榮帥　邵林　權(quán)新蕊

【摘 要】文章根據(jù)橋位航道等級(jí)及本項(xiàng)目航道通航條件影響評(píng)價(jià)報(bào)告確定船撞代表船型及水流速度，采用國(guó)內(nèi)外五個(gè)常見(jiàn)的船撞力計(jì)算公式分別計(jì)算船撞力，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取與實(shí)際情況較吻合的美國(guó)AASHTO公式數(shù)值作為橋墩的船撞力標(biāo)準(zhǔn)值。在中、高水位情況下，選取3°正向和25°側(cè)向兩個(gè)不同角度撞擊橋墩的工況組合，采用大型有限元計(jì)算分析程序ANSYS，對(duì)橋墩分別進(jìn)行有限元碰撞仿真計(jì)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，分別確定在未加防撞設(shè)施情況下和有柔性防撞消能設(shè)施情況下，橋墩自身抗力是否滿足要求。

【關(guān)鍵詞】大跨連續(xù)剛構(gòu); 雙肢薄壁墩; 橋墩防撞; 碰撞動(dòng)力數(shù)值分析

【中圖分類號(hào)】U443.26【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 工程概況

本工程為渠縣石盤渡口改公路橋（三匯中學(xué)特大橋）。所涉河流為州河，橋址位于渠縣三匯鎮(zhèn)。本橋全長(zhǎng)502 m，主橋連續(xù)剛構(gòu)跨徑布置為（95+180+95） m。橫向分幅設(shè)置，主梁采用單箱單室截面，主墩采用雙肢薄壁墩。主跨跨越通航孔，3#墩位于常水位河岸邊，4#橋墩位于主河槽中[1]（圖1）。

1.1 橋位處通航條件

推薦橋位下距州河河口約820 m，上距舵石鼓電站約1 km。根據(jù)本項(xiàng)目航道通航條件影響評(píng)價(jià)報(bào)告[2]及其批復(fù)的結(jié)論，橋區(qū)河段通航等級(jí)為Ⅲ級(jí)，選用《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ-（3）代表船隊(duì)[3]，主尺度為160 m×10.8 m×2 m，最高通航水位為259.43 m，最低通航水位242.60 m，橋型實(shí)際通航凈高為13 m，滿足通航要求。主橋橋型方案為（95+180+95） m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，180 m主跨作為通航孔，采用單孔雙向通航方式，通航孔凈寬162.7 m，大于計(jì)算所需的最小通航凈寬140 m，在充分考慮助導(dǎo)航標(biāo)志、防撞等安全設(shè)施后，能夠滿足通航要求（圖2）。

1.2 防撞設(shè)施布設(shè)情況

按照本項(xiàng)目航道通航條件影響評(píng)價(jià)報(bào)告的要求，在3#、4#主墩設(shè)置鋼-復(fù)合材料浮式防撞設(shè)施，其內(nèi)部是由多個(gè)復(fù)合材料板梁結(jié)構(gòu)的密封艙室結(jié)構(gòu)組成的多艙室浮式防撞體，防撞設(shè)施布置圖如圖3、圖4。

2 大橋橋墩撞擊力確定

2.1 常用撞擊力經(jīng)驗(yàn)公式

船舶撞擊力的計(jì)算方法中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法占有很大的比重，包括我國(guó)公路、鐵路規(guī)范在內(nèi)，世界上不同組織提出了數(shù)十種船舶撞擊力的經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算快捷簡(jiǎn)便，在無(wú)更詳細(xì)船舶撞擊力資料時(shí)采用，但不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果往往相差很大。

國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）編寫“交通船只與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響的綜述與指南”以及交通部在內(nèi)的許多機(jī)構(gòu)也發(fā)表了相應(yīng)的船舶碰撞的指導(dǎo)性文件或規(guī)范，關(guān)于船舶撞擊力的計(jì)算有許多經(jīng)驗(yàn)公式，常見(jiàn)的有以下五種。

