摘要：文章以思林右江大橋?yàn)閷?shí)際工程依托，綜合考慮橋梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所處環(huán)境等因素，設(shè)計(jì)一種橋墩防船撞鋼浮箱，提高了橋墩的抗撞性能。通過建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型、鋼浮箱有限元模型和船舶有限元模型，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC專用有限元軟件對有無防撞措施兩種工況進(jìn)行模擬，并對橋墩防船撞鋼浮箱的防撞性能進(jìn)性計(jì)算分析。結(jié)果表明，安裝該種防船撞鋼浮箱后可有效提升橋墩防撞性能，可為今后此類橋梁防撞性能研究工作提供工程參考。

關(guān)鍵詞：橋梁防撞；鋼浮箱；抗撞性能

U443.26A010014

0 引言

橋梁是跨越河流等障礙的重要工程建筑，更是在溝通河流兩岸之間的陸路交通運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的連接作用［1］，其在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的作用是不言而喻的。但對于水上運(yùn)輸?shù)拇岸裕瑯蛄簠s是人工構(gòu)筑的障礙物［2］。因此，橋與船就成了對立的矛盾主體。在河流上建設(shè)的橋梁自通航的那一刻起，就有橋梁船撞事故發(fā)生的可能性，而且在橋梁的全壽命過程這種可能性都是客觀存在的［3］。近年來我國發(fā)生了多起船撞橋事件，造成橋梁倒塌、航線中斷、人員傷亡等嚴(yán)重后果，這就意味著防船撞設(shè)施的研究具有重要意義，目前有許多學(xué)者對如何提高防船撞設(shè)施的性能進(jìn)行了深入研究，如韓峰對橋梁下部結(jié)構(gòu)抗撞性能進(jìn)行碰撞過程的參數(shù)化拓展分析，探討船艏剛度（船艏形狀、鋼板厚度）、承臺結(jié)構(gòu)形式及撞擊角度對船撞橋撞擊力的影響［4］；徐云等從通航安全風(fēng)險(xiǎn)角度，對橋區(qū)航道、水流水深、航標(biāo)配布、通航凈空尺度、船舶通航秩序、相鄰設(shè)施影響等進(jìn)行分析，研究橋墩抗撞性能，并從力學(xué)角度，利用有限元模型，驗(yàn)算樁基及墩柱受力［5］。本文以思林右江大橋?yàn)楣こ贪咐?，設(shè)計(jì)了一種自浮式橋墩防船撞鋼浮箱，并通過對不同工況下橋墩的抗撞性能進(jìn)行模擬研究，研究成果對今后類似工程案例有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 橋梁及航道通航基本情況

（1）橋梁基本情況。思林右江大橋于百色市田東縣思林鎮(zhèn)跨越右江，為思林鎮(zhèn)與壇百高速公路的連接線，橋位上距魚梁樞紐約19.5 km，下距金雞灘樞紐約61.1 km，橋位處屬于金雞灘樞紐回水庫區(qū)。大橋全長390 m，橋面寬12.5 m，橋跨組合為（43+57+2×90+57+43） m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)主梁為單箱單室箱梁，箱梁采用變截面，箱梁底板上下緣順橋向均為1.8次冪拋物線。下部結(jié)構(gòu)1#、5#墩為雙柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，2#～4#橋墩為雙薄壁墩、雙排鉆孔灌注樁承臺基礎(chǔ)，采用墩梁固結(jié)，0#、6#橋臺采用肋式埋置式橋臺，雙排鉆孔灌注樁承臺基礎(chǔ)。常水位下2#、3#主墩位于水中，4#主墩中洪水期涉水，其余墩臺均位于兩側(cè)岸坡上。

