云川金沙江大橋防船撞裝置與工程應用

袁佩

（招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶市 400067）

云川金沙江大橋防船撞裝置與工程應用

袁佩

（招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶市 400067）

隨著跨江橋梁的增多及航道的升級,越來越多的橋梁面臨船撞風險。合適的防撞裝置能增加橋梁的抗沖擊能力,減小橋梁與船舶的事故損失。現介紹云川金沙江大橋的防撞裝置,從消能效果驗證、承載力驗算等方面進行闡述,并列舉工程應用實例,證明該裝置的實用性。

船撞；復合材料；防撞裝置；消能

0 引言

隨著我國經濟建設的快速發展,高速公路建設進入了快速發展期。與此同時,大量跨江大橋如雨后春筍般紛紛修建起來。橋梁作為跨越航道的建筑物,對船舶航行來說無疑是一種障礙物。同時,橋梁的建成還會使橋區環境發生改變,如水流流速、彎道、沖刷、淤積等。而船舶運輸的發展使得現在的通航船舶也開始變得愈來愈大,愈來愈多。船撞橋事故的發生是不可避免的,它不但涉及到船舶通行的安全,也會嚴重影響著橋梁的安全運營。因此,專門研究橋梁防撞裝置是十分必要的。只有合適的防撞裝置才能增加橋梁的抗沖擊能力,緩和船舶對橋墩的沖擊作用,最大限度地減少橋梁與船舶的事故及其后果損失。

橋墩防撞裝置主要有一體式、附著式和獨立式[1,2]。防撞裝置的設計需要根據橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進行[3]。

隨著港口規劃及航道等級的提升,船舶通航密度、船舶噸位逐年增加,船舶撞擊橋墩的風險也將隨之提高。為降低船撞風險,確保橋梁的運營安全,云川金沙江大橋專門開展了防船撞研究。本文以云川金沙江大橋為依托工程,介紹該橋的防船撞裝置及其工程應用。

1 工程概況

云川金沙江大橋位于云南省昭通市綏江縣境內,綏江縣城東側約3.5 km的金沙江河谷上,為國家重點水利工程——向家壩電站蓄水淹沒區,電站蓄水期間被淹沒后,是綏江縣與四川省屏山縣相連接的金沙江上的唯一橋梁。橋位處江面寬585 m,路面設計標高距江面最大高度29 m,橋寬13 m,橋跨布置為:（90+190+228+123+60）m連續剛構體系。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 云川金沙江大橋橋型布置圖

2 船橋碰撞數值模擬分析

為了驗證復合材料防撞套箱折減船撞力的效果,采用動力數值模擬法進行計算。相撞結構物之間的碰撞作用采用接觸算法來完成。在兩個相撞物體上,分別定義主從接觸面,在計算過程中的每一時間步內,根據從屬節點是否穿透主面來決定是否在主面上施加一作用力來阻止從屬節點繼續穿透,這個力即接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側的單元特性。

在船橋碰撞仿真模擬計算中,混凝土材料偏于保守的采用彈性材料。混凝土材料采用彈性本構關系,密度2 500 kg/m3,泊松比0.17。云川金沙江大橋橋墩防撞代表船舶為2 000DWT,撞擊速度選取最大洪水流速4.17 m/s。另外,在建模過程中還考慮了材料之間的摩擦情況（動摩擦系數0.2,靜摩擦系數0.3）[4]。建立的船橋碰撞有限元模型如

圖2 船橋碰撞整體有限元模型

圖3 船橋碰撞局部有限元模型

防撞裝置的緩沖效能效果驗證設置了兩種工況,工況1為無防撞套箱保護,工況2為有防撞套箱保護,撞擊工況見表1。

表1 工況設置表

船舶撞擊力時程曲線如圖4、圖5所示,其中圖4為無套箱保護的工況,圖5是有套箱保護的工況。

圖4 船舶撞擊力時程曲線圖（無套箱）

圖5 船舶撞擊力時程曲線圖（有套箱）

從圖4可看出,船舶撞擊力最大值為16.0 MN,出現在撞擊發生后0.42 s。從圖5可看出,船舶撞擊力最大值為8.3 MN,出現在撞擊發生后0.92 s。從圖4、圖5可得出,設置了復合材料防撞套箱,船舶撞擊力峰值降低,能夠折減48%；撞擊力峰值發生的時間延遲,說明防撞套箱能夠起到緩沖作用。

