阮云龍, 張恒

(1.佛山市三水區(qū)公路養(yǎng)護(hù)中心, 廣東 佛山 528100;2.佛山市交通運輸事務(wù)中心,廣東 佛山 528000;3.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

近年來,船撞橋事故不斷發(fā)生,給人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[1]。文獻(xiàn)[2-6]通過航道條件分析、通航環(huán)境分析、設(shè)防代表船型及撞擊力研究,采用現(xiàn)場調(diào)查、有限元模擬、概率風(fēng)險分析等方法對通航橋梁安全風(fēng)險及橋梁抗撞性能進(jìn)行了評估。有些學(xué)者對橋梁防船撞設(shè)計及相關(guān)加固方法進(jìn)行了研究,如王淑等利用紅外光、可見光、激光復(fù)合探測及多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)建立橋梁防船撞主動預(yù)警系統(tǒng),實現(xiàn)橋梁防船撞主動預(yù)警,減少船撞橋概率[7];陳龍濤以梅山水道橋主墩承臺為研究對象,對可能撞損的部位設(shè)置SA400橡膠護(hù)舷進(jìn)行局部防護(hù),計算結(jié)果表明該方法可延緩船頭與橋墩相撞時間、降低撞擊力、保護(hù)承臺、分散應(yīng)力集中[8];王紀(jì)鋒等以京港澳(北京—香港—澳門)高速公路沙河大橋橋墩為研究對象,設(shè)計自浮式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施,有限元計算結(jié)果表明該設(shè)施可有效提高橋墩抗撞能力[9];劉政偉等通過參數(shù)敏感度分析優(yōu)化防撞結(jié)構(gòu)尺寸,并采用顯式有限元法驗證了樁式橋梁防船撞設(shè)施設(shè)計方案的合理性[10]。本文根據(jù)某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋抗船撞驗算結(jié)果及所在航道代表船型研究防船撞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和防船撞加固措施。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋全長3 001 m,分左右兩幅,單幅凈寬16 m,分為主橋、南引橋和北引橋。主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),跨徑組合為62 m+2×100 m+62 m;兩端引橋分別采用20 m空心板梁、30 m簡支小箱梁、連續(xù)箱梁(28.0 m+40.0 m+28.0 m、27.5 m+2×40.0 m+27.5 m、4×45.0 m、5×45.0 m、43.0 m+50.0 m+43.0 m)、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(49 m+82 m+49 m)。2007年建成通車。

主墩墩身采用單薄壁、分離式空心墩,承臺以上設(shè)9 m實心段,承臺為左右幅整體式承臺,基礎(chǔ)為12根D200 cm鉆孔灌注樁。過渡墩采用分離式薄壁空心墩,基礎(chǔ)為4根D150 cm鉆孔灌注樁。墩柱構(gòu)造見圖1。等高度連續(xù)箱梁橋墩采用花瓶墩,基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。20 m空心板梁、30 m簡支小箱梁墩身采用分離式雙柱墩,基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。墩身、承臺采用C40混凝土。

圖1 墩柱構(gòu)造橫斷面(單位:cm)

主橋及引橋的單箱單室箱梁采用盆式支座。全橋采用型鋼伸縮縫,橋面鋪裝為瀝青混凝土。

1.2 航道概況

橋梁設(shè)計時橋位處航道等級為Ⅲ級,代表船型為1 000 t級駁船,對應(yīng)船型尺度為67.5 m×10.8 m×2.0 m(總長×型寬×滿載吃水)?，F(xiàn)狀航道等級為Ⅱ級,代表船型為2 000 t級駁船,船型尺度為75.0 m×14.0 m×2.6 m,航道維護(hù)尺度為4.0 m×80.0 m×400.0 m(水深×航寬×彎曲半徑),維護(hù)水深年保證率為98%,航道中心線與橋梁中心線的夾角為92°。

2 橋梁抗船撞驗算

2.1 計算模型

按照結(jié)構(gòu)實際情況建立主橋MIDAS/Civil有限元模型,主梁采用梁單元模擬。建立樁基全長模型,并考慮一般沖刷對樁基的影響,土體對樁基的作用采用土彈簧約束模擬。采用JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》[11]推薦的強(qiáng)迫振動法進(jìn)行驗算,撞擊點為距離承臺頂面8.7 m,1 000 t級、2 000 t級駁船撞擊速度分別取4.84 m/s、4.82 m/s。采用MIDAS/Civil中時程分析方法,輸入節(jié)點動力荷載,計算得到相應(yīng)船撞效應(yīng)值。主橋有限元模型見圖2,強(qiáng)迫振動時程函數(shù)見圖3。

