張海偉，嚴偉飛，徐雅娟

(1.浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112;2.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州 310006)

0 引言

船撞安全是橋梁設計中的一個重要的技術問題，鰲江特大橋采用有限元模擬方法研究船撞安全以及主塔墩防撞設施的有效性，為其主塔墩下部結(jié)構(gòu)設計和防撞套箱的優(yōu)化設計提供技術支持。

1 工程概況

鰲江特大橋位于甬臺溫高速公路復線溫州瑞安至蒼南段工程，跨越溫州鰲江口處，距甌南大橋約6 km。主橋采用雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，跨徑為52+88+320+88+52=600 m的疊合梁斜拉橋。主梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，梁高為3 m，中心距31.7 m。主橋橋塔采用H型門式橋塔，塔柱頂高程107.40 m，承臺頂高程5.00 m，索塔總高102.40 m;橋塔基礎采用對水流適應性較強的帶倒圓六邊形承臺，承臺外形尺寸62.9 m×27.6 m，承臺厚6.0 m。承臺下設38根直徑為2.5 m的鉆孔灌注樁，設2個備用孔。鋼套箱寬度1.6～2.2 m，水線長67.3 m，型寬30.8 m，型深8.3 m。

1.1 代表船型及無船舶防撞措施下的設計防撞力概況

目前鰲江兩岸?？看暗拇a頭設計噸級是1000 t級，往往?？?000 t的散貨船。這些散貨船船長多在90 m左右、船寬13.2 m左右，吃水5 m左右，空載水線以上高度在21 m左右。根據(jù)《鰲江特大橋船舶撞擊力標準及防撞方案研究》的結(jié)論，在沒有鋼套箱的防護下，由動力模擬計算方法、AASHTO規(guī)范及瞬態(tài)非有限元仿真的計算結(jié)果的綜合分析，主塔墩在1000 t船舶按照5 m/s撞擊速度作用下，其橫橋向設計防撞力為16.8 MN。

1.2 設計通航水位及通航凈空

鰲江特大橋處的設計代表船型為1000 t級海輪，橋梁采取單孔雙向布置通航孔，通航凈空為274 m×23.5m。設計最高通航水位4.59 m(1985高程，下同)，設計最低通航水位－3.5 m(理論值，船舶需趁潮進港)。

2 主塔墩防撞設計計算

2.1 計算模型和計算工況

根據(jù)《溫州港航道與錨地專項規(guī)劃》以及《通航論證》，主塔墩處的防撞控制船舶如表1所示?？紤]船艏結(jié)構(gòu)形式對撞擊結(jié)果的影響，分別建立對工況A和工況B有限元模型用于主塔墩鋼套箱的船舶撞擊仿真模擬計算。為精確模擬撞擊中船艏結(jié)構(gòu)的大變形、屈服等力學行為，船艏結(jié)構(gòu)按實際建模。

表1 代表船型尺度表

主塔墩、塔座采用C50混凝土，承臺、樁基礎采用C35混凝土。計算中，混凝土材料采用線彈性本構(gòu)關系，密度為2500 kg/m3，泊松比為0.167。主塔墩、承臺采用實體單元，六面體劃分，橋墩與船舶的MSC Patran有限元模型見圖1。鋼套箱采用板單元。

圖1 工況A和工況B船艏正撞主塔墩有限元模型

2.2 主塔墩防撞設計

使用主塔墩防撞設施是防止船舶撞擊橋墩時發(fā)生橋墩整體或局部破壞，有時甚至會影響到橋梁主體。通過對主塔墩增設防撞設施，可以阻止船舶直接撞擊橋墩，利用其緩沖消能的作用減小船舶撞擊力，起到保護橋梁安全作用。鰲江特大橋防撞設施的設計與承臺施工相結(jié)合，即作為防船舶撞擊的設施，又作為施工時的鋼套箱。該防撞設施主要利用與設計代表船舶船體結(jié)構(gòu)相適應的鋼結(jié)構(gòu)變形、破損來消耗船舶沖擊能量。船舶撞擊時，設施破損消能，減少對橋墩的撞擊力及破損長度，避免船舶前伸部分觸及橋墩上部結(jié)構(gòu)，同時加長防撞設施保護樁基。鋼結(jié)構(gòu)材料性能穩(wěn)定，單位質(zhì)量材料破損時消耗能量最大。在防撞設施外壁開設消坡孔，在水位較低時消波可明顯減少波浪對設施的沖擊力。

2.2.1 鋼套箱防撞設施保護下工況A計算結(jié)果

圖2 工況A作用下船撞力時程曲線和船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時程曲線

圖3 工況A作用下0.6 s時鋼套箱和船艏變形及等效應應力分布圖

圖4 0.6 s時船舶和主塔墩撞擊變形在工況A船舶撞擊模擬

分析中，船撞力及船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時程曲線如圖2，船舶最大撞擊力為11.42 MN，最大值出現(xiàn)在0.6 s附近。由鋼套箱和船艏變形及等效應應力分布圖3和主塔墩撞擊變形圖4可知，主塔墩在船舶撞擊造成的破壞可能性較小，承臺變形較小，船舶撞擊力小于承臺抗撞力。

2.2.2 鋼套箱防撞設施保護下工況B計算結(jié)果

圖5 工況B作用下碰撞力時程曲線和船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時程曲線

圖6 工況B作用下0.9s時鋼套箱和船艏變形及等效應應力分布圖

圖7 0.9s時船舶和主塔墩撞擊變形

在工況B船舶撞擊模擬分析中，船撞力及船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時程曲線如圖5，船舶最大撞擊力為15.20 MN，最大值出現(xiàn)在0.9 s附近。由鋼套箱和船艏變形及等效應應力分布圖6和主塔墩撞擊變形圖7可知，主塔墩在船舶撞擊造成的破壞可能性較小，承臺變形較小，船舶撞擊力小于承臺抗撞力。結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 有限元計算結(jié)果

由有限元豎直模擬計算表明，防撞設施具有一定的消能效果，主塔墩的防撞鋼套箱相比原船舶撞擊力16.8 MN，峰值消減了12.0%，同時在鋼套箱防撞設施的有效保護下，主塔墩處不會受到設計船舶的撞擊。

3 結(jié)語

采用撞擊有限元數(shù)值模擬的方法研究了鰲江特大橋在船舶撞擊下的性能，防撞設施主要利用與設計代表船舶船體結(jié)構(gòu)相適應的鋼結(jié)構(gòu)的變形、破損來消耗船舶沖擊能量。防撞鋼套箱設施消減了主塔墩船舶撞擊力峰值，具有明顯的消能效果，同時有效保護了樁基和承臺，避免受船舶的直接撞擊而造成局部損壞。

[1]浙江省交通規(guī)劃設計研究院.鰲江特大橋設計圖紙[K].杭州:浙江省交通規(guī)劃設計研究院，2013.

[2]上海船舶運輸科學研究所.船舶撞擊力標準及防撞方案研究[K].上海:上海船舶運輸科學研究所，2013.

[3]王君杰，陳誠，盧永成.上海長江大橋船舶船撞安全性能的數(shù)值模擬研究[J].世界橋梁，2009，(S1):78－81.