2.1.1 公路規(guī)范規(guī)定

公路規(guī)范[4]規(guī)定通航河流中的橋梁墩臺(tái)所受船只撞擊力，可按漂流物撞擊力計(jì)算。漂流物撞擊力可按下式估算：

P=WV/（gT）

式中：P為漂流物撞擊力; W為漂流物重力，根據(jù)漂流物情況，按實(shí)際調(diào)查確定; V為水流速度; T為撞擊時(shí)間，應(yīng)根據(jù)實(shí)際資料估計(jì)，在無(wú)實(shí)際資料時(shí)，一般用ls; g為重力加速度9.81 m/s2。

2.1.2 鐵路規(guī)范規(guī)定

鐵路規(guī)范[5]規(guī)定墩臺(tái)承受船只或排筏的撞擊力可按下式計(jì)算：

F=γVsina[w/（C1C2]0.5

式中：F為撞擊力;γ為動(dòng)能折減系數(shù)，s/m0.5。當(dāng)船只或排筏斜向撞擊墩臺(tái)（指船只或排筏駛近方向與撞擊點(diǎn)處墩臺(tái)面法線方向不一致）時(shí)可采用0.2，正向撞擊（指船只或排筏駛近方向與撞擊點(diǎn)墩臺(tái)面處法線方向一致）時(shí)可用0.3;V為船只或排筏撞擊墩臺(tái)時(shí)的速度。此項(xiàng)速度對(duì)于船只采用航運(yùn)部門提供的數(shù)據(jù)，對(duì)于排筏可采用筏運(yùn)期的水流速度;a 為船只或排筏駛近方向與墩臺(tái)撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角，應(yīng)根據(jù)具體情況確定，如有困難，可采用a=20°;W為船只重或排筏重;C1、C2為般只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)圬工的彈性變形系數(shù)。缺乏資料時(shí)可假定：C1C2=0.005 m/kN。

2.1.3 國(guó)際組織規(guī)定

國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）指南[6]規(guī)定計(jì)算船撞力的公式中，以船速代入的，有3個(gè)：

（1）（Minorsky ， Gerlach ， Woision）公式：

P=0.024（VDmax）2/3

式中：P為撞擊力; V為船速;Dmax為船的滿載排水量。

（2）索爾-諾特-格林那（Saul-SveIsson，Knott，Greiner）公式：

Pmax=0.88（DWT）1/2（V/8）2/3（Dact/Dmax）1/3

式中：Pmax為最大撞擊力; V為船速;Dact為撞擊時(shí)的排水量;Dmax為船只滿載排水量。

（3）美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（AASHTO）[7]規(guī)定的公式為：

①輪船船撞力計(jì)算公式為：

Ps=1.2×105V（DWT）1/2

式中：Ps為船只的等效正面靜撞擊力; DWT為船只的載重噸數(shù); V為船只的撞擊速度。

②駁船隊(duì)船撞力計(jì)算公式為：

PB=（6.0×106+1600aB）RB

式中：PB為船只的等效正面靜撞擊力; RB為駁船型寬m/10.7;aB為駁船撞擊破損長(zhǎng)度mm，aB=3100×[（1.0+1.3×10-7KE）1/2-1.0]，KE為撞擊動(dòng)能，考慮水動(dòng)力系數(shù)，只計(jì)入撞擊駁船隊(duì)單列排水量。

2.2 大橋橋墩船舶撞擊力計(jì)算

2.2.1 計(jì)算條件

（1）船撞代表船型

船撞代表船型見(jiàn)表1。

（2）水流流速

1 000 t船舶，船舶航行速度取4.2 m/s，水流平均速度2.5 m/s，通過(guò)美國(guó)AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范撞擊速度插值，取3.9 m/s。

