林 江,母德偉,余 葵,劉 洋,李 俊

(1.重慶交通大學西南水運工程科學研究所,重慶 400016;2.長江上游水文水資源勘測局,重慶 400014)

萬州長江公路大橋防撞裝置結構穩(wěn)定性及通航凈空尺度

林 江1,母德偉1,余 葵1,劉 洋1,李 俊2

(1.重慶交通大學西南水運工程科學研究所,重慶 400016;2.長江上游水文水資源勘測局,重慶 400014)

為了研究萬州長江公路大橋防撞裝置的通航適應性,分別采用有限元軟件ABAQUS、物理模型試驗等方法對該裝置的結構穩(wěn)定性及通航凈空進行了分析。模型計算和試驗結果表明,船舶撞擊防撞帶后,防撞帶保持了較好的完整性,船舶也未出現(xiàn)擦刮大橋拱圈和自身翻覆現(xiàn)象,滿足橋、船和防撞設施“三不壞”原則,防撞裝置對大橋能進行有效地防撞保護。

防撞裝置;結構穩(wěn)定性;通航凈空;萬州長江公路大橋

萬州長江公路大橋位于重慶市萬州主城區(qū)上游7 km黃牛孔處,處于三峽水庫常年回水區(qū),是國家“兩縱兩橫”主干線之一的318線上跨長江的一座特大型橋梁,1994年5月1日正式動工,1997年建成通車。該橋為主跨420 m的鋼筋混凝土上承式拱橋,全長856.12m,總寬24m,凈矢高84.0m,凈矢跨比1/5,主拱圈高7 m,寬16 m,是同類橋梁中同期世界最大跨徑的鋼筋混凝土拱橋。

萬州長江公路大橋為鋼筋混凝土箱型拱橋,拱圈、立柱均采用矩形鋼筋混凝土薄壁箱型結構,大橋自身順水流方向抗撞能力較弱。三峽水庫正常蓄水后,該橋位于三峽水庫常年回水區(qū),因拱腳高程較低(僅152.59m),隨著三峽水庫175m蓄水運行,大部分時間內大橋拱圈將被部分淹沒,橋下通航尺度進一步縮小。由于三峽蓄水后庫區(qū)運行船舶載質量不斷增大,一旦船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱,將極易導致拱橋垮塌,引發(fā)極為嚴重的安全事故,為防止此類惡性事件的發(fā)生,萬州長江公路大橋橋梁防撞裝置的建設就顯得尤為重要。萬州長江公路大橋防撞設施采用弧形水上升降式防撞裝置,本文通過結構分析、模型試驗等方法,對該裝置的通航適應性進行研究。

1 防撞裝置結構及穩(wěn)定性分析

歷史上有大承臺、人工島等行之有效的防撞設施,對大橋起到了很好的保護作用;后來出現(xiàn)木柵、鋼鏈和浮舟等設施,希望除了保護橋之外也保護船,但這些設施都比較易損壞。為了橋、船和防撞設施三者都不易損壞,就出現(xiàn)了會后退的外剛內柔的“三不壞”防撞裝置[1]。

萬州長江公路大橋防撞設施工程采用弧形水上升降式防撞裝置,該裝置是一種新型的橋梁防撞裝置,其主要特點是獨立于橋梁設置,對橋梁進行區(qū)域性防護,可隨庫區(qū)水位自適應升降,并滿足“三不壞”防撞要求。

1.1 防撞裝置結構

弧形水上升降式防撞裝置主要由防撞帶、浮筒與導向井三大部分組成[2],如圖1所示。該裝置防護范圍為最高通航水位時,大橋通航凈高不足18 m的拱圈以及淹沒的拱座和立柱。設計防撞帶弧形結構半徑為106 m,跨徑210 m,矢高為91.48 m,矢跨比1∶2.3,兩岸防撞帶沿橋軸線方向凈距為310 m。

圖1 弧形水上升降式防撞裝置三維示意圖

防撞帶為該裝置的主體部分,為弧形中空雙層鋼管結構,具備自浮能力,外層鋼管直徑4.0 m,浮出水面高度為2.0 m,可吸收和傳遞船舶碰撞力。當船舶斜撞時可適當撥開船頭,使船舶改變航行方向,減輕船舶受損程度,吸收船舶碰撞力,防止船舶進入橋梁保護區(qū);當船舶正撞時可防船舶翻爬,利用自身緩沖特性減輕船舶受損程度,避免船舶進入橋梁保護區(qū)。

浮筒為鼓形中空多艙室全鋼結構,固定于防撞帶端部,置于導向井內,具備自浮能力,隨水位變化沿導向井內壁升降。浮筒可緩沖防撞帶傳遞的船舶碰撞力,在整個防撞裝置中起平面約束、縱向導向作用。

