關(guān)于水上防撞限高架結(jié)構(gòu)型式的探究

2019-03-12 22:39:58鄭宏鴻

珠江水運(yùn) 2019年3期

鄭宏鴻

摘要：在珠三角地區(qū)，船舶大型化趨勢明顯，建設(shè)年代較早的橋梁通航凈高較低，時常發(fā)生超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故。在橋梁工程防撞設(shè)計(jì)中，通常只考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)，少有對橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞的設(shè)計(jì)。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，提出一種新型的防撞方式，即修建水上限高架，并對其進(jìn)行探索研究，給出水上限高架結(jié)構(gòu)型式的適用范圍及應(yīng)用情況，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)及參考。

關(guān)鍵詞：水上限高架超高船舶橋梁上部結(jié)構(gòu) 防撞

1.前言

近年來，隨著水運(yùn)行業(yè)大發(fā)展，整個珠三角地區(qū)水域船舶大型化趨勢明顯，航道升級發(fā)展迅速，而由于珠三角地區(qū)發(fā)展起步早，許多橋梁原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，通航凈高不足，兩者必然產(chǎn)生矛盾，體現(xiàn)為超高船舶撞擊橋梁上部的事故多發(fā)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁墩臺等下部結(jié)構(gòu)的防撞分析較多，對超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的研究較少。本文就超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的防撞措施展開研究。

經(jīng)論證分析，通常防止超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)有以下措施：

（1）委托相關(guān)主管部門對通航橋梁按規(guī)范設(shè)置航標(biāo)，并委托專業(yè)單位對航標(biāo)進(jìn)行日常維護(hù)；

（2）安裝超高預(yù)警裝置，設(shè)置警示標(biāo)志，監(jiān)控船舶高度并警示船舶超高；

（3）設(shè)置電子標(biāo)高水尺，通過電子屏實(shí)時顯示水位高度；

（4）加強(qiáng)航道情況宣傳，加強(qiáng)海事監(jiān)督巡邏，避免不明航道情況的船舶通過橋梁。

以上措施為“軟措施”，主要起到預(yù)警作用，不能完全杜絕事故發(fā)生。在實(shí)際情況中，珠三角地區(qū)部分船舶對航道實(shí)時橋梁通航凈高判斷失誤，忽視警示信息，未按規(guī)定行駛，抱著僥幸心理，強(qiáng)行通過橋梁，造成撞擊橋梁事故。

水上防撞限高架——這新型的橋梁防撞形式，作為“硬措施”被提出。防撞原理是將限高架設(shè)置于橋梁上、下游側(cè)合適的位置，其通航凈高在滿足航道規(guī)定通航尺度的條件下，略低于橋梁通航凈高。超高船舶通過橋梁前，先與限高架刮擦或碰撞，在合理的保證率下被攔截下來，可有效避免與橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸。

限高架進(jìn)行防護(hù)的措施是在設(shè)置航標(biāo)、通航警示、加強(qiáng)監(jiān)督管理等有效措施之外的最可靠的措施，能有效警示和攔截的超高船舶。

2.水上限高架結(jié)構(gòu)型式

不同于行駛于道路的汽車，航行在水上的船舶制動性較差，啟動、轉(zhuǎn)向、停船機(jī)動性遠(yuǎn)不如汽車。考慮到船舶制動性差的特點(diǎn)，根據(jù)船舶撞擊水上限高架后是否立即停止的情況，水上限高架可分為剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)型式。

（1）剛性結(jié)構(gòu)。剛性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是船舶撞到剛性限高架后，基本不再向前行駛，屬于硬碰硬的攔截形式。

剛性結(jié)構(gòu)需要高強(qiáng)度的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)，以承受船舶產(chǎn)生的撞擊力。

（2）柔性結(jié)構(gòu)。柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是船舶撞到柔性限高架后，允許發(fā)生較長距離的緩沖，在碰撞到橋梁之前停下來。

柔性結(jié)構(gòu)需要變形性、延展性、吸能性良好的上部結(jié)構(gòu)。

根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)，在實(shí)際項(xiàng)目中，分別對上部結(jié)構(gòu)為“鋼桁架結(jié)構(gòu)”和“固定拉索結(jié)構(gòu)”的兩種水上限高架進(jìn)行探究。