（3）計(jì)算工況

工況一：中、高通航水位，滿載0 °正向撞擊主墩防撞設(shè)施首部。

工況二：中、高通航水位，滿載25 °側(cè)向撞擊主墩防撞設(shè)施側(cè)部。

2.2.2 水中橋墩船撞力計(jì)算

采用通航橋區(qū)代表船型，在船舶滿載的情況下，撞擊橋墩來(lái)計(jì)算船舶撞擊力。

2.2.3 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算橋墩船撞撞擊力

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算橋墩船舶撞擊力，見(jiàn)表2。

從表2可以看出，各個(gè)公式計(jì)算出的船撞力差異很大，由于橋墩和船舶的剛度、航速等的不同，船撞力的大小也會(huì)有所不同。通過(guò)多年來(lái)經(jīng)驗(yàn)得出，橋墩船舶撞擊力數(shù)值與美國(guó)AASHTO公式數(shù)值最為接近，與實(shí)際情況也較為吻合[8]。這里，取美國(guó)AASHTO公式數(shù)值作為橋墩的船撞力標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 結(jié)論

綜合考慮經(jīng)驗(yàn)公式、結(jié)合同類橋梁船撞力研究經(jīng)驗(yàn)，得出：順橋向撞擊力取橫橋向撞擊力的一半處理，大橋主橋墩船舶撞擊力大小調(diào)整后見(jiàn)表3。

3 船撞防撞設(shè)施有限元仿真

有限元瞬態(tài)碰撞動(dòng)力學(xué)分析方法，是通過(guò)建立撞擊船舶、橋墩有限元模型，利用非線性有限元瞬態(tài)碰撞動(dòng)力學(xué)方法，模擬碰撞過(guò)程中的結(jié)構(gòu)的接觸、變形、屈曲和破損，同時(shí)考慮材料應(yīng)變率敏感性，以及碰撞過(guò)程中水對(duì)船舶和橋墩的碰撞影響。

在建立橋墩的碰撞有限元模型過(guò)程中，根據(jù)橋墩實(shí)際的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸，選用剛性材料來(lái)模擬變形很小的鋼筋混凝土橋墩，橋墩樁基采取剛性固定約束。

在船舶的建模過(guò)程中，對(duì)碰撞區(qū)船艏結(jié)構(gòu)，按照船舶實(shí)際構(gòu)件的布置和尺度，計(jì)算模型作了比較詳細(xì)地描述。全船質(zhì)量分布于船身及船艏的各單元上，重心位于中縱剖面上。模擬船體的各幾何特性，如：質(zhì)心、重心和慣性矩均與實(shí)船一致。船艏碰撞區(qū)材料考慮了船體材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變速率對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響[9]。

碰撞過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其行為特征相當(dāng)復(fù)雜，涉及到很多的因素[10]，如船舶的類型、航行速度、撞擊角度、航道水深、流速、橋梁及基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。大量的碰撞實(shí)例和模型試驗(yàn)表明，問(wèn)題的焦點(diǎn)集中在撞擊動(dòng)能、船舶對(duì)橋墩的撞擊力及相撞系統(tǒng)的形變勢(shì)能（即吸收能量的能力）等幾個(gè)方面[11-12]。

船舶與剛性橋墩碰撞采用自適應(yīng)接觸算法，運(yùn)用LS-DYNA顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件，在船和剛性橋墩的撞擊區(qū)之間定義主從接觸。其中船舶和橋墩采用了多種單元進(jìn)行了離散，如：考慮了應(yīng)變率效應(yīng)的板殼單元、梁?jiǎn)卧?、剛性材料單元等等，另外在船舶模型處理上考慮了附連水質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響。下面，對(duì)橋墩分別進(jìn)行了有限元碰撞仿真計(jì)算，如下共有2種工況組合，見(jiàn)表4。

3.1 主橋3#、4#橋墩防撞設(shè)施有限元仿真

3.1.1 正向撞擊

1 000 t船舶3 °正向撞擊橋墩防撞設(shè)施有限元仿真

計(jì)算工況：1 000 t級(jí)船舶滿載（排水量1 548 t），3.9 m/s

由3 °正向碰撞力曲線（圖7）可知，撞擊力在橫橋向（X向）、順橋向（Y向）和垂向（Z向）的力的特點(diǎn)見(jiàn)表5。

由3 °正向向碰撞能量曲線（圖8）可知，船舶的碰撞動(dòng)能絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能，碰撞過(guò)程中的沙漏能的量值幾乎接近零，表說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可靠。

