馬志敏，趙金霞，楊應(yīng)松，吳 堅(jiān)

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051

由于我國(guó)航運(yùn)量不斷增大，船舶撞擊橋梁的問(wèn)題也越來(lái)越突出［1-3］。船舶撞擊橋梁造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡往往是巨大的［4-5］，因此，交通部要求，所有在用橋梁都必須進(jìn)行橋梁防撞設(shè)計(jì)。設(shè)置防撞樁群是目前較常用的一種防撞方法［6-8］。其主體結(jié)構(gòu)由鋼管樁和系桿焊接組成。發(fā)生船撞時(shí)，通過(guò)柱系桿網(wǎng)這種過(guò)渡性柔性防撞設(shè)施，使船舶與橋墩不直接碰撞，對(duì)船舶的損害亦較小，從而達(dá)到良好的防撞效果。由于防撞樁群桿結(jié)構(gòu)較多，受力情況復(fù)雜，探索防撞墩受力與結(jié)構(gòu)布置之間的關(guān)系，對(duì)交通管理部門指導(dǎo)船舶主動(dòng)防撞和優(yōu)化防撞墩結(jié)構(gòu)體系，指導(dǎo)工程施工，具有重要的意義。

1 工程概況

某跨越長(zhǎng)江的特大橋梁，為保障船舶航行和橋梁本身安全，對(duì)橋墩設(shè)置防撞加固等設(shè)施，以保障船舶航行時(shí)橋梁本身的安全［9］。根據(jù)近年來(lái)主流水位浮動(dòng)范圍，防撞設(shè)施的防撞高水位取34 m，防撞低水位取28.5 m。防撞墩的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：1）利用過(guò)渡性防撞設(shè)施確保大橋橋墩不受損壞，但允許過(guò)渡性防撞設(shè)施在設(shè)計(jì)工況下大部分屈服。2）發(fā)生小的船舶碰擦事故時(shí)，充分利用橡膠件、系梁周圍鋼結(jié)構(gòu)消能，獨(dú)立防撞墩主體結(jié)構(gòu)不損壞［10］。根據(jù)此設(shè)計(jì)目標(biāo)結(jié)合橋墩尺寸，防撞墩結(jié)構(gòu)具體尺寸和布置如圖1所示。

圖1 防撞墩布置圖：（a）平面，（b）立面Fig.1 Anti-collision pier layout：（a）plan，（b）elevation

2 ANSYS建模

利用ANSYS軟件，采用beam188空間梁?jiǎn)卧瑢摴軜?、系桿離散為空間有限元單元結(jié)構(gòu)［11］，進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。防撞樁群的邊界條件：按文克勒（Winkler）計(jì)算模型［12］，將沖刷線以下樁每1 m劃分一單元，施加彈簧約束，模擬土體對(duì)樁基作用。每一個(gè)單元上的彈簧剛度按公式k=mhb1取值。其中，樁的計(jì)算寬度b1=0.9(1.5+1)=2.25 m，h為各單元中點(diǎn)距地面的距離，地基土的比例系數(shù)［13］m=10 000 kN/m4。防撞樁群的荷載組合按自重+船撞力+水流力考慮。其中，水流力標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》［14］取定。對(duì)前排樁，水流力取17.33 kN，作用點(diǎn)高程為29.7 m；對(duì)后排樁，考慮前后墩之間水流遮擋效應(yīng)，取12.91 kN，作用點(diǎn)高程亦為29.7 m。船舶對(duì)鋼管樁群的撞擊力根據(jù)船舶碰撞動(dòng)力數(shù)值模擬法［15］和船舶撞擊概率風(fēng)險(xiǎn)分析取下水方向（1～4號(hào)撞擊點(diǎn)處）防撞墩橫橋向設(shè)計(jì)撞擊力11.8 MN；順橋向（9～15號(hào)撞擊點(diǎn)處）設(shè)計(jì)撞擊力5.9 MN，上水方向（5～8號(hào)撞擊點(diǎn)處）防撞墩橫橋向設(shè)計(jì)撞擊力6.6 MN。撞擊點(diǎn)號(hào)位置如圖1（a）所示。

