南昌朝陽大橋設(shè)計(jì)船撞力研究

張曉松

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125）

0 引言

贛江航道南昌至湖口段曾于1992年、2002年分別進(jìn)行了Ⅳ級、Ⅲ級航道整治，完工后航道達(dá)到Ⅲ級。經(jīng)過后續(xù)疏浚，2013年底時(shí)航道等級達(dá)到Ⅱ-（3）級。市區(qū)內(nèi)有多個(gè)港口和錨地，但對已有橋梁的影響并不是很大。隨著社會(huì)的發(fā)展，江中大型貨運(yùn)船舶越來越多，其需求已超過航道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對于橋梁設(shè)計(jì)來說，若仍采用2010年以前制定的船撞力標(biāo)準(zhǔn)可能留下安全隱患，一旦建成的橋墩遭受船舶撞擊其后果不堪設(shè)想。近十年來，大型橋梁由于船舶碰撞而發(fā)生倒塌的事故[1,2]帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響（2002年美國俄克拉荷馬州阿肯色河一座高速公路跨河大橋因船舶撞擊倒塌，2007年廣東九江大橋由于船撞造成近200 m橋面垮塌等），因此在進(jìn)行南昌市區(qū)跨贛江的新建橋梁設(shè)計(jì)時(shí)很有必要對目前航道中的船撞力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，以充分掌握信息，力保橋梁建成后的運(yùn)營安全。

2012年底開始建設(shè)的朝陽大橋[3,4]位于南昌市區(qū)，跨越贛江連接西湖區(qū)與紅谷新區(qū)，主孔采用5×150 m，滿足四個(gè)單向通航孔或兩個(gè)雙向通航孔的要求。橋墩形態(tài)見圖1。下面將結(jié)合此橋的建設(shè)討論南昌市區(qū)贛江航道設(shè)計(jì)船撞力計(jì)算方法等問題。

圖1 朝陽大橋主墩構(gòu)造示意

1 計(jì)算參數(shù)

1.1 代表船型

南昌市區(qū)贛江航道等級為II-（3）級，出入該水域船舶噸級為2 000 t，船型為船隊(duì)，總長182 m，型寬16.2 m，吃水2.6 m。但根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)研情況，橋址處在2013年有一定數(shù)量的3 000 T級的運(yùn)沙船通航，考慮通航船舶時(shí)加入3 000 T級船舶的碰撞校驗(yàn)工況。

1.2 通航水位

根據(jù)朝陽大橋安全影響論證報(bào)告，擬建大橋橋址處設(shè)計(jì)最高通航水位（黃海高程）為22.85 m，最低通航水位為11.94 m。

1.3 船舶過橋速度及設(shè)計(jì)撞擊速度

根據(jù)AASHTO規(guī)范，防撞力計(jì)算中的Vmin要大于橋位處的年平均流速，南昌現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研，橋位處洪水期時(shí)取平均流速2.0 m/s，枯水期時(shí)平均流速為1.5 m/s。朝陽大橋橋軸線法線方向與水流方向最大交角為9°，橫向流速約為0.31 m/s。船舶過橋通航速度為順流4.11 m/s，逆流3.60 m/s。本文采用美國《公路橋梁船舶撞擊設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范和評述》建議的確定船舶設(shè)計(jì)撞擊速度的方法，確定代表船型的最大撞擊速度參數(shù)為：（1）下水時(shí)，3 000 T 級單船 VT=4.112 m/s，Vmin=2.0 m/s，V=4.05 m/s；2 000 T 級船隊(duì) VT=4.112 m/s，Vmin=2.0 m/s，V=4.08 m/s；（2）上水時(shí)，3000 T級單船 VT=3.598m/s，Vmin=2.0 m/s，V=3.55 m/s；2 000 T 級船隊(duì) VT=3.598 m/s，Vmin=2.0 m/s，V=3.58 m/s。

2 船撞力計(jì)算

本文采用四種方法分別計(jì)算：動(dòng)力數(shù)值模擬法、有限元法、美國AASHTO規(guī)范設(shè)計(jì)方法及國內(nèi)公路規(guī)范設(shè)計(jì)方法。