圖2 主橋MIDAS/Civil有限元模型

圖3 2 000 t級駁船撞擊下強(qiáng)迫振動時程函數(shù)示意圖

2.2 驗算結(jié)果

原設(shè)計1 000 t級駁船及現(xiàn)狀2 000 t級駁船撞擊計算結(jié)果見表1、表2。

表1 1 000 t級內(nèi)河船撞擊計算結(jié)果

表2 2 000 t級內(nèi)河船撞擊計算結(jié)果

由表1、表2可知:采用高水位撞擊點(1 000 t級內(nèi)河輪船)撞擊橋梁主墩時,偶然組合作用下,主墩的墩身及樁基承載力均滿足要求,墩身截面最小安全系數(shù)為4.5,樁基截面最小安全系數(shù)為1.6。采用高水位撞擊點(2 000 t級內(nèi)河輪船)撞擊橋梁主墩時,偶然組合作用下,67#橋墩的樁基承載力不滿足要求,樁基截面最小安全系數(shù)為0.8,部分樁基剪跨比小于1.5,出現(xiàn)斜壓破壞,屬于剪力脆性破壞;68#橋墩的樁基承載力不滿足要求,樁基截面最小安全系數(shù)為0.9,部分樁基剪跨比小于1.5,出現(xiàn)斜壓破壞,屬于剪力脆性破壞;69#橋墩的墩身及樁基承載力均滿足要求,墩身截面最小安全系數(shù)為3.0,樁基截面最小安全系數(shù)為1.1。

3 橋梁防船撞加固設(shè)計

3.1 設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)橋梁所在航道通航等級、上下游橋梁影響、橋址沖刷、樁基結(jié)構(gòu)形式、實際通航船舶噸位及船舶流量等情況確定防船撞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1) 對于主通航孔主墩,結(jié)合現(xiàn)狀航道等級,滿足2 000 t級內(nèi)河船代表船型要求,不滿足時采取措施進(jìn)行整治提升。

(2) 對于非通航孔過渡墩,維持現(xiàn)狀防撞能力,適當(dāng)增加防撞措施,減少混凝土結(jié)構(gòu)局部破損,保護(hù)船舶。

(3) 對于非通航孔引橋墩,結(jié)合主動防撞預(yù)警系統(tǒng)、航標(biāo)等進(jìn)行防護(hù),暫不采取被動防撞措施。

3.2 設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)制定表3所示各橋墩防船撞加固方案。

表3 防船撞加固方案

3.3 主墩防船撞設(shè)計

對于67#～69#主墩,承臺增設(shè)固定式復(fù)合材料防撞塊,墩身增設(shè)自浮式復(fù)合材料柔性防撞套箱,保護(hù)橋梁混凝土結(jié)構(gòu),減小對船舶的損傷。增設(shè)的自浮式復(fù)合材料柔性防撞套箱及固定式復(fù)合材料防撞塊均采用橘紅色,起到警示、誘導(dǎo)作用。主墩防船撞設(shè)施布置見圖4。

圖4 主墩防船撞設(shè)施布置示意圖

3.4 過渡墩防船撞設(shè)計

對于66#、70#過渡墩,左右幅承臺采用型鋼或鋼管連接,適當(dāng)增強(qiáng)橫橋向抗船撞能力;承臺、墩身橫橋向正面、臨近通航孔側(cè)一面增設(shè)黑色橡膠護(hù)舷,保護(hù)橋梁混凝土結(jié)構(gòu),減小對船舶的損傷(見圖5、圖6)。

圖5 過渡墩承臺工字鋼連接

圖6 過渡墩防船撞護(hù)舷布置示意圖

4 加固后驗算

采用上述方案對67#～69#主墩進(jìn)行加固后,對墩身防撞套箱采用消能30%進(jìn)行驗算,所施加撞擊力進(jìn)行相應(yīng)折減。加固后2 000 t級內(nèi)河輪船撞擊橋梁主墩時驗算結(jié)果見表4。

表4 主墩加固后2 000 t級內(nèi)河輪船撞擊時驗算結(jié)果

從表4可以看出:在保證墩身防撞套箱消能不低于30%時,高水位撞擊點(2 000 t級內(nèi)河輪船)撞擊橋梁主墩時,偶然組合作用下,墩身和樁基承載力均滿足要求,墩身截面最小安全系數(shù)為3.1,樁基截面最小安全系數(shù)為1.1。

5 結(jié)論

本文以某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象,研究主橋在原設(shè)計1 000 t級、現(xiàn)狀2 000 t級代表船型撞擊力作用下的性能標(biāo)準(zhǔn),確定主橋承臺增設(shè)固定式復(fù)合材料防撞塊、墩身采用自浮式復(fù)合材料柔性防撞套箱,過渡墩承臺采用型鋼或鋼管連接及承臺、墩身橫橋向正面、臨近通航孔側(cè)一面增設(shè)橡膠護(hù)舷的加固措施,驗算結(jié)果表明在保證防撞套箱消能不低于30%、防撞塊橫橋向消能不低于25%時,該加固方法可行。