（2）航道通航基本情況。根據(jù)金雞灘水利樞紐過閘交通流量統(tǒng)計(jì)，近年過閘船舶數(shù)量為10 590～13 086艘，根據(jù)橋址上游魚梁樞紐過閘交通流量統(tǒng)計(jì)可知，近年過閘船舶數(shù)量為3 507～11 827艘，即工程水域水上交通流量約為10～36艘/d。本橋雙孔單向通航，橋區(qū)水域水深優(yōu)良，處于金雞灘庫區(qū)，水流條件較好，過往船舶過橋基本可以保持在航道的航速，船舶航速基本為6節(jié)～8節(jié)。思林右江大橋設(shè)計(jì)為2個通航孔，下行通航孔橋墩為2#～3#墩，上行通航孔橋墩為3#～4#墩，通航凈寬為80 m，凈高為10.0 m。

1.2 綜合評估橋梁抗船撞性能情況

思林右江大橋前期已做通航安全風(fēng)險(xiǎn)及抗撞性能綜合評估報(bào)告，評估結(jié)果主要有以下幾點(diǎn)：

（1）思林右江大橋主墩2#～4#承受現(xiàn)狀通航1 000噸級船舶橫、順橋向撞擊時墩身所產(chǎn)生彎矩均小于其截面等效屈服彎矩，滿足抗彎性能要求；思林右江大橋主墩2#～4#承受船舶橫橋向撞擊時樁基所產(chǎn)生彎矩大于其截面等效屈服彎矩，不滿足抗彎性能要求。綜上而言，思林右江大橋主墩2#～4#承受現(xiàn)狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時，不滿足抗彎性能要求。

（2）思林右江大橋3#主墩承受現(xiàn)狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時，最不利截面所承受剪力大于橋墩自身抗剪承載力設(shè)計(jì)值，橋墩抗剪性能不滿足要求。思林右江大橋2#～4#主墩承受現(xiàn)狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時，滿足抗剪性能要求。

（3）經(jīng)過樁基整體穩(wěn)定性分析可知，思林右江大橋主墩2#～4#承受現(xiàn)狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時樁基已發(fā)生屈服，抗剪承載能力不滿足要求，不滿足樁基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性JX1級性能等級要求。

2 防船撞鋼浮箱設(shè)計(jì)

根據(jù)評估，思林右江大橋現(xiàn)狀（Ⅲ級）及規(guī)劃（Ⅱ級）航道等級中，所對應(yīng)通航代表船型橫橋向正撞思林右江大橋2#～4#墩時，橋墩抗力均不滿足抗撞性能要求，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，需增設(shè)結(jié)構(gòu)性防撞設(shè)施確保橋梁安全。針對現(xiàn)狀航道通航實(shí)際情況、橋梁改擴(kuò)建及航道提升時間的不確定性，考慮節(jié)約成本等因素，思林右江大橋防船撞設(shè)施按照現(xiàn)狀Ⅲ級航道設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

本工程設(shè)計(jì)的自浮式防船撞鋼浮箱防撞設(shè)施是一種緩沖吸能型腹板增強(qiáng)鋼與復(fù)合材料組合式的防撞設(shè)施，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由鋼板面層、鋼腹板增強(qiáng)體、復(fù)合材料防腐層以及耗能芯材組成。具體設(shè)計(jì)成果見圖1。

2.2 防撞機(jī)理

當(dāng)船舶撞擊橋墩時，防撞設(shè)施鋼外殼箱體及其內(nèi)部填充的耗能材料在撞擊力作用下壓縮變形，實(shí)現(xiàn)緩沖吸能。內(nèi)、外表面護(hù)舷對小型船只的刮蹭、撞擊具有較好的緩沖作用，既能保護(hù)裝置外觀良好，也能減少裝置在上下浮動過程中的磨損。撞擊過程中，鋼外殼及內(nèi)部耗能芯材共同吸收了撞擊能量，減少了船舶和橋墩在撞擊過程的能量吸收，減小了橋梁和船舶的破壞，同時降低了撞擊力。

2.3 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

本工程設(shè)計(jì)的自浮式防船撞鋼浮箱具有諸多優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）重量輕：質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較高，自浮性良好，吊裝較方便。