2.1 動(dòng)力數(shù)值模擬法

動(dòng)力數(shù)值模擬法是基于Gerard方法編制計(jì)算程序來估算船舶與橋墩撞擊力的一種方法，目前廣泛用于航空、汽車、海上結(jié)構(gòu)工程中估算結(jié)構(gòu)破壞載荷，主要思路為通過對采用不同加強(qiáng)形式的一系列板的力學(xué)試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)形式的歸納，可得結(jié)構(gòu)最大崩潰強(qiáng)度按式（1）計(jì)算，總的崩潰荷載按式（2）求解。該方法預(yù)報(bào)的板結(jié)構(gòu)的最大崩潰載荷與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較的誤差約為10%，會(huì)產(chǎn)生相對保守的結(jié)果，但在實(shí)際工程應(yīng)用中是合適的，特別是對事故設(shè)計(jì)載荷的評估。

式中：σc為最大崩潰強(qiáng)度；σy為屈服應(yīng)力；σ0為壓縮應(yīng)力；E為鋼材彈性模量；A為橫截面積；βg,m取決于截面和邊界；n為所考慮的橫截面切口和折邊的數(shù)目；t為所考慮的橫截面的平均厚度；PC為崩潰載荷。

計(jì)算程序中，橋墩是具有大的質(zhì)量和剛度的靜止的數(shù)值模型，船-橋碰撞力的估算主要通過碰撞區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)損壞部分的力與變形的特性來計(jì)算。針對算例，橋梁剛度系數(shù)為103MN/m。圖2給出了多級船舶的碰撞力計(jì)算結(jié)果，橫坐標(biāo)為船舶撞擊速度，縱坐標(biāo)為船撞力。

圖2 動(dòng)力數(shù)值模擬法計(jì)算結(jié)果匯總

2.2 有限元法

有限元法是一種高效能、常用的計(jì)算方法，用于求解偏微分方程邊值問題的近似解。該方法通過變分使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。本文采用MSC.Dytran軟件進(jìn)行船-橋碰撞模擬，用顯式非線性有限元法分析碰撞結(jié)構(gòu)的各組成部分及其損傷過程，進(jìn)而計(jì)算船舶撞擊力。此方法僅計(jì)算3 000 t級船舶，所得結(jié)果用于與其它方法進(jìn)行比較。

船型參數(shù)取值如下：DWT-3000T，單船總長101 m，型寬13.8 m，滿載吃水5.0 m，排水量3 200 t，滿載，船速4.04 m/s，中高水位，艏正碰。計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4。圖3橫坐標(biāo)為碰撞時(shí)間（s），縱坐標(biāo)為碰撞力（N）。經(jīng)過計(jì)算，最大撞擊力為22.38 MN。

圖3 船舶撞擊力時(shí)間歷程

圖4 1.0 s時(shí)船艏碰撞變形及等效應(yīng)力分布（單位：MPa）

2.3 AASHTO規(guī)范

采用《美國公路橋梁船舶撞擊設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO 2010)》計(jì)算船舶撞擊力（見式（3），式中：Ps為輪船撞擊力，MN；為船只載重噸位，t；V為船只撞擊速度，m/s），其結(jié)果見表1。

表1 AASHTO規(guī)范公式計(jì)算船撞力

2.4 國內(nèi)公路規(guī)范

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）中第4.4.2條，船撞力標(biāo)準(zhǔn)值見表1。若考慮將船舶作為漂浮物，其撞擊力計(jì)算方法見式（4）（W為漂流物重力，kN；V為水流速度，m/s；t為撞擊時(shí)間，s；g 為重力加速度，m/s2），所得結(jié)果列于表2中。

