楊海平

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶市 400015）

1 概述

某大橋工程為市政橋梁工程，設(shè)計(jì)等級(jí)為城市主干路，采用雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h。橋跨組合為（150+300+150）m，主橋長(zhǎng) 600 m；結(jié)構(gòu)形式采用雙塔、雙索面、密索、對(duì)稱扇形布置、預(yù)應(yīng)力混凝土倒梯形斷面主梁、塔梁分離的漂浮體系結(jié)構(gòu)。為了提高主梁剛度、改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，兩岸各設(shè)一輔助墩，輔助墩距交界墩75m。橋下航道等級(jí)為Ⅲ-（3）級(jí)航道，如圖1所示。

2 船撞設(shè)計(jì)參數(shù)

大橋的通航代表船型為1 000 t級(jí)雜貨船（3級(jí)航道典型船舶）。根據(jù)大橋航道等級(jí)及橋型布置圖確定防船撞設(shè)計(jì)的代表船型和設(shè)計(jì)通航水位。

（1）通航代表船型見(jiàn)表1。

（2）設(shè)計(jì)通航水位。大橋橋位通航橋梁的設(shè)計(jì)最高通航水位（m 85高程）為281.810 m，枯水位為267.85 m，相差13.96 m。

（3）船撞速度。根據(jù)大橋主跨（150+300+150）m橋區(qū)實(shí)際狀況，以及《公路橋梁防船撞設(shè)計(jì)的指南》建議的船舶設(shè)計(jì)撞擊速度計(jì)算方法，計(jì)算得到船舶撞擊速度見(jiàn)表2。

3 防撞方案設(shè)計(jì)

大橋最高通航水位與庫(kù)水位相差13.96 m，水位落差較大，橋墩部分宜采用浮動(dòng)式防撞設(shè)施，以降低造價(jià)?？紤]到代表船型為1 000 t船舶，撞擊力較大，采用柔性鋼套箱防船撞設(shè)施。由于承臺(tái)位于年平均水位和枯水位之上，易受撞擊，且浮動(dòng)式防撞設(shè)施不能保護(hù)到承臺(tái)，因此承臺(tái)部分宜采用固定式防撞設(shè)施。綜上所述，大橋采用浮動(dòng)式柔性鋼套箱防撞設(shè)施與復(fù)合材料防撞設(shè)施相結(jié)合的防撞方案。

3.1 結(jié)構(gòu)組成

大橋防撞設(shè)施分為浮動(dòng)式柔性防撞設(shè)施和固定式復(fù)合材料防撞塊兩個(gè)部分，其中浮動(dòng)式柔性防船撞設(shè)施主要由內(nèi)套箱、外套箱及防撞圈組成，圍繞橋墩一周布置，實(shí)現(xiàn)360°防護(hù)；可隨水位上下浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各水位的防護(hù)。由于橋墩結(jié)構(gòu)變換，浮動(dòng)式柔性鋼套箱防撞設(shè)施不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)高270.682 m以下部分橋墩及承臺(tái)的防護(hù)，且該部分橋墩尺寸加大，結(jié)構(gòu)較為安全，故采用固定式復(fù)合材料防撞塊，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

3.2 工作原理

浮動(dòng)式柔性防船撞設(shè)施利用防撞圈的壓縮變形、內(nèi)外鋼套箱的壓縮變形吸收撞擊能量。另外該設(shè)施的三角形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)減小了正撞工況發(fā)生的概率，降低了撞擊風(fēng)險(xiǎn)。固定式復(fù)合材料防撞設(shè)施由錨固在橋墩上的結(jié)構(gòu)相似的復(fù)合材料防撞塊組成。各復(fù)合材料防撞塊由復(fù)合材料面層、格柵以及耗能填充材料組成，其通過(guò)復(fù)合材料殼體及填充材料的壓縮吸收撞擊能量，減小撞擊力[1]。

4 船舶對(duì)橋梁的撞擊力

4.1 規(guī)范計(jì)算船撞力

常用的船舶撞擊橋梁的正撞力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算1 000 t船撞力，見(jiàn)表3。

圖1 雙塔雙索面混凝土斜拉橋立面布置圖（單位：mm）

表1 橋區(qū)航道代表船型尺度表

表2 達(dá)州金南大橋船舶通行速度計(jì)算結(jié)果

圖2 大橋防撞設(shè)施立面圖

圖3 大橋防撞設(shè)施平面圖

規(guī)范公式本質(zhì)上都是建立在船撞橋的剛體或彈性體整體碰撞的簡(jiǎn)單理論基礎(chǔ)上，再做若干修正的半經(jīng)驗(yàn)公式，屬于從彈性系統(tǒng)能量（或動(dòng)量）守恒出發(fā)的準(zhǔn)靜態(tài)簡(jiǎn)化分析，既沒(méi)有涉及應(yīng)力波的傳播，又沒(méi)有考慮材料的非線性問(wèn)題，尤其當(dāng)橋梁采用防撞裝置時(shí)，各種簡(jiǎn)化公式無(wú)法對(duì)防護(hù)設(shè)施的作用進(jìn)行有效評(píng)估[2]。

