李院軍

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507)

1 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外船撞橋事故頻發(fā),國(guó)內(nèi)的船撞橋事故呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì),橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)增加,有的事故已經(jīng)造成巨大損失及社會(huì)影響。在這些事故中大部分是因?yàn)闃蛄鹤陨淼姆来材芰ζ?不能有效抵抗失控船舶的撞擊。同時(shí)還有一部分原因是航道升級(jí)、船舶噸位增大、船舶數(shù)量增加、橋位新設(shè)錨地等因素導(dǎo)致船舶撞擊力增加[1-6]。因此,對(duì)于有通航要求的新建橋梁應(yīng)該充分考慮現(xiàn)有和未來(lái)的通航等級(jí)及自身的抗撞能力驗(yàn)算,以減少或者避免出現(xiàn)船撞事故引起的橋梁安全問(wèn)題。

2 工程概況

西江特大橋主橋,跨徑組合為 (130+2×240+130) m 的預(yù)應(yīng)力混凝土三塔斜拉橋。約束體系為中塔采用塔梁墩固結(jié),邊塔設(shè)置豎向支座和橫向抗風(fēng)支座,并增設(shè)縱向阻尼器。

圖1 西江特大橋總體布置圖

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土DP 斷面。主塔采用鋼筋混凝土鉆石型橋塔,過(guò)渡墩采用薄壁墩,主墩和過(guò)渡墩基礎(chǔ)分別采用D300、D180 鉆孔灌注樁。為減少阻水比,順橋向采用兩排樁設(shè)計(jì)。斜拉索采用1 770 MPa 鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲斜拉索。引橋主墩采用薄壁墩,基礎(chǔ)采用D180 鉆孔灌注樁。

3 設(shè)防船撞力選取對(duì)比

3.1 設(shè)防等級(jí)和性能目標(biāo)

本橋通航等級(jí)采用內(nèi)河I 級(jí)航道,通航3000 t級(jí)海輪。最高通航水位5.35 m,最低通航水位0.07 m。根據(jù)西江航道遠(yuǎn)期5000 t 級(jí)船舶通航規(guī)劃,本橋防船撞按5000 t 設(shè)防。

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020),西江特大橋主橋的船撞重要性等級(jí)為C1 級(jí),船撞作用采用兩個(gè)作用水準(zhǔn)。西江特大橋主橋總體性能目標(biāo)為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性能完全保持,即其承載能力和通行能力沒(méi)有降低,但因局部損傷(如保護(hù)層混凝土剝落等)影響橋梁的耐久性,需要進(jìn)行耐久性的補(bǔ)修。

3.2 代表船型和速度

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139-2014)及《珠江干線下游貨運(yùn)船舶船型主尺度系列》(JT/T 559-2015)的相關(guān)成果,代表船型為3000 t 級(jí),防撞船型考慮5000 t 級(jí)海輪。

表1 設(shè)計(jì)代表船型參數(shù)表

建立船橋碰撞有限元模型,定義模型材料屬性、載荷、速度、約束等條件,有限元模型示意圖如圖2。

圖2 主塔有限元模型

3.3 船撞力對(duì)比

現(xiàn)船撞力的計(jì)算方法主要是分為規(guī)范公式和有限元數(shù)值分析,其中國(guó)外規(guī)范為AASHTO 規(guī)范,國(guó)內(nèi)規(guī)范主要是《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)和《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)。有限元數(shù)值分析主要是通過(guò)實(shí)體有限元軟件模擬整個(gè)船撞橋的過(guò)程,能夠查看整個(gè)撞擊過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng),并針對(duì)不同的船型和撞擊速度分別進(jìn)行船撞力計(jì)算[3],具體的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同方法計(jì)算船撞力結(jié)果表

三種規(guī)范皆采用相應(yīng)的計(jì)算公式,具體計(jì)算公式和流程在此不再贅述。有限元模型,主要分為3000 t 和5000 t 級(jí)的船舶分別進(jìn)行撞擊分析,撞擊速度根據(jù)調(diào)研得出船舶過(guò)橋航速大概在4.5 m/s 左右,表格中僅列出了正面撞擊的船撞力結(jié)果。通過(guò)圖3～4 可知,船舶撞擊過(guò)程船首會(huì)發(fā)生較大變形,同時(shí)橋塔的承臺(tái)和下塔柱均在撞擊范圍內(nèi)。

圖3 5000 t 級(jí)船舶位移與變形圖

通過(guò)表2 可以得知:

