袁佩

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶市 400067）

云川金沙江大橋防船撞裝置與工程應(yīng)用

袁佩

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶市 400067）

隨著跨江橋梁的增多及航道的升級,越來越多的橋梁面臨船撞風(fēng)險。合適的防撞裝置能增加橋梁的抗沖擊能力,減小橋梁與船舶的事故損失。現(xiàn)介紹云川金沙江大橋的防撞裝置,從消能效果驗證、承載力驗算等方面進行闡述,并列舉工程應(yīng)用實例,證明該裝置的實用性。

船撞；復(fù)合材料；防撞裝置；消能

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展,高速公路建設(shè)進入了快速發(fā)展期。與此同時,大量跨江大橋如雨后春筍般紛紛修建起來。橋梁作為跨越航道的建筑物,對船舶航行來說無疑是一種障礙物。同時,橋梁的建成還會使橋區(qū)環(huán)境發(fā)生改變,如水流流速、彎道、沖刷、淤積等。而船舶運輸?shù)陌l(fā)展使得現(xiàn)在的通航船舶也開始變得愈來愈大,愈來愈多。船撞橋事故的發(fā)生是不可避免的,它不但涉及到船舶通行的安全,也會嚴(yán)重影響著橋梁的安全運營。因此,專門研究橋梁防撞裝置是十分必要的。只有合適的防撞裝置才能增加橋梁的抗沖擊能力,緩和船舶對橋墩的沖擊作用,最大限度地減少橋梁與船舶的事故及其后果損失。

橋墩防撞裝置主要有一體式、附著式和獨立式[1,2]。防撞裝置的設(shè)計需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進行[3]。

隨著港口規(guī)劃及航道等級的提升,船舶通航密度、船舶噸位逐年增加,船舶撞擊橋墩的風(fēng)險也將隨之提高。為降低船撞風(fēng)險,確保橋梁的運營安全,云川金沙江大橋?qū)ｉT開展了防船撞研究。本文以云川金沙江大橋為依托工程,介紹該橋的防船撞裝置及其工程應(yīng)用。

1 工程概況

云川金沙江大橋位于云南省昭通市綏江縣境內(nèi),綏江縣城東側(cè)約3.5 km的金沙江河谷上,為國家重點水利工程——向家壩電站蓄水淹沒區(qū),電站蓄水期間被淹沒后,是綏江縣與四川省屏山縣相連接的金沙江上的唯一橋梁。橋位處江面寬585 m,路面設(shè)計標(biāo)高距江面最大高度29 m,橋?qū)?3 m,橋跨布置為:（90+190+228+123+60）m連續(xù)剛構(gòu)體系。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 云川金沙江大橋橋型布置圖

2 船橋碰撞數(shù)值模擬分析

為了驗證復(fù)合材料防撞套箱折減船撞力的效果,采用動力數(shù)值模擬法進行計算。相撞結(jié)構(gòu)物之間的碰撞作用采用接觸算法來完成。在兩個相撞物體上,分別定義主從接觸面,在計算過程中的每一時間步內(nèi),根據(jù)從屬節(jié)點是否穿透主面來決定是否在主面上施加一作用力來阻止從屬節(jié)點繼續(xù)穿透,這個力即接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元特性。

在船橋碰撞仿真模擬計算中,混凝土材料偏于保守的采用彈性材料?；炷敛牧喜捎脧椥员緲?gòu)關(guān)系,密度2 500 kg/m3,泊松比0.17。云川金沙江大橋橋墩防撞代表船舶為2 000DWT,撞擊速度選取最大洪水流速4.17 m/s。另外,在建模過程中還考慮了材料之間的摩擦情況（動摩擦系數(shù)0.2,靜摩擦系數(shù)0.3）[4]。建立的船橋碰撞有限元模型如

圖2 船橋碰撞整體有限元模型

圖3 船橋碰撞局部有限元模型

防撞裝置的緩沖效能效果驗證設(shè)置了兩種工況,工況1為無防撞套箱保護,工況2為有防撞套箱保護,撞擊工況見表1。

表1 工況設(shè)置表

船舶撞擊力時程曲線如圖4、圖5所示,其中圖4為無套箱保護的工況,圖5是有套箱保護的工況。

圖4 船舶撞擊力時程曲線圖（無套箱）

圖5 船舶撞擊力時程曲線圖（有套箱）

從圖4可看出,船舶撞擊力最大值為16.0 MN,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后0.42 s。從圖5可看出,船舶撞擊力最大值為8.3 MN,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后0.92 s。從圖4、圖5可得出,設(shè)置了復(fù)合材料防撞套箱,船舶撞擊力峰值降低,能夠折減48%；撞擊力峰值發(fā)生的時間延遲,說明防撞套箱能夠起到緩沖作用。