3 防撞墩結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 船撞工況荷載作用下防撞墩受力情況分析

防撞墩結(jié)構(gòu)整體可視為底部埋于河床沖刷線下的懸臂結(jié)構(gòu)，對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)而言，撞擊力作用在鋼管柱最頂端時(shí)是最危險(xiǎn)的，故以下數(shù)據(jù)均按撞擊力作用點(diǎn)高程為33.5 m計(jì)算。

圖2是3號(hào)點(diǎn)［撞擊點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖1（a）中所示］被撞擊后的應(yīng)力分布情況。從圖2中可見(jiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生在撞擊點(diǎn)處的系桿上。其它各船撞點(diǎn)的最大應(yīng)力分布與此處類似，亦發(fā)生在系桿撞擊處。防撞墩在最不利船撞工況荷載作用下（船撞力作用在最不利高程33.5 m時(shí)），各桿件危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力情況如表1所示。

圖2 3號(hào)點(diǎn)撞擊后的應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution after impact at No.3 point

表1 防撞墩在不同船撞工況下的應(yīng)力Tab.1 Stress of anti-collision pier under different ship collision conditions MPa

由表1中數(shù)據(jù)可知：

1）鋼管樁應(yīng)力值均小于Q345C鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295 MPa［16］，滿足規(guī)范要求。系桿上的最大應(yīng)力除4、8、14號(hào)撞擊點(diǎn)外都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋼材屈服強(qiáng)度值，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力值。

2）在相同船撞力作用下，同一根系桿中，系桿中部的最大應(yīng)力值均大于系桿端部的最大應(yīng)力值。說(shuō)明防撞墩結(jié)構(gòu)體系中，節(jié)點(diǎn)處受到船撞力時(shí)，撞擊力可通過(guò)節(jié)點(diǎn)有效地傳到其它系桿和鋼管樁上，故節(jié)點(diǎn)處的承載能力比系桿中部的要好。

3）跨度相同、同一方位系桿上的最大應(yīng)力值比較。以1號(hào)撞擊點(diǎn)與5號(hào)撞擊點(diǎn)處系桿為例：雖然1號(hào)撞擊點(diǎn)撞擊力是5號(hào)撞擊點(diǎn)力的1.8倍，但系桿上最大應(yīng)力值只是5號(hào)撞擊點(diǎn)處的1.26倍。說(shuō)明系桿兩端節(jié)點(diǎn)的剛性對(duì)跨中應(yīng)力最大值也有影響。節(jié)點(diǎn)處系桿越多，節(jié)點(diǎn)處的剛性越好，對(duì)系桿的約束越強(qiáng)，系桿中最大應(yīng)力值越小。

4）系桿兩端節(jié)點(diǎn)情況相同，跨度不同時(shí)系桿上最大應(yīng)力值比較。以1號(hào)撞擊點(diǎn)與3號(hào)撞擊點(diǎn)處系桿為例：這兩個(gè)撞擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的系桿兩端約束條件類似，但3號(hào)撞擊點(diǎn)系桿跨度大，撞擊處最大應(yīng)力值大于1號(hào)撞擊點(diǎn)處的。說(shuō)明在系桿兩端約束情況相似情況下，跨度越大，受撞擊時(shí)應(yīng)力越大。

3.2 減小防撞樁群結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力的方案研究

根據(jù)上述防撞墩結(jié)構(gòu)體系在各船撞工況下的應(yīng)力情況以及應(yīng)力與結(jié)構(gòu)構(gòu)造關(guān)系的分析結(jié)果，減小防撞樁群系桿上的應(yīng)力可從以下幾方面考慮：