導向井為開口式中空混凝土柱結構,通過對浮筒的平面定位與豎向導向,使防撞帶在導向井開口位置處隨水位升降,并承擔、吸收和傳導防撞帶經(jīng)由浮筒傳遞至導向井的作用力。

1.2 結構穩(wěn)定性分析

目前,解決船橋碰撞問題的研究成果有經(jīng)典的Minorsky理論、漢斯-德魯徹理論、各種簡化解析方法、簡化內部機理的數(shù)值解法、試驗方法和有限元方法等[3-8],其中有限元法可反映的碰撞物理現(xiàn)象最為完備,得到的計算結果也最為準確[9-11]。由于本研究中船與防撞裝置的碰撞問題涉及結構、材料以及船舶碰撞過程的非線性問題,因此模擬分析采用了以計算非線性問題見長的有限元軟件ABAQUS[12]。

1.2.1 計算水流條件

根據(jù)三峽水庫調度方案,水庫汛期限制水位一般為145 m,但對于大于56700 m3/s的流量,按照三峽水庫分級調度、補償調節(jié)的方式,水庫將開始蓄洪運用,保證沙市流量不超過56700 m3/s,在此情況下壩前水位將高于145 m。汛后水庫壩前水位逐漸蓄至175 m。因此,為模擬實際使用時的最不利工況,計算水位為151.8 m(三峽壩前水位145 m時橋位水位),流量56700 m3/s。

1.2.2 計算荷載

計算荷載組合主要考慮永久荷載、可變荷載及偶然荷載,其中,永久荷載包括結構自重和浮力,可變荷載包括風荷載、流水壓力及波浪作用,偶然荷載為設計代表船舶撞擊荷載。本文考慮船舶撞擊防撞帶的典型部位主要有拱頂、距拱頂1/8弧長處、距拱頂1/4弧長處、距拱頂3/8弧長處4個位置,如圖2所示。

圖2 船舶撞擊典型部位

1.2.3 計算模型與參數(shù)

萬州長江公路大橋防撞設施共涉及2種混凝土材料和2種鋼質材料,各材料基本參數(shù)見表1。

萬州長江公路大橋防撞裝置設計船型標準為5000 t級船舶,選用5 000 t級球鼻艏船舶作為計算代表船型,該船總長110m,型寬19.2m,吃水4.3 m。5000 t級球鼻艏船舶有限元模型如圖3所示,單元總數(shù)58019,節(jié)點總數(shù)38 472。萬州長江公路大橋防撞裝置依據(jù)1.1節(jié)設計結構尺寸進行建模。

表1 材料基本參數(shù)

圖3 5000 t級球鼻艏船舶有限元模型

1.2.4 計算結果

根據(jù)有限元模型計算結果,5 000 t級球鼻艏船撞擊防撞帶時,由于船舶撞擊沖量較大,防撞帶產(chǎn)生較大的塑性變形,最大變形位移為5.03m,防撞帶通過結構變形,吸收了船舶的較大部分能量。防撞帶所用Q345D鋼的最大Mises應力為445MPa,未超出Q345D鋼的抗拉強度,說明設計的防撞帶在5 000 t級船舶撞擊力作用下產(chǎn)生較為強烈的塑性變形,但未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,仍能對大橋進行有效保護,滿足防撞裝置自身結構穩(wěn)定要求。表2和圖4分別為5000 t級球鼻艏船舶下行撞擊右岸防撞帶計算結果和應力云圖。

表2 5000 t級球鼻艏船舶下行撞擊右岸防撞帶計算結果

2 通航凈空尺度

2.1 通航凈高

萬州長江公路大橋橋區(qū)河段航道等級為Ⅰ-(2),考慮三峽水庫運行100 a泥沙淤積的基礎上,橋位處最高通航水位(20年一遇洪水)為174.22 m。根據(jù)GB50139—2004《內河通航標準》,Ⅰ-(2)級航道水上過河建筑物需滿足通航凈高18 m、側高7 m的要求。由于防撞帶為浮式結構,且船體外形為上寬下窄的光滑流線型,船首還具有上傾下凹的結構特點,失控船舶有部分船體進入防撞帶防護范圍內的風險,因此GB50139—2004《內河通航標準》對側高的規(guī)定在這種情況下并不適用。

圖5為萬州長江公路大橋防撞方案立面布置,可以看出,最高通航水位174.22 m時,橋下通航凈高大于18.42 m,滿足GB 50139—2004《內河通航標準》Ⅰ-(2)級航道通航凈高18 m的要求。

圖4 5000 t級球鼻艏船舶下行撞擊右岸防撞帶應力云圖

圖5 防撞方案立面布置(單位:m)

2.2 通航凈寬

萬州長江公路大橋位于水庫常年回水區(qū),枯水期壩前水位蓄至175 m時,工程河段通航水流條件好,但橋下通航凈空尺度最小;汛期壩前水位降至防洪限制水位145 m時,工程河段通航水流條件相對較差,對通航凈寬的需求最大。表3為上述兩種情況下橋下通航凈寬需求,計算公式參見GB 50139—2004《內河通航標準》附錄C。

