船舶与桥墩的撞击点密切相关。为此，本文设置5种工况，均采用1 000 DWT标准货船满载状态，分别对未加固桥墩以及4种加固方式桥墩的撞击效果进行分析。标准货船为1 000 DWT圆头货船，质量为1 210 t，撞击速度为1.9 m/s。撞击高度为3 500 mm，撞击角度为0°。

2.3 横桥向撞击模拟结果分析

2.3.1 撞击力时程

如图12所示，未加固桥墩撞击力在t=0.022 s时刻达到最大值。碰撞过程中，船舶产生显著变形以耗散冲击动能，撞击力在t=0.21 s时逐渐降至零。各加固工况的撞击力时程曲线变化趋势大体相似，但由于加固措施对桥墩侧向刚度的影响，碰撞的持续时间有所差异。具体而言，加固工况下的峰值撞击力均出现在t=0.022 s之后，晚于未加固工况。随着船体与桥墩破坏程度的加剧，动能耗散量增加，加固工况的撞击力在t=0.3 s左右逐渐减小至零。

2.3.2 桥墩侧向位移

桥墩侧向位移选择双柱墩受撞点同一墩柱的对称点，各工况结果如图13所示。由图13可以看出：整体墙式加固工况的稳定性优于其余工况，其最大桥墩受撞侧位移为1.82 mm，原因在于该方案拥有更大的侧向刚度与更好的桥墩稳定性。

各工况的峰值撞击力及侧向位移如表2所示。由表2可以看出：整体墙加固法的桥墩侧向位移为1.82 mm，峰值撞击力为3.96 MN，在4种工况中均为最大变化量，能显著提高桥墩的稳定性；增大截面加固法的峰值撞击力为4.52 MN，UHPC加固层避免了桥墩本体直接受撞，有效减小了桥墩混凝土的破坏程度；斜撑加固通过斜撑在墩柱之间加强了力的传递，在提升抗撞性能和减少桥墩损伤方面均表现较好，且斜撑装置在一定程度上可为盖梁提供竖向支撑，防止桥墩柱断裂后盖梁的竖向倒塌。

与未加固工况相比，4种加固方案的撞击力最大增幅为47.7%。采用刚性加固措施后，桥墩的抗撞能力提高，后续可以采用柔性耗能防撞装置来降低撞击力。同时，4种加固方案的桥墩侧向位移均有减小，最大的减幅达99.3%，位移得到有效控制，桥墩本体的损伤也得到有效控制。

基于桥墩损伤、撞击力以及墩柱侧向位移3个指标，对5种工况进行综合评价。结果表明：在正撞情况下，桥墩防撞加固措施能有效提高桥墩抗撞能力，减少桥墩撞击倒塌的可能性。

3 结论

本文对松蒸公路斜塘大桥的双柱式桥墩的船撞事故进行了模拟分析，并对加固方案进行了计算比较，得出以下结论：

（1） 结合实地考察测定的不同排水量的货船速度与可能撞击高度，探讨了斜塘大桥发生船桥碰撞事故的可能原因。空载的速度约为满载速度的2倍；满载工况下的货船峰值撞击力为2.68 MN，承台受撞侧位移为291 mm，与事故报告中的数据最为接近。

（2） 相比于未加固桥墩，整体墙式加固的峰值撞击力提高了29.4%；桥墩侧向位移为1.82 mm，减少了99.3%；而增大截面加固的峰值撞击力提高了47.7%，侧向位移减少15.6%；X形斜撑加固的峰值撞击力提高了3.6%，侧向位移减少了29.9%；V形斜撑加固的峰值撞击力降低了1.3%，侧向位移减少了25.9%。

（3） 从桥墩损伤的角度，当桥墩损伤较轻但植筋裸露时，建议使用增大截面加固来保护桥墩；当桥墩直径较小、容易被撞断时，建议使用斜撑加固装置加固桥墩，以增加竖向承载力，延缓结构倒塌；当航道船舶吨位较大、撞击力很大时，建议采用整体墙式加固，可以有效减少桥墩侧向位移，防止结构倒塌。

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