橋墩墩頂位移時程曲線如圖6、圖7所示,其中圖6為無套箱保護的工況,圖7是有套箱保護的工況。

圖6 墩頂位移時程曲線圖（無套箱）

圖7 墩頂位移時程曲線圖（有套箱）

從圖6可看出,橋墩墩頂位移最大值為0.45 m,出現在撞擊發生后1.7 s。從圖7可看出,墩頂位移最大值為0.26 m,出現在撞擊發生后2.35 s。從圖6、圖7可得出,設置了復合材料防撞套箱,墩頂最大位移減小,折減42%；墩頂位移峰值出現的時間延遲,說明防撞套箱能夠起到緩沖作用。

3 截面內力計算

為了檢驗橋墩在設防船舶撞擊作用下的安全性能,選取設置了復合材料防撞套箱的工況,建立橋梁整體有限元模型,輸入第3節得到的船撞力時程曲線,進而得到橋墩控制截面的最不利內力。在2 000 t的船舶撞擊下,墩身和樁基最不利動力響應見表2,其中軸力負號表示受壓。

表2 船撞作用下墩身和樁基最不利動力響應一覽表

4 承載能力驗算

利用恒載和撞擊力荷載下的軸力組合對橋墩和樁基的控制截面進行M－φ分析,得出各控制截面在2 000 t船舶撞擊工況下的屈服彎矩,進行截面內力驗算。為了偏于保守,確保結構抗船體撞擊性能,取恒載和船撞作用組合軸力的最不利值進行屈服彎矩的計算。

在2 000 t的船舶撞擊作用下,主體結構不發生損傷,保持在彈性范圍。墩身和樁基的動力響應驗算結果見表3,其中軸力負號表示受壓。

表3 船舶撞擊下最不利彎矩驗算結果一覽表

5 工程應用

為了進一步驗證復合材料防撞套箱的實用性及可行性,將該防撞裝置應用于云川金沙江大橋的防船撞工程上。防撞套箱的施工方式采用水上拼裝,選擇在水流速度小,晴天,風力較小的情況下進行。圖8為復合材料防撞套箱水上拼裝之實景,圖9為拼裝完成后的實橋之實景。

圖8 防撞套箱水上拼裝之實景

圖9 防撞套箱拼裝完成后的實橋之實景

6 結語

本文以防撞裝置消能效果驗證、結構承載能力驗算和工程應用方面對云川金沙江大橋的防船撞裝置進行了描述,介紹了一種既能保護橋墩又能保護船舶的“雙保護”復合材料防撞套箱。數值模擬計算得出該防撞套箱可折減48%左右的船舶撞擊力,表明該裝置具有良好的防撞效果。此外,復合材料防撞套箱在云川金沙江大橋上的成功應用也證明了該裝置的工程實用性。

[1]DBJ/T50-106-2010,重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南[S].

[2]王君杰,耿波.橋梁船撞概率風險評估與措施[M]．北京:人民交通出版社,2010.

[3]耿波,王福敏,汪宏.三峽庫區橋梁船撞技術與工程實踐[M]．北京:人民交通出版社,2016.

[4]耿波,徐龍.粉房灣長江大橋船撞風險分析與設防標準研究[J].橋梁建設,2012,42（增刊1）:7-12.

U443.86

B

1009-7716（2017）07-0276-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.084

2017-03-27

袁佩（1985-）,男,重慶人,碩士,工程師,從事橋梁防撞研究工作。