由3 °正向向碰撞速度曲線（圖9）可知，船舶在碰撞過(guò)程中，在橫橋向速度降低較快。

3.1.2 25 °側(cè)撞擊

1 000 t船舶25°側(cè)撞擊橋墩有限元仿真

計(jì)算工況：1 000 t級(jí)船舶滿載（排水量1 548 t），3.9 m/s船舶撞擊速度， 25°側(cè)向撞擊;（圖10～圖14是船舶和橋墩碰撞有限元模型與仿真）。

由25°側(cè)向碰撞力曲線如圖11可知，撞擊力在橫橋向（X向）、順橋向（Y向）和垂向（Z向）的力的特點(diǎn)見(jiàn)表6。

由25°側(cè)向碰撞能量曲線（圖13）可知，船舶的碰撞動(dòng)能絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能，碰撞過(guò)程中的沙漏能的量值幾乎接近零，表說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可靠。

由25°側(cè)向碰撞速度曲線（圖14）可知，船舶在碰撞過(guò)程中，在橫橋向速度降低較快。

3.2 主橋3#、4#橋墩防撞設(shè)施有限元仿真結(jié)果匯總

綜合有限元仿真結(jié)果，在中、高水位情況下，不同角度撞擊防撞設(shè)施后，計(jì)算得出船舶撞擊力匯總（表7）。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元?jiǎng)恿?shù)值模擬分析計(jì)算，得出加裝防撞設(shè)施后各個(gè)橋墩的船舶撞擊力數(shù)值，如表8所示。

根據(jù)表8可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)分析可知，動(dòng)態(tài)非線性有限元仿真分析可模擬船-橋碰撞的力學(xué)過(guò)程，并可為工程提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（2）通過(guò)有限元仿真計(jì)算可知，未加防撞設(shè)施情況下，得出的橫橋向與順橋向船舶撞擊力均大于橋墩自身抗力，橋墩自身防撞能力無(wú)法滿足要求，需設(shè)置防撞消能設(shè)施。而在有柔性防撞消能設(shè)施情況下，橫橋向與順橋向船舶撞擊力均小于橋墩自身抗力，防撞設(shè)施設(shè)計(jì)滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.渠縣石盤渡口改公路橋（三匯中學(xué)特大橋）工程施工設(shè)計(jì)圖[R] . 2020.

[2]四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.渠縣石盤渡口改公路橋（三匯中學(xué)特大橋）航道通航條件影響評(píng)價(jià)報(bào)告[R].2019.

[3]GB 50139-2014 內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]JTG D60-2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[5]TB110091-2017 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]IABSE.Ship Collision with Bridges，Interational Association for Bridges and Structural Engineering[M]，1993.

[7][美]美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（ AASHTO） . 美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[M]. 辛濟(jì)平，譯.1998.

[8]王君杰， 顏海泉， 錢鏵.基于碰撞仿真的橋梁船撞力規(guī)范公式的比較研究[J].公路交通科技，2006（2）：68-74.

[9]王君杰，陳誠(chéng).橋墩在船舶撞擊作用下的損傷仿真研究[J].工程力學(xué)，2007（7）：156-160.

[10]吳永固，耿波， 汪宏.橋梁船撞動(dòng)力有限元數(shù)值模擬分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（10）：681-684.

[11]吳瓊，劉令令，鄧超，等.基于船撞橋墩有限元數(shù)值仿真分析[J].北方交通，2020（9）：1-5.

[12]王自力， 顧永寧.船舶碰撞動(dòng)力學(xué)過(guò)程的數(shù)值仿真研究[J].爆炸與沖擊，2001（1）：29-34.

[定稿日期]2021-01-13

[作者簡(jiǎn)介]榮帥（1991～），男，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)工作。