Transportation Science & Technology
交通科技
Serial No. 282No. 3 Jun. 2017
DOI 10.3963/j. issn.1671-7570.2017.03.016
沙湾大桥主塔墩船舶撞击局部应力分析
阙育梅张漫
(武汉市公路勘察设计院武汉430056)
摘要随着我国航运业的快速发展，船舶撞击事件屡有发生。广东沙湾大桥位于沙湾航道中，
为保障主塔墩在设计撞击力作用下的安全，通过利用三维有限元程序ANSYS建立实体模型，研究 正撞、偏撞和改变撞击面积等工况下撞击区应力分布，分析各工况下应力峰值的分布及变化，并选 取控制性截面进行承载能力验算，结果表明各种工况下，截面承载力均满足要求。关键词沙湾大桥船舶撞击应力分析
m预应力混凝土双塔矮塔斜拉桥（见图1)，桥轴
水道中。82、83号主塔墩为双薄壁墩，横桥向宽
沙湾大桥[1]主桥为137.5 m+248 m+137. 5 14 m,壁厚1.6 m,两壁净距4.8 m。基础采用13 根直径2.5 m钻孔桩基础，承台平面为14.5 mX 24.9 m矩形，四边倒角3.5 mX4.0 m后呈八边 形，承台厚6 m。
线与河道交角90°其中82,83号主塔墩位于沙湾
设计洪水频率为1/300,对应的设计流量7890
m3/s，流速2.78 m/s，设计水位为3.54 m。
沙湾特大桥航区为内河I级航道，根据《沙湾
1.1计算假定
1) 船撞时桥墩不破坏，并且无截面削弱。2) 墩身结构处于弹性状态，刚度不折减。3)
向20 MN分别作用；裸墩撞击力作用面积难以精 确确定，顺桥向施撞面积分别研究6 X 1. 5, 4X1.0,3X1.0 m2等工况，横桥向施撞面积分别 研究1.6X1.516X1.0 m2等工况，以分析撞击 区局部应力大小及分布规律。
1.2计算模型
取82,3号桥墩进行撞击力分析，利用有限 元程序ANSYS14.0建立塔、梁、墩、桩实体模型， 见图2。经计算嵌固深度取5.86 m，82号自由桩 长取15.0 m，83号自由粧长取19.3 m，自由长度
特大桥船舶撞击力标准研究报告》及相关类似桥 梁碰撞撞击力的研究结论[2_3]，本桥采用内河I级
航道的3 000 t级船舶为代表船型，其满载排水量 为5 332 t，船舶撞击速度3.497 m/s，船撞力计算 值见表1。
表1
航道名称沙湾主通航孔
桥墩
横桥向顺桥向
主墩
将船撞动力静力化，顺桥向10 MN、横
桥墩船舶撞击力计算值
船舶撞击力
备注食注
MN
20.0 10.0
无防撞消能设施情况下
收稿日期：
017-02-28
底部采用固结约束模拟，研究最不利受力状态。
52阙育梅张漫：沙湾大桥主塔墩船舶撞击局部应力分析2017年第3期
1)当撞击面积6X1. 5 m2时顺桥向正撞工 况，分析主塔墩背侧局部主应力分布，见图5、图6。
图5顺桥向正撞背侧正
应力与主拉应力分布
图6顺桥向正撞背侧正
应力与主压应力分布
从顺桥向正撞背侧应力分布可知：主拉应力
峰值为2.1 MPa，主压应力峰值为一16.1 MPa。
图2
主塔墩几何与有限元模型
1. 3
工况及符号规定
工况一。恒载+汽车+撞击力（纵向）+风 载十强迫位移十整体与体系升温（最小剪力）。
工况二。恒载+汽车+撞击力（纵向）+风 载十强迫位移十整体与体系降温（最大轴力）。
工况三。恒载+汽车+撞击力（纵向）+风 载十强迫位移十整体与体系降温(最小剪力）。
工况四。恒载+汽车+撞击力（纵向）+风 载十强迫位移十整体与体系降温(最大弯矩）。工况五。恒载+汽车+制动力+风载+强迫 位移十整体与体系降温(最大弯矩）。
工况六。恒载+汽车+撞击力（横向）+风 载十强迫位移十整体与体系降温(最大弯矩）。
符号规定：负值为压应力，正值为拉应力。2
应力分析
选取典型工况下桥墩的应力分布结果，分别
为撞击前墩身应力分布、顺桥向撞击墩身应力分 布、横桥向撞击墩身应力分布，比较墩顶、墩底局 部应力变化，以及撞击区应力大小及分布状态。 该项分析的目的是评价撞击作用对墩身乃至整体 结构的影响程度，并判断墩身最不利应力的部位。
根据工况一〜工况六的分析结果，工况六为 最不利组合，撞击面积分别取6X1. 5,4X1. 0, 3X1. 0 m2时，研究顺桥向正撞、偏撞作用下撞击 区应力分布。现撞击面积选取6X1. 5 m2为例， 82号、83号主塔墩整体结构的主拉和主拉应力分 布见图3、图4。
图3主塔墩整体结构 图4主塔墩整体结构主拉应力分布
主压应力分布
2)当撞击面积6 X 1. 5 m2时顺桥向偏撞工 况，分析主塔墩背侧局部主应力分布，见图7、图8。
图7顺桥向偏撞背侧正
图8顺桥向偏撞背侧正
应力与主拉应力分布
应力与主压应力分布
从顺桥向偏撞背侧应力分布可知：主拉应力
峰值为1.5 MPa，主压应力峰值为一 17.8 MPa。
m3)当撞击面积分别取1. 6X1. 5,1. 6X1.0