表2 國內(nèi)公路規(guī)范計(jì)算船撞力結(jié)果

3 結(jié)果比較分析

由動(dòng)力數(shù)值模擬、有限元、AASHTO規(guī)范及國內(nèi)公路規(guī)范四種方法計(jì)算的船舶撞擊力見表3。

表3 四種船撞力計(jì)算方法所得結(jié)果匯總

基于上述結(jié)果進(jìn)行了分析：（1）動(dòng)力數(shù)值模擬方法則通過編制程序，模擬船首結(jié)構(gòu)及防護(hù)結(jié)構(gòu)的壓潰變形，進(jìn)而得出撞擊力，在方法上較經(jīng)驗(yàn)公式先進(jìn)；（2）有限元方法模擬了整個(gè)船-橋碰撞的過程，通過定義接觸模擬碰撞區(qū)域的接觸、變形、破壞等過程，更接近碰撞的真實(shí)情況；（3）AASHTO規(guī)范公式簡單方便，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)普遍使用的估算船舶撞擊力的方法，但AASHTO規(guī)范公式為經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，其結(jié)果較真實(shí)有一定的誤差；（4）國內(nèi)公路規(guī)范方法計(jì)算撞擊力時(shí)可將船舶被視為漂流物，撞擊速度統(tǒng)一取值為水流速度，撞擊時(shí)間取1 s，與實(shí)際情況不符，所得結(jié)果僅能作為參考；（5）動(dòng)力模擬、有限元法及AASHTO方法的計(jì)算結(jié)果在同一量級，可從設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)上判定3 000 T級船舶在船速為4 m/s時(shí)的碰撞力約22～26 MN左右；（6）動(dòng)力模擬計(jì)算結(jié)果與有限元法較為接近，設(shè)計(jì)采用的船撞力標(biāo)準(zhǔn)至少可取為22.8 MN。

根據(jù)以上分析，南昌市區(qū)贛江航道中的橋墩防撞設(shè)計(jì)推薦采用動(dòng)力模擬法或有限元法計(jì)算船撞力。

4 設(shè)計(jì)船撞力取值

基于動(dòng)力數(shù)值模擬法，根據(jù)南昌市贛江航道實(shí)際情況（DWT3000,V=4.04 m/s），選擇朝陽大橋橋位處進(jìn)行了計(jì)算，得到圖5中的結(jié)果。橫坐標(biāo)指橋位軸線處的江面位置距離贛江西側(cè)大堤的距離（單位：100 m），贛江在此處總寬約1 600 m；縱坐標(biāo)指設(shè)計(jì)船撞力F（單位：MN）。枯水期時(shí)在朝陽大橋軸線上距離贛江西側(cè)大堤100 m與1 100 m位置部分河床露出，因而設(shè)計(jì)船撞力的量值下降較快。圖5可為今后南昌市區(qū)跨贛江橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。

圖5 南昌市區(qū)贛江江面設(shè)計(jì)船撞力分布

5 實(shí)際工程設(shè)計(jì)船撞力比較

實(shí)際工程中取用的船撞力通常高于按國內(nèi)公路規(guī)范方法計(jì)算的結(jié)果，本文搜集了文獻(xiàn)[2][5][6][7][8][9]并進(jìn)行比較。部分橋梁的比較結(jié)果見圖6，橫坐標(biāo)為橋梁序號，縱坐標(biāo)為實(shí)際設(shè)計(jì)船撞力a與規(guī)范設(shè)計(jì)值b的比值a/b。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有大型橋梁設(shè)計(jì)船撞力遠(yuǎn)超過國內(nèi)規(guī)范設(shè)計(jì)值，這體現(xiàn)了社會(huì)發(fā)展需求與規(guī)范之間的矛盾，建議通過適時(shí)修編相關(guān)條文解決問題，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營。

圖6 國內(nèi)部分大型橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)船撞力與規(guī)范設(shè)計(jì)值比較

6 結(jié)論

本文經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

（1）推薦采用動(dòng)力數(shù)值模擬法或有限元法的計(jì)算南昌市區(qū)跨贛江橋梁的設(shè)計(jì)船撞力；

（2）給出的南昌市區(qū)贛江航道橫斷面的設(shè)計(jì)船撞力分布可為今后當(dāng)?shù)赝愋蜆蛄涸O(shè)計(jì)提供借鑒。