1)AASHTO 規(guī)范公式簡(jiǎn)單方便,目前已經(jīng)被普遍使用,以經(jīng)驗(yàn)的方式估算船撞力,但是估算結(jié)果有一定的誤差,船撞力相比于國(guó)內(nèi)規(guī)范偏大;

2)通用規(guī)范相比于抗撞規(guī)范計(jì)算值偏小,且通用規(guī)范僅給出的是定值,不同環(huán)境下可能計(jì)算誤差較大;

圖4 3000 t 級(jí)船舶位移與變形圖

3)抗撞規(guī)范的計(jì)算結(jié)果與有限元數(shù)值分析方法較為相近,同時(shí)驗(yàn)證了有限元結(jié)果的正確性;

4)有限元數(shù)值分析方法計(jì)算船撞力,利用有限元軟件模擬了整個(gè)船-橋碰撞的過(guò)程,更接近碰撞的真實(shí)情況;

5)本文的船撞力取值以有限元數(shù)值分析方法的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)借鑒其他方式計(jì)算的數(shù)值。

4 橋墩防撞能力驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020),新建橋以結(jié)構(gòu)自身抗撞為主,抗船撞性能驗(yàn)算考慮船撞的偶然作用,考慮橋梁結(jié)構(gòu)永久作用、設(shè)防船撞力、汽車(chē)荷載準(zhǔn)永久值等荷載。

設(shè)防船撞力及撞擊范圍在綜合考慮各個(gè)橋墩被撞擊的概率及撞擊的速度,最終給出了在滿足抗撞規(guī)范失效概率為10-4的要求下,各個(gè)橋墩的設(shè)防速度和船撞力,具體詳見(jiàn)表3。5000 t 級(jí)船舶撞擊主塔(29#—31#)最危險(xiǎn)的情況為壓載最高通航水位撞擊和滿載最低通航水位撞擊。高通航水位下,主塔可能遭受船舶撞擊的部位為承臺(tái)和下塔柱,最低通航水位下,主塔可能遭受船舶撞擊的部位也為承臺(tái)和下塔柱,低水位和高水位撞擊的范圍為-4.5～+14.5 m。

表3 設(shè)計(jì)防撞力及撞擊力范圍表

采用等效靜力法計(jì)算船撞效應(yīng),計(jì)算時(shí)考慮河床沖刷,按偏不利直接加載在下塔柱進(jìn)行驗(yàn)算。

1)模型內(nèi)船舶撞擊力位置均按撞擊范圍內(nèi)最高點(diǎn)處加載。

2)模型分類(lèi)。

①不考慮沖刷模型

按現(xiàn)河床標(biāo)高計(jì)算,樁基與土的連接,采用樁土彈簧模擬,不考慮淤泥對(duì)樁基的約束作用。28#—32#橋墩河床標(biāo)高分別為0.8 m、-11.6 m、-18 m、-18 m、-14 m、-11.3 m、-7.5 m。

②考慮沖刷模型

河床沖刷高度按照《跨西江大橋擴(kuò)建工程防洪評(píng)價(jià)報(bào)告》可知,29#—31#橋墩考慮沖刷高度為13.5 m(其中一般沖刷為4.55 m,局部沖刷為9 m),32#過(guò)渡墩考慮沖刷高度為10 m。

有限元模型如圖5 所示,下面分別對(duì)不考慮橋墩沖刷和考慮橋墩沖刷模型抗船撞進(jìn)行驗(yàn)算,通過(guò)對(duì)比分析可知,考慮橋墩沖刷模型對(duì)于結(jié)構(gòu)更加不利,因篇幅有限,以下僅列出考慮橋墩沖刷后橋梁縱橫向船撞驗(yàn)算結(jié)果,具體數(shù)值詳見(jiàn)表4～5。

表4 縱橋向抗船撞承載力驗(yàn)算表

圖5 西江特大橋船撞計(jì)算模型

表5 橫橋向抗船撞承載力驗(yàn)算表

通過(guò)上述的縱橫橋向船撞驗(yàn)算可知,主橋主塔和過(guò)渡墩的各個(gè)截面在船舶撞擊下,其結(jié)構(gòu)的抗彎性能均能滿足規(guī)范要求。

5 橋墩防船撞方案設(shè)計(jì)