（2）可批量生產(chǎn)：成型方便，形狀可靈活設(shè)計(jì)，適合大批量生產(chǎn)。

（3）性能良好可控：由于鋼板的存在，裝置防撞性能高；在不改變結(jié)構(gòu)外形的前提下，通過改變材料組分達(dá)到不同的物理性能。

（4）安裝方便：由獨(dú)立的模塊組成，安裝便捷高效，各單元損壞后維修更換方便，適合在工廠加工、現(xiàn)場安裝的工業(yè)化施工過程，有利于保證質(zhì)量、提高效率。

（5）疏水性好：能夠在海水和淡水中保持性能穩(wěn)定，有效抵抗油和各類物質(zhì)的侵蝕，發(fā)生局部破損時，可以保證裝置的浮動性能。

3 抗撞性能分析

3.1 計(jì)算工況

在1 000噸級船舶以正向撞擊思林右江大橋的3#墩、2和4#墩時，墩頂、墩底抗船撞性能滿足要求，樁頂?shù)目箯澬阅懿粷M足要求。結(jié)合思林右江大橋所處航道等級（現(xiàn)狀Ⅲ級，規(guī)劃Ⅱ級），本設(shè)計(jì)采用1 000噸級駁船作為撞擊代表船型，驗(yàn)算防撞設(shè)施抗撞性能，計(jì)算工況采用高水位船舶滿載正撞工況，如表1所示。

3.2 有限元模型的建立

為精確模擬碰撞中船艏結(jié)構(gòu)的大變形、屈服以及內(nèi)部構(gòu)件自接觸等力學(xué)行為，船艏結(jié)構(gòu)按實(shí)際建模，有限元網(wǎng)格劃分較為精細(xì)，以滿足計(jì)算精度的需要。同時，考慮到除船舶首部結(jié)構(gòu)外的船體結(jié)構(gòu)，對碰撞動能的吸收和耗散非常有限，為減少單元數(shù)量，提高計(jì)算的效率，對距船艏較遠(yuǎn)的不直接參與碰撞的船體部分以剛體代替。通過采用專用軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料模型初步定義等，進(jìn)行接觸及邊界條件定義，可建立船舶的精細(xì)有限元模型，其船首部分的有限元模型如圖2所示。

采用的1 000噸級（排水量1 210噸）輪船的有限元模型，船舶首部鋼板結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，鋼材屈服強(qiáng)度為330 MPa，切線模量為2 MPa×105 MPa，割線模量為870 MPa，斷裂應(yīng)變?nèi)?.3。

防撞裝置有限元模型中面板采用殼單元模擬，內(nèi)配置水平向與豎向的加勁肋，提高面板抗撞能力。耗能鋼管也采用殼單元模擬?？紤]EPS填充泡沫的耗能能力較小，出于保守考慮在有限元模型中沒有考慮填充泡沫。鋼板采用Q235型號鋼材。有限元模型如圖3所示。

橋梁的橋墩與承臺采用實(shí)體單元模擬，主梁采用實(shí)體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用彈性梁單元進(jìn)行模擬，模型考慮土-基礎(chǔ)的相互作用，樁基和土層分別采用梁單元和彈簧單元模擬。具體如圖4所示。

3.3 材料參數(shù)及計(jì)算模型

耗能鋼管采用殼單元模擬?？紤]EPS填充泡沫的耗能能力較小，出于保守考慮在有限元模型中沒有考慮EPS泡沫。材料模型參數(shù)方面，鋼板采用Q235型號鋼材，采用理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模擬，屈服強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值為235 MPa，斷裂應(yīng)變?nèi)?.2；橡膠塊采用不可壓縮Mooney-Rivlin模型。該本構(gòu)模型僅能用于體單元中，可替換Blatz-Ko橡膠本構(gòu)模型［6］。在該材料本構(gòu)模型中，其應(yīng)變能密度函數(shù)W由式（1）～（6）確定：