1）盡可能減小系桿的連接跨度。

2）增加連接節(jié)點(diǎn)的剛性。

3）船撞力作用處的結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于船撞力的分散。

為達(dá)成這些目的，可采取增加系桿的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]施工和結(jié)構(gòu)布置可行性后的系桿布置如圖3所示。這種新結(jié)構(gòu)體系在原結(jié)構(gòu)系桿中部和節(jié)點(diǎn)處添加了鋼管，增加了連接節(jié)點(diǎn)的剛性，減小了系桿的跨度，有利于撞擊力的分散，能夠更好地承載。同時(shí)，有利于根據(jù)系桿上的應(yīng)力情況，靈活調(diào)整系桿截面尺寸，實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，比單純?cè)黾酉禇U截面尺寸的方法，經(jīng)濟(jì)可行。按新防撞墩結(jié)構(gòu)布置后（船撞力作用點(diǎn)高程為33.5 m時(shí)），應(yīng)力計(jì)算情況如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)可知，防撞墩結(jié)構(gòu)體系調(diào)整后，鋼管樁和系桿上應(yīng)力均減小了。尤其是系桿上，應(yīng)力減小效果明顯。除1號(hào)，10號(hào)，12號(hào)船撞處，系桿應(yīng)力值略超屈服強(qiáng)度值外，其它均在屈服強(qiáng)度值以下，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)調(diào)整方案是有效的。

圖3 新防撞墩俯視圖Fig.3 Top view of new anti-collision pier

表2 新防撞墩在不同船撞工況下的應(yīng)力Tab.2 Stress of new anti-collision pier under different ship collision conditions MPa

3.3 底層系桿高度改變對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

防撞墩結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到這樣的難題：底層（最靠近水面）系桿的設(shè)計(jì)焊接位置為歷史最低水位位置，但實(shí)際施工周期內(nèi)的最低水位往往高于這一水位值，不便于系桿和鋼管樁之間的焊接施工。為方便施焊，應(yīng)考慮將底層系桿適當(dāng)提高。表3為當(dāng)?shù)讓酉禇U提升50 cm時(shí)防撞墩結(jié)構(gòu)體系的受力情況。通過(guò)與表2中對(duì)應(yīng)結(jié)果比較，可知：1）當(dāng)撞擊力仍作用在系桿上時(shí)（撞擊力作用點(diǎn)高程33.5 m），由于系桿整體約束條件變化不大，系桿上受力變化不大，鋼管柱上的應(yīng)力略有增加，但仍在安全范圍內(nèi)。2）系桿提高后，還需考慮使用過(guò)程中，可能遇到歷史最低水位。由于系桿已向上提升，船撞力有可能直接作用在系桿下方柱子上（撞擊力作用點(diǎn)高程29 m）。表3中數(shù)據(jù)表明，系桿由于不再直接受力，應(yīng)力均有所減小，但柱子上的應(yīng)力將顯著增大，尤其是4號(hào)點(diǎn)撞擊時(shí)，樁上最大mises應(yīng)力達(dá)極限值（310.65 MPa），說(shuō)明系桿不能再向上提升。因此，防撞墩施工時(shí)，如需提高底層系桿，需根據(jù)船撞力作用于設(shè)計(jì)最高水位和最低水位兩種情況，鋼管樁的應(yīng)力情況來(lái)確定系桿能提升的高度，以確保防撞墩能滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 底層系桿提升50 cm時(shí)各船撞工況下的應(yīng)力Tab.3 Stress of each ship collision condition at lifting height of 50 cm of the bottom tie rods MPa

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某防撞樁群的模擬仿真力學(xué)計(jì)算分析，提出了一種新的防撞墩結(jié)構(gòu)體系，計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能更好地滿足防撞樁群受力與結(jié)構(gòu)之間的需要，有利于根據(jù)實(shí)際受力和施工條件，靈活調(diào)整鋼管布置和尺寸，能更有效地發(fā)揮結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載能力，確保結(jié)構(gòu)安全，可在同類工程中借鑒和參考。