西江是珠江水系的重要出?？诤降?根據(jù)調(diào)查,工程水域船舶流量為每天約300 艘次,根據(jù)調(diào)研成果結(jié)合相關(guān)規(guī)劃,預(yù)計(jì)至2050 年通過(guò)橋區(qū)的船舶流量約為450 艘次/天。針對(duì)該橋址附近通航流量大,且存在船舶超載等現(xiàn)象,同時(shí)考慮橋梁耐久性,對(duì)西江特大橋防船撞能力進(jìn)行一定的安全儲(chǔ)備,因此,在橋塔附近布置防船撞設(shè)施,具體方案如下。

5.1 主墩防撞設(shè)施方案

由以上計(jì)算可知,主橋抗船撞承載力滿足規(guī)范要求。但為了減少撞擊時(shí)橋墩的局部損傷,及船舶碰撞損傷,采用以下兩個(gè)方案進(jìn)行防撞設(shè)施設(shè)計(jì)。方案一:主橋索塔承臺(tái)設(shè)置固定式復(fù)合材料防撞護(hù)弦、索塔下塔柱設(shè)置浮動(dòng)式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施;方案二:索塔承臺(tái)和下塔柱設(shè)置一定數(shù)量的橡膠護(hù)舷。

1)方案一

針對(duì)主塔的自身結(jié)構(gòu),結(jié)合主塔所在處的水文等條件,建議采用鋼-復(fù)合材料防撞護(hù)舷方案。鋼-復(fù)合材料防撞護(hù)舷外部由鋼板組成,內(nèi)部有骨材格構(gòu),通過(guò)填充高性能消能材料,吸收船舶撞擊能量。具體布置圖如圖6 所示。

圖6 橋塔防撞設(shè)施方案一示意圖

2)方案二

根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果可知,主塔能抵抗船舶的撞擊作用,可采用防撞橡膠護(hù)舷,其作用主要是防船舶擦碰,抗撞能力較低,能夠起到一種對(duì)橋墩表體的保護(hù)作用。其中在下塔柱和承臺(tái)順橋向布置了一定數(shù)量的彩色橡膠護(hù)舷,以達(dá)到警示通航船舶的作用,其余橡膠護(hù)舷采用黑色,具體布置圖如圖7 所示。

圖7 橋塔防撞設(shè)施方案二示意圖

3)方案比選

對(duì)上述兩個(gè)防船撞方案,按方案的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍和費(fèi)用等進(jìn)行比較,詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表6。

表6 方案對(duì)比表

根據(jù)以上分析,結(jié)合橋位處航道、船型、橋墩結(jié)構(gòu)等情況,從防撞性能、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性等,推薦橋塔和承臺(tái)采用橡膠護(hù)舷方案。

5.2 主橋防船撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面增加防船撞能力,防止局部構(gòu)件過(guò)大破損,同時(shí)在三個(gè)主塔的下塔柱橫橋向增加了一道內(nèi)橫隔板,橫隔板設(shè)置在承臺(tái)頂以上14 m 范圍內(nèi),承臺(tái)頂標(biāo)高為2.0 m,橫隔梁頂標(biāo)高為16 m,超過(guò)主塔的最高撞擊點(diǎn)(標(biāo)高14.5 m),如圖8 所示。

圖8 主塔防船撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

同時(shí)在過(guò)渡墩的兩個(gè)墩身之間增設(shè)一道橫系梁,系梁頂標(biāo)高為6 m,如圖9 所示。輔助措施能有效的提高橋梁的防撞能力,增加橋梁抗船撞的安全儲(chǔ)備。

圖9 過(guò)渡墩防船撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

6 結(jié)語(yǔ)

1)不同的設(shè)防船撞力計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果差別較大,AASHTO 規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果比國(guó)內(nèi)的規(guī)范大,2020 版抗撞規(guī)范與有限元數(shù)值分析方法的計(jì)算結(jié)果較為相近。有限元數(shù)值分析方法計(jì)算的船撞力更為接近實(shí)際,建議對(duì)于撞擊風(fēng)險(xiǎn)較大的橋墩應(yīng)進(jìn)行有限元數(shù)值時(shí)程分析,模擬整個(gè)船撞過(guò)程,以得到更為準(zhǔn)確的設(shè)防船撞力。

2)通過(guò)對(duì)西江特大橋進(jìn)行防船撞驗(yàn)算可知,該橋在無(wú)外置的防撞設(shè)施的情況下均能滿足規(guī)范要求,但考慮到橋址附近通航流量較大,且為了預(yù)留一定的橋梁防船撞安全儲(chǔ)備,所以在索塔承臺(tái)和下塔柱增設(shè)了橡膠護(hù)舷防撞設(shè)施。