何沛建, 馮 俠

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067; 2.橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點實驗室, 重慶 400067)

隨著我國交通強國建設(shè)的穩(wěn)步推進,跨越江河湖海的橋梁數(shù)量和規(guī)模在不斷增加,同時水路交通發(fā)展勢頭迅猛,通過橋梁的船舶噸位和數(shù)量日趨增大和增多,因此船撞橋事故率也在逐年上升[1]。2020年12月,交通運輸部、國家鐵路局和國鐵集團共同發(fā)布了《船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動實施方案》,將橋梁的船撞風險整治提上日程。

歐美國家在船撞事故[2]的慘痛教訓(xùn)下,最早重視并開展了船橋碰撞問題的研究。美國道路工程師協(xié)會在1991年針對美國的內(nèi)河橋梁提出了基于風險的船撞設(shè)計技術(shù)標準和設(shè)計方法,編寫了《公路橋梁船撞設(shè)計指南》,提出了基于風險的船撞設(shè)計技術(shù)標準和設(shè)計方法,內(nèi)容涵蓋了設(shè)計船舶的確定、碰撞概率分析、碰撞力的計算、船舶破損長度的計算、防撞保護系統(tǒng)設(shè)計等。在1997年,歐洲為指導(dǎo)橋梁的防船撞設(shè)計,出版了歐洲統(tǒng)一規(guī)范第一卷(Eurocode 1)第2.7分冊[3]。

我國項海帆、王君杰、耿波等[4-6]在國內(nèi)最早開始了對船撞橋問題的研究。招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司和同濟大學(xué)主編了我國首部橋梁船撞設(shè)計指南—《重慶市三峽庫區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計指南》(DBJ/T50-106—2010)[7],該指南于2010年由重慶市建委頒布。我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[8]對于跨低等級航道(四級及以下)的橋梁直接給出了設(shè)計船舶撞擊力,跨高等級航道(一到三級)建議開展船撞專題研究確定船撞設(shè)防標準。我國《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3360-02—2020)[9](簡稱抗撞規(guī)范)是國內(nèi)一部較為完善的橋梁船撞設(shè)計規(guī)范,對橋梁的設(shè)防水準、碰撞概率、倒塌概率、撞擊速度、輪船對橋墩的撞擊力、防撞措施等給予了較為詳細的介紹。

通過對比分析,我國的抗撞規(guī)范與美國、歐洲規(guī)范主要思路一致,均是將船撞事故處理為風險事件,根據(jù)可接受風險的水平來指導(dǎo)橋梁的船撞設(shè)計。本文主要依照我國抗撞規(guī)范的方法,對橋梁船撞設(shè)防標準以及防護方案開展研究。

1 工程概況

在建樂城大橋位于海南博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū),跨越萬泉河,與瓊海市城區(qū)直線距離約2 km,距離上游的文瓊高速橋約530 m,距下游朝陽大橋約10 km。主橋采用獨塔空間索面自錨式懸索橋,跨徑布置為(35+130+130+35)m,如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)主梁采用鋼混結(jié)合梁,標準段主梁采用鋼箱梁,塔區(qū)及主纜錨固區(qū)域采用混凝土梁,錨跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁。下部結(jié)構(gòu)主塔采用“鉆石型”混凝土橋塔,八邊形承臺以及16根2.2 m樁徑的樁基礎(chǔ);輔助墩和過渡墩采用花瓶墩,其下設(shè)4根樁徑2.5 m的樁基礎(chǔ),過渡墩下設(shè)4根樁徑1.5 m的樁基礎(chǔ)。橋區(qū)航道規(guī)劃等級為Ⅶ級,設(shè)計最高通航水位為6.80 m,最低通航水位為1.02 m(1985國家高程基準,下同)。通航孔位于P10和P11號橋墩之間,單孔雙向通航,通航孔尺寸為43.6 m×7.5 m。