4.2 撞擊力數(shù)值模擬計(jì)算

本文采用有限元?jiǎng)討B(tài)仿真分析方法，計(jì)算1 000 t船舶在3.8 m/s的行駛速度下對(duì)橋墩的正面撞擊力。船舶有限元模型按照對(duì)應(yīng)船舶設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建立，橋墩實(shí)體模型對(duì)船撞力計(jì)算結(jié)果影響不大，故橋墩以剛性接觸面代替。

表3 規(guī)范計(jì)算1 000 t船撞力計(jì)算結(jié)果

用1 000 t的船舶以3.8 m/s的速度對(duì)安裝柔性鋼套箱防船撞設(shè)施的橋墩進(jìn)行正撞，得出撞擊力時(shí)程曲線，并與直接撞擊剛性墻和通過(guò)規(guī)范公式計(jì)算所得進(jìn)行比較。

從圖4可看出在安裝柔性鋼套箱防船撞設(shè)施后，最大撞擊力為8.10 M N，而直接撞擊剛性墻的最大撞擊力為11.5 M N，減少3.4 M N，同比減少了29.6%；而通過(guò)AASH TO公式計(jì)算得到的撞擊力為14.39 M N，與安裝柔性鋼套箱防船撞設(shè)施后的最大撞擊力相比減小6.29 M N，同比減小43.7%。通過(guò)比較可知，該柔性鋼套箱防船撞設(shè)施效果較好，能起到減小最大撞擊力的目的。

圖4 1 000 t船舶撞擊主墩撞擊力時(shí)程曲線

故可以得出規(guī)范所采用的經(jīng)驗(yàn)公式，且各國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果差異較大，僅適用于特定情況，撞擊力應(yīng)采用動(dòng)力數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算。

5 防撞設(shè)施施工要點(diǎn)

柔性防船撞設(shè)施的制造施工主要分為四個(gè)部分：

（1）原材料采購(gòu)。柔性防船撞設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)采用船用A級(jí)鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能應(yīng)符合CCS《材料與焊接規(guī)范》第1篇第3章的相關(guān)規(guī)定。

（2）防船撞設(shè)施制作。柔性防船撞設(shè)施制作過(guò)程如下：材料進(jìn)場(chǎng)→放樣與下料→零件加工→浮箱分塊制作→預(yù)拼裝→浮箱水密艙密性試驗(yàn)。

（3）防腐涂裝。柔性防船撞設(shè)施鋼圍外側(cè)表面采用了電弧噴鋅鋁偽合金防腐層和鋁-鋅-銦犧牲陽(yáng)極防腐的雙重防腐方案。

（4）運(yùn)輸和安裝。制造好的防船撞設(shè)施在橋梁附近拼裝為兩個(gè)部分，下水浮運(yùn)，由拖船拖至承臺(tái)處安裝，其過(guò)程如下：陸上拼裝→拖船運(yùn)輸→對(duì)接拼裝。

6 橋墩防船撞設(shè)施維養(yǎng)

發(fā)生船舶與防船撞設(shè)施碰撞事故后，設(shè)施維修如下：

（1）局部小面積損傷維修。當(dāng)防船撞設(shè)施受到小型撞擊而發(fā)生局部變形或破損時(shí)，可就地以不拆卸設(shè)施的方式進(jìn)行局部修正。對(duì)于小的局部變形或凹坑可不修理；對(duì)于影響設(shè)施完整性及功能的破損需通過(guò)局部切除、焊接修補(bǔ)。不論發(fā)生何種撞擊（船舶撞擊或漂浮物撞擊），均需檢查防腐涂層，并及時(shí)修補(bǔ)。

（2）大面積損傷維修。當(dāng)發(fā)生大型船舶撞擊導(dǎo)致設(shè)施嚴(yán)重受損（如大面積受損難以修復(fù)，套箱漏水嚴(yán)重，就地修復(fù)施工量大、成本高）時(shí)，直接更換受損分塊。

7 結(jié)語(yǔ)

浮動(dòng)式柔性防船撞設(shè)施與固定式復(fù)合材料防撞設(shè)施相結(jié)合的防船撞設(shè)計(jì)方案具有能有效吸收撞擊能量、減小撞擊力的優(yōu)點(diǎn)，在有效保護(hù)橋梁安全的情況下，能最大限度地降低對(duì)碰撞船只的損傷。