W（I1，I2，I3）=A（I1-3）+B（I2-3）+C1I23-1+D（I3-1）2（1）

C=0.5A+B（2）

D=A（5v-2）+B（11v-5）2（1-2v）（3）

G=2（A+B）（4）

E0=3G=6A1+AB（5）

I1=λ21+λ22+λ23；I2=λ21λ22+λ22λ23+λ21λ23；I3=λ21λ22λ23（6）

式中：A、B——Mooney-Rivlin模型參數(shù)（MPa）；

v——泊松比；

G——橡膠剪切模量（MPa）；

E0——彈性模型（MPa）；

I1、I2、I3——Cauchy-Green應(yīng)變不變項(xiàng)；

λ1、λ2、λ3——軸向應(yīng)變。

硬度是衡量材料軟硬程度的一個性能指標(biāo)，可分為相對硬度和絕對硬度。絕對硬度一般在科學(xué)界使用，生產(chǎn)實(shí)踐中很少用到［7］。通常使用的硬度體系為相對硬度。橡膠材料的硬度用Hr（IRHD硬度，國際橡膠硬度單位）加以標(biāo)定，Hr越小，橡膠材料硬度越小，橡膠材料越柔。橡膠硬度Hr與彈性模量E0的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到兩者之間的關(guān)系式：

E0=15.75+2.15Hr100-Hr（7）

可得：

6A1+AB=15.75+2.15Hr100-Hr（8）

由以上關(guān)系式可以得到硬度和剪切模量之間的關(guān)系。在計(jì)算模型中，采用Mooney-Rivlin模型作為橡膠材料本構(gòu)模型，根據(jù)設(shè)計(jì)橡膠構(gòu)件參數(shù)取值見表2。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

無防撞裝置和帶防撞裝置的碰撞響應(yīng)時程曲線如圖5所示，包括撞擊力、墩底彎矩、墩底剪力、樁基彎矩以及樁基剪力計(jì)算結(jié)果。

據(jù)模擬結(jié)果可知，由于防撞裝置的存在，船舶與橋墩之間未發(fā)生直接的碰撞，主要表現(xiàn)如下：

（1）防撞裝置與橋墩接觸，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞響應(yīng)。由圖5（a）可知，無防撞設(shè)施工況下，橋墩所受撞擊力在0.25 s左右達(dá)到峰值，設(shè)置防撞裝置后，碰撞力顯著降低，峰值降幅達(dá)到50%。

（2）由圖5（b）、5（c）可知，碰撞接觸力降低，使得墩底彎矩和剪力峰值響應(yīng)都顯著降低，降低幅度約為43.5%～58.8%。

（3）由圖5（d）、5（e）可知，碰撞接觸力降低，使得樁基彎矩和剪力峰值響應(yīng)都顯著降低，降低幅度約為44.5%～60.8%。

在設(shè)置防護(hù)裝置后在代表船型撞擊下，橋墩的抗撞性能滿足要求，具體結(jié)果如后頁表3所示。

4 結(jié)語

本文對思林右江大橋防船撞鋼浮箱的抗撞性能進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）思林右江大橋現(xiàn)狀（Ⅲ級）及規(guī)劃（Ⅱ級）航道等級所對應(yīng)通航代表船型橫橋向正撞思林右江大橋2#～4#墩時，橋墩抗力均不滿足抗撞性能要求，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，需增設(shè)結(jié)構(gòu)性防撞設(shè)施確保橋梁安全。

（2）通過建立有限元模型模擬可知，安裝防船撞鋼浮箱后，避免船舶與橋墩發(fā)生直接的碰撞，主要表現(xiàn)為防撞裝置與橋墩接觸，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞響應(yīng)。設(shè)置防撞裝置后，碰撞力顯著降低，峰值降幅達(dá)到50%。

（3）由于防船撞鋼浮箱的存在，碰撞接觸力降低，使得結(jié)構(gòu)峰值響應(yīng)（墩底彎矩和剪力、樁基彎矩和剪力等）都顯著降低，降低幅度約為43.5%～52.8%，設(shè)置防護(hù)裝置后在代表船型撞擊下，橋墩的抗撞性能滿足要求。

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