注:圖中尺寸除標高以m計外,其余均以cm計。

2 橋墩抗力計算

2.1 抗船撞性能標準

根據(jù)抗撞規(guī)范,樂城大橋船撞重要性等級為C1等級,大橋抗船撞性能設(shè)防目標為P1,失效概率以1×10-4控制,結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗船撞性能等級為JX1,結(jié)構(gòu)不允許出現(xiàn)損傷,且保持彈性狀態(tài)。

2.2 計算方法

根據(jù)抗撞規(guī)范6.1.4條的規(guī)定,內(nèi)河船舶的撞擊作用點,假定為計算通航水位線以上2 m的橋墩寬度或長度的中點。內(nèi)河船舶對橋梁墩臺的撞擊作用可按“靜力法”來計算[10-11]。

樂城大橋的橋梁船撞抗力計算步驟如下:

1) 在對應(yīng)計算水位以上2 m位置,沿橫橋向或順橋向,在橋墩上施加一水平撞擊力,求出橋墩各構(gòu)件(墩柱、樁基礎(chǔ))在荷載作用下的內(nèi)力及其最不利荷載效應(yīng)組合,確定控制截面;

2) 對橋墩墩身和樁基進行正截面抗彎承載力計算、斜截面抗剪承載力計算,求出各極限狀態(tài)構(gòu)件控制截面極限抗力,調(diào)整水平船撞力大小,將抗力與荷載效應(yīng)組合值進行比較,當抗力等于或略大于荷載效應(yīng)組合值時,對應(yīng)的水平船撞力即為極限船撞抗力[12];

3) 比較橋墩各構(gòu)件抗彎和抗剪極限狀態(tài)對應(yīng)的極限船撞抗力,選取其中最小值作為橋墩的極限船撞抗力。

2.3 船舶可達性分析

結(jié)合船舶吃水和最高水位下橋墩處的水深,分析船舶的可達性,從而確定有撞擊風險的涉水橋墩。樂城大橋最高通航水位為6.80 m,以150座客船和15 m級游艇作為橋梁設(shè)計代表船型,2種船型的主尺寸總長×型寬×設(shè)計吃水分別為38.1 m×6.8 m×0.7 m和15.0 m×5.0 m×1.2 m,其余分析參數(shù)如表1所示。對比船舶吃水深度和各橋墩水深可知,在建樂城大橋需進行風險論證的橋墩為P8～P10號墩,150客位旅游船和15 m級游艇均可達。

表1 船舶可達性分析

2.4 有限元建模

采用有限元分析軟件Midas Civil,按結(jié)構(gòu)實際情況建立樂城大橋主橋模型,如圖2所示。橋梁主體采用梁單元模擬,斜拉索采用桁架單元模擬,支座按彈性約束模擬,剛度按支座實際剛度取值,樁側(cè)土壓力采用土彈簧模擬,彈簧剛度根據(jù)土質(zhì)參數(shù)及“m”法計算得到。荷載考慮了結(jié)構(gòu)自重、汽車、及船撞力的影響。

圖2 樂城大橋全橋模型

2.5 抗力計算結(jié)果

根據(jù)《博鰲樂城先行區(qū)樂城大橋工程航道通航條件影響評價報告》,選取最高通航水位6.8 m、平均水位1.98 m和最低通航水位1.02 m三個典型水位,進行橋墩、樁基橫、順橋向的自身抗撞能力計算,結(jié)果如表2所示。

表2 橋墩抗力計算結(jié)果

3 船撞設(shè)防標準確定

3.1 概率—風險分析法

根據(jù)抗撞規(guī)范提出的船撞橋概率—風險分析方法,為了獲得橋梁的船撞設(shè)防標準,先需確定目標超越概率Pexc,T,再根據(jù)條件Pexc(FD)=Pexc,T,從而確定設(shè)防船撞力FD。其中,Pexc(FD)按式(1)和式(2)計算:

(1)

Pi,j(FD)=N(Ci,wj|T)Pclsn(Ci,wj)P[F0

(2)

3.2 分析參數(shù)