表3 不同船舶及船隊組合情況下通航凈寬分析

萬州長江公路大橋防撞工程建成后,各級水位條件下兩岸防撞帶沿橋軸線方向凈距為310 m,由表3可知可滿足5 000 t級單船雙向通航、5 000 t級單船與大型船隊的交會及大型船隊單向通航凈寬要求。為確保橋區(qū)河段船舶航行安全及大橋自身安全,應禁止大型船舶在大橋水域交會。

2.3 自航船模與防撞設施碰撞試驗

為了進一步研究船舶與防撞帶撞擊后,萬州長江公路大橋通航凈空尺度方案是否合理,以及防撞設施運行的穩(wěn)定性和可靠性等因素,采用自航船模和整體水工模型相結合的方式(模型比尺為1∶100)研究不同通航水流條件下,不同船型撞擊防撞帶的典型部位時,防撞帶的防撞效果和船舶的狀態(tài)。

根據(jù)模型試驗結果,當枯水期三峽水庫壩前水位175m,遇同期百年一遇洪水(流量28400m3/s,橋位水位174.22 m)時,5000 t級單船可安全通過防撞帶拱頂附近水域而不至于擦刮大橋拱圈,即使遇到輕載或空載情況也可采取臨時倒桅等措施避免船舶上層建筑擦刮大橋拱圈,如圖6所示。

圖6 5000 t級單船撞擊拱頂

在流量28400m3/s、橋位水位174.22m(最高通航水位)和流量56700 m3/s、橋位水位151.80 m(通航水流條件最差)兩種典型工況下,船舶撞擊防撞帶后航行情況如表4所示。從表4可以看出,各種工況下船舶均未出現(xiàn)擦刮大橋拱圈和自身翻覆現(xiàn)象,僅在1000 t級自航貨船分別碰撞防撞帶距拱頂1/4和3/8弧長處時,船舶會略為斜向上爬或徑向上爬至防撞帶上部4～12 m(船身長度),但均不會出現(xiàn)翻覆或是接觸大橋拱圈的情況,不會危及大橋安全,且防撞帶也保持了較好的完整性,滿足自身結構穩(wěn)定要求。

表4 船舶撞擊防撞帶后船舶運行狀態(tài)統(tǒng)計

3 結 論

a.萬州長江公路大橋為鋼筋混凝土箱型拱橋,處于三峽水庫常年回水區(qū),隨著三峽水庫壩前蓄水位的抬高,橋下通航尺度不斷縮小,為防止失事船舶撞擊拱圈引發(fā)嚴重的安全事故,萬州長江公路大橋橋梁防撞裝置的建設極為重要。

b.萬州長江公路大橋防撞設施工程采用弧形水上升降式防撞裝置,可隨庫區(qū)水位自適應升降,有限元軟件ABAQUS計算結果表明,設計5000 t級船舶撞擊防撞帶后,仍保持了防撞帶較好的完整性,滿足防撞裝置自身結構穩(wěn)定要求。

c.萬州長江公路大橋防撞裝置建成后,滿足GB 50139—2004《內河通航標準》Ⅰ-(2)級航道通航凈高18m的要求,以及5000t級單船與大型船隊的交會要求。自航船模和整體水工模型相結合的試驗也表明船舶撞擊防撞帶后,船舶均不會出現(xiàn)擦刮大橋拱圈和自身翻覆現(xiàn)象,滿足“三不壞”防撞要求。

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Structural stability and navigable clearance of anti-collision device of Wanzhou Yangtze River Highway Bridge//

LIN Jiang1,MU Dewei1,YU Kui1,LIU Yang1,LI Jun2(1.Southwest Hydraulic Engineering and Science Research Institute for Waterways,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016,China;2.Upper Yangtze River Survey Bureau of Hydrology and Water Resources,Chongqing 400014,China)

In order to study its navigation adaptability,the structural stability and navigation clearance of an anti-collision device of the Wanzhou Yangtze River Highway Bridge were analyzed by means of the finite element software ABAQUS and a physical model.The calculated and experimental results show that the anti-collision belt maintains the structural integrity after being hit by a ship,and the ship can pass through the bridge safely without rubbing the bridge arch.Thus,the anticollision device of the Wanzhou Yangtze River Highway Bridge can meet the security requirements of the ship and the bridge,as well as its own,and it can provide effective protection for the reservoir bridges.

anti-collision device;structural stability;navigable clearance;Wanzhou Yangtze River Highway Bridge

10.3880/j.issn.10067647.2013.02.013

U447

A

10067647(2013)02005904

2012-06-07 編輯:熊水斌)

林江(1983—),女,四川南充人,助理研究員,碩士,主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail:jianglin0508@126.com