2时，82号桥墩横桥向船撞作用下撞击区应力 分布见图9、图10(以撞击面积6X1. 5 m2为例）。
图9横桥向正撞背侧正应图10横桥向正撞背侧正应
力与主压应力分布
力与主拉应力分布
从横桥向正撞背侧应力分布可知，主拉应力
峰值为1. 3MPa，主压应力峰值为一15. 9MPa。
82、83号桥墩顺桥向正撞、偏撞作用下撞击 区应力峰值见表2。
表2
主塔墩顺桥向撞击区应力峰值
撞击面积/m2
撞击方式
6X1. 5
4X1. 0
3X1. 0
正撞偏撞
正撞
偏撞
正撞偏撞
主应力/
主压一 16. 1 —17. 8一16. 9 —19. 4一17. 4 — 20. 7MPa
主拉
2.1 1.52. 7
2. 0
3.1
3.2
由表2可见，顺桥向撞击的主应力峰值均出 现在减小撞击面积的偏撞工况。
82、83号桥墩横桥向正撞、偏撞作用下撞击 区应力峰值见表3。
2017年第3期
表3
主应力/
阙育梅张漫：沙湾大桥主塔墩船舶撞击局部应力分析
主塔墩横向撞击区应力峰值表
53
3.2 MPa，需要进行相应截面竖向承载力的检算； 选取约束上部结构横向变形时的模型，按施撞面
积3X1. 0 m2作用选取截面内力进行检算，计算 结果表明，截面承载力满足要求。
4)
抗扭承载力，偏安全选取上部结构横向自由变形模 型，按施撞面积3X1. 0 m2作用选取墩底截面内力
撞击面积/rm
MPa
主压主拉
1. 6X1. 5
-15. 9 1. 31. 0X1. 5-17. 2 1. 4
由表3可见，横桥向撞击的主应力峰值均出 现在减小撞击面积的工况。
3
结论
顺桥向偏撞作用下，检算墩身控制截面
进行检算计算结果表明，截面承载力满足要求。
分析不同工况下撞击区应力结果，横桥向
5) 对墩身进行单项撞击力分析知，墩底全
撞击作用下墩身局部各向应力均较小，满足要求，
面参与受力，可以采用平面杆系程序进行检算。
不需要进行截面强度检算。
1) 2)
顺桥向正撞作用下，局部竖向拉应力不
参考文献
大，满足要求，局部横向拉应力较大，随施撞面积
减小至3X1. 0 m2,桥墩背侧横向峰值拉应力分 布区域2. 5X2.0 m2,达3. 1 MPa,需要进行相应 截面横向承载力的检算；按施撞面积3X1. 0 m2 作用选取截面内力进行检算。撞击区正截面抗压 承载力检算表明，横向配筋需要加强，建议横向箍 筋采用20 mm@10 cm,截面抗剪承载力满足要求。
3)
大，满足要求，局部竖向拉应力较大，随施撞面积 减小至3X1. 0 m2,桥墩背侧竖向峰值拉应力达
[1]
中国公路工程咨询总公司，交通规划研究院（中路 港公司）.广州东沙至新联高速公路工程第S09标 段施工图[Z].北京：中国公路工程咨询总公司，交 通规划研究院，2007.
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[顺桥向偏撞作用下，局部横向拉应力不
207-208.
Local Stress Analysis of Main Tower of Shawan Bridge Under Ship Impact
QUE Yumei，ZHANG Man
(Wuhan Highway Survey and Design Institute,Wuhan 430056, China)
Abstract： With the rapid development of China's shipping industry，ship collision
ously .Guangdong Shawan Bridge is located in Shawan channel. To ensure the safety of the main tower under the impact force， the three-dimensional finite element program ANSYS ithe solid model to study the stress distribution under the conditions of frontal iand different impact area，the distribution and variation of stress peak under those conditions are analyzed ，and then the control section is selected to check the bearing capacity. Tder different conditions，the bearing capacity of the section meets the requirements.Key words： Shawan Bridge； ship collision； stress analysis
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