1) 船舶流量

工程所在水域目前尚未通航,暫無船舶流量。根據(jù)《萬泉河航運一期工程初步設(shè)計》,嘉積碼頭近期建設(shè)規(guī)模為2個150客位級游船泊位,遠期增建2個150客位游船泊位,設(shè)計年運送游客458.8萬人次,預(yù)計船舶流量約126艘次/d。龍池港碼頭近期建設(shè)規(guī)模為1個150客位級游船泊位,遠期增建1個150客位游船泊位,設(shè)計年運送游客229.4萬人次,預(yù)計船舶流量約63艘次/d。結(jié)合萬泉河航運遠期規(guī)劃,嘉積碼頭4個150客位級游船泊位和龍池港碼頭2個150客位級游船泊位建成后,總設(shè)計年運客量為688.2萬人次。按每艘客船150人滿員計算,遠期日均通過橋區(qū)的船舶數(shù)量為126艘次。

2) 水流速度

根據(jù)《博鰲樂城先行區(qū)樂城大橋工程航道通航條件影響評價報告》,橋區(qū)航道水流流速介于0.96 m/s～1.56 m/s,水流流向基本沿河道走向,航道橫向流速值不大,數(shù)值介于0.01 m/s～0.26 m/s,流速分布均勻,流向基本為142°,水流條件基本良好。

3) 船速

150客位游船的上下行典型航速分別為5.14 m/s和5.21 m/s。

3.3 船撞設(shè)防標準確定

根據(jù)橋區(qū)現(xiàn)狀、船舶遠期流量、船舶航速、流速等資料,采用概率—風險分析法,倒塌風險按10-4控制,確定了各涉水橋墩的設(shè)防船撞力和設(shè)防代表船型。

構(gòu)建A、B、C、D四組橋墩自身抗力值,從A組到D組抗力值逐漸增大,相應(yīng)的年倒塌頻率逐漸變小,如圖3所示。當P8過渡墩、P9輔助墩、P10主墩的抗力為C組(分別取0.3 MN、0.5 MN、1.8 MN)時,全橋的年倒塌頻率恰好接近于可接受風險10-4/年,對應(yīng)船舶噸位為20 DWT、30 DWT、50 DWT。根據(jù)抗撞規(guī)范要求,設(shè)防代表船型不宜低于航道通航條件影響評價的要求,航評報告提出該橋防撞標準按不小于150座客船設(shè)計。因此,樂城大橋的設(shè)防代表船型最終定為P8墩按20 DWT設(shè)防,P9墩按30 DWT設(shè)防,P10主墩按150座客船設(shè)防。樂城大橋的設(shè)防船撞力為P8墩0.3 MN,P9墩0.5 MN,P10號墩按150客座船重新計算得到設(shè)防船撞力為2.7 MN。

圖3 倒塌概率隨抗力變化趨勢

4 防護方案

4.1 抗撞性能驗算

樂城大橋全橋的船撞風險由橫橋向的船撞風險控制,對比橋墩橫橋向自身抗力以及設(shè)防船撞力,如表3所示。由表3可知,P8～P10號墩自身抗力均大于設(shè)防船撞力,即各涉水橋墩抗撞能力均滿足遠期船撞需求。

表3 基礎(chǔ)自身抗力與設(shè)防船撞力對比

4.2 防護方案設(shè)計

根據(jù)樂城大橋抗撞性能驗算結(jié)果,其基礎(chǔ)的自身抗力均大于設(shè)防船撞力,表明橋梁可依靠結(jié)構(gòu)自身抗撞。但需考慮以下3個方面的因素:1) 樂城大橋規(guī)劃船舶橋區(qū)以觀光旅游船為主,船舶速度較快,易操控失誤撞擊橋墩;2) 旅游船舶上的人員數(shù)量較多,一旦船舶發(fā)生較大損傷導(dǎo)致船舶側(cè)翻等情況,事故后果不堪設(shè)想;3) 主墩形狀獨特,被船舶撞擊后,修復(fù)難度及費用較大。