橋墩墩頂位移時程曲線如圖6、圖7所示,其中圖6為無套箱保護的工況,圖7是有套箱保護的工況。

圖6 墩頂位移時程曲線圖（無套箱）

圖7 墩頂位移時程曲線圖（有套箱）

從圖6可看出,橋墩墩頂位移最大值為0.45 m,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后1.7 s。從圖7可看出,墩頂位移最大值為0.26 m,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后2.35 s。從圖6、圖7可得出,設(shè)置了復(fù)合材料防撞套箱,墩頂最大位移減小,折減42%；墩頂位移峰值出現(xiàn)的時間延遲,說明防撞套箱能夠起到緩沖作用。

3 截面內(nèi)力計算

為了檢驗橋墩在設(shè)防船舶撞擊作用下的安全性能,選取設(shè)置了復(fù)合材料防撞套箱的工況,建立橋梁整體有限元模型,輸入第3節(jié)得到的船撞力時程曲線,進而得到橋墩控制截面的最不利內(nèi)力。在2 000 t的船舶撞擊下,墩身和樁基最不利動力響應(yīng)見表2,其中軸力負號表示受壓。

表2 船撞作用下墩身和樁基最不利動力響應(yīng)一覽表

4 承載能力驗算

利用恒載和撞擊力荷載下的軸力組合對橋墩和樁基的控制截面進行M－φ分析,得出各控制截面在2 000 t船舶撞擊工況下的屈服彎矩,進行截面內(nèi)力驗算。為了偏于保守,確保結(jié)構(gòu)抗船體撞擊性能,取恒載和船撞作用組合軸力的最不利值進行屈服彎矩的計算。

在2 000 t的船舶撞擊作用下,主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生損傷,保持在彈性范圍。墩身和樁基的動力響應(yīng)驗算結(jié)果見表3,其中軸力負號表示受壓。

表3 船舶撞擊下最不利彎矩驗算結(jié)果一覽表

5 工程應(yīng)用

為了進一步驗證復(fù)合材料防撞套箱的實用性及可行性,將該防撞裝置應(yīng)用于云川金沙江大橋的防船撞工程上。防撞套箱的施工方式采用水上拼裝,選擇在水流速度小,晴天,風(fēng)力較小的情況下進行。圖8為復(fù)合材料防撞套箱水上拼裝之實景,圖9為拼裝完成后的實橋之實景。

圖8 防撞套箱水上拼裝之實景

圖9 防撞套箱拼裝完成后的實橋之實景

6 結(jié)語

本文以防撞裝置消能效果驗證、結(jié)構(gòu)承載能力驗算和工程應(yīng)用方面對云川金沙江大橋的防船撞裝置進行了描述,介紹了一種既能保護橋墩又能保護船舶的“雙保護”復(fù)合材料防撞套箱。數(shù)值模擬計算得出該防撞套箱可折減48%左右的船舶撞擊力,表明該裝置具有良好的防撞效果。此外,復(fù)合材料防撞套箱在云川金沙江大橋上的成功應(yīng)用也證明了該裝置的工程實用性。

[1]DBJ/T50-106-2010,重慶市三峽庫區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計指南[S].

[2]王君杰,耿波.橋梁船撞概率風(fēng)險評估與措施[M]．北京:人民交通出版社,2010.

[3]耿波,王福敏,汪宏.三峽庫區(qū)橋梁船撞技術(shù)與工程實踐[M]．北京:人民交通出版社,2016.

[4]耿波,徐龍.粉房灣長江大橋船撞風(fēng)險分析與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究[J].橋梁建設(shè),2012,42（增刊1）:7-12.

U443.86

B

1009-7716（2017）07-0276-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.084

2017-03-27

袁佩（1985-）,男,重慶人,碩士,工程師,從事橋梁防撞研究工作。