因此,建議P10主墩增設(shè)柔性防撞設(shè)施,以避免主墩局部損壞,同時也可降低碰撞事故中的船舶損傷,實現(xiàn)對橋梁和船舶的雙重保護[13]。

纖維增強復(fù)合材料由纖維材料和基體樹脂組成,具有高強度、耐腐蝕、抗沖擊、質(zhì)量輕等優(yōu)點,是近年防船撞領(lǐng)域常用的防護材料之一[14-15]。由于樂城大橋自身抗撞能力滿足需求,同時纖維增強復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗沖擊性能,因此,樂城大橋船撞防護方案為:在高水位至低水位間,P10主墩四周布置厚度為60 cm的柔性纖維復(fù)合材料防撞護板,如圖4所示。防撞護板外殼為纖維增強復(fù)合材料,內(nèi)部填充聚氨酯泡沫,旨在消能和防止內(nèi)部進水,其船撞力折減效果雖弱于內(nèi)部添加了緩沖元件的防撞護舷,但成本更低,同時滿足本項目防護需求。

圖4 防撞護板立面布置

4.3 有效性驗證

運用MAS.Patran軟件建立防撞裝置和橋墩有限元模型,并通過FEMB程序進行船橋碰撞模型前處理,再采用LS-DYNA有限元動力分析軟件,對船舶碰撞橋墩和防船撞裝置的過程進行了仿真模擬。

1) 模型參數(shù)

有限元模型中GFRP復(fù)合材料采用*MAT_ELASTIC(*MAT_1),其本構(gòu)參數(shù)如表4所示。主墩混凝土材料采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE(*MAT_111)材料模型,其本構(gòu)參數(shù)如表5所示。

表4 GFRP本構(gòu)參數(shù)

表5 HJC損傷本構(gòu)參數(shù)

2) 邊界條件

接觸定義:船舶和橋墩與護板、護板與橋墩的接觸通過*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE定義,碰撞船舶內(nèi)部、復(fù)合材料護板內(nèi)部自接觸通過*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE分別定義。靜摩擦系數(shù)取0.3,動摩擦系數(shù)取0.2,允許初始穿透。

3) 模型與計算結(jié)果

采用實體單元建立P10主墩有限元模型,撞擊船舶的計算滿載噸位為150 t,計算船舶的撞擊速度為3.45 m/s,撞擊角度為與橋梁法向成0°角。

計算工況共計2個:(1) 工況1為船撞裸墩;(2) 工況2為船撞帶防撞護板的橋墩。工況1和工況2對應(yīng)的計算模型如圖5和圖6所示,船舶撞擊力變化情況如圖7所示,船舶撞深變化情況如圖8所示。由圖7可知,船舶撞擊力最大值為分別為3.59 MN和2.92 MN,折減率18.6%。由圖8可知,船頭撞深最大值分別為0.32 m和0.21 m,折減率34.3%。結(jié)果表明,柔性防撞護板不僅可起到防止橋墩被剮蹭的作用,還能有效折減船撞力和船頭撞深,保護游客及船員的人身安全以及船舶、橋梁的財產(chǎn)安全。

圖6 船撞防撞護板(工況2)

圖7 撞擊力變化時程

圖8 船頭撞深變化時程

5 結(jié)論

1) 根據(jù)抗撞規(guī)范概率-風險分析法計算結(jié)果,樂城大橋P8號過渡墩的設(shè)防代表船型為20 DWT,P9號輔助墩的設(shè)防代表船型為30 DWT,P10主墩的設(shè)防代表船型為150客座船。

2) 樂城大橋P8號過渡墩、P9號輔助墩、P10主墩的設(shè)防船撞力分別為0.3 MN、0.5 MN、2.7 MN,各涉水橋墩的抗撞性能均滿足要求。

3) 針對樂城大橋的船撞防護,提出了柔性復(fù)合材料防撞護板方案,根據(jù)有限元驗證結(jié)果,該方案能避免船舶局部剮蹭橋墩,同時有效保護船舶和船上人員的安全。