3.工程概況

工程項(xiàng)目地處東莞西北部，位于廣深高速麻涌至望牛墩之間路段，橋梁橫跨倒運(yùn)海水道，在倒運(yùn)海水道獅子洋——斗朗段中上游，其所在航道的規(guī)劃等級為Ⅳ級，規(guī)劃通航船舶為500t級。

大橋平均每天船舶通過量約為30～50艘。通航船舶有散貨船、干貨船、平板船、自卸砂船、集裝箱船、打撈船等，以散貨船和干貨船為主。

倒運(yùn)海水道天然水深條件良好，地理位置優(yōu)越，實(shí)際航行于倒運(yùn)海水道的船舶大部分超過500t級。橋區(qū)船型艘次小船居多，實(shí)際2000噸級以下船舶占橋區(qū)船型總艘次達(dá)95%以上。根據(jù)船訊網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2000噸以下的船舶過橋艘次占到約96.3%。因此，提出在95%保證率下防撞設(shè)計(jì)的代表船型為2000噸級船舶。

工程所屬航道的船舶航速無相關(guān)明文規(guī)定，根據(jù)河道內(nèi)橋區(qū)船舶實(shí)際航速的監(jiān)測，一般船舶航速在4節(jié)到10節(jié)之間，大部分船舶為4節(jié)～6節(jié)。參考其它水域航速有關(guān)規(guī)定，“除高速客船外，船舶航經(jīng)渡口水域時航速不得超過7節(jié)，其它水域航速不得超過12節(jié)。”推出防撞工程設(shè)計(jì)代表船速3.5m/s。

4.水上限高架結(jié)構(gòu)分析

4.1水上限高架的結(jié)構(gòu)型式

橋梁為雙孔單向通航，跨度72.5m。

（1）鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。限高主體結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，2跨連續(xù)，總長145m，桁架高2m，寬5.2m。

在鋼桁架迎撞面設(shè)置向外突出的結(jié)構(gòu)，由加厚鋼板組成，斷面為“]”形。外突出的“]”形結(jié)構(gòu)正面設(shè)置一層豎向的加厚鋼板，頂部設(shè)置一層水平的加厚鋼板。

鋼桁架底面存在被船舶上部構(gòu)件撞擊的可能，因此，鋼桁架底面設(shè)置一層鋼板。鋼桁架制作加工設(shè)置預(yù)拱度。

鋼桁架底面與承臺之設(shè)置橡膠支座。支座位于鋼桁架節(jié)點(diǎn)處，采用GJZF4 橡膠支座。鋼桁架側(cè)面與前后側(cè)墻之間填充緩沖材料。

迎撞面的鋼板前設(shè)置柔性防撞設(shè)施，以降低船舶撞擊力，見圖1、圖2。

（2）拉索結(jié)構(gòu)型式。拉索結(jié)構(gòu)型式采用柔性結(jié)構(gòu)，型式新穎，在拉索端部的處理上，具有一定的靈活性，分為傳統(tǒng)的錨固式和考慮兼顧智能化收放索配套系統(tǒng)兩種型式。本文僅考慮錨固式。

索端錨固型式，拉索兩端采用錨固的方法，固定于左、右兩端承臺。

限高主體結(jié)構(gòu)采用拉索緩沖方案，采用吊索將下方主拉索懸掛于上方拉索上，下方主拉索與上方拉索均通過鋼索塔定位，索端錨碇于混凝土承臺內(nèi)，拉索合力對船舶做負(fù)功抵抗消耗超高船舶的運(yùn)動能量。

鋼索塔高14.6m，橫向?qū)挾葹?m，厚度1.5m，鋼索塔中心距為135.5m。吊索間距為5m，見圖3。

4.2水上限高架的結(jié)構(gòu)計(jì)算

船舶撞擊力根據(jù)美國《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（AASHTO）、ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算，綜合考慮2000t級船舶在3.5m/s的速度下，撞擊限高架上部結(jié)構(gòu)撞擊力取為3800kN。

（1）鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。采用A n s y s進(jìn)行計(jì)算，梁單元采用的是B e a m 1 8 8，板單元采用的是shell181。中間墩臺處的鋼結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)只約束豎直方向自由度；左側(cè)墩臺處鋼桁架的所有節(jié)點(diǎn)，約束高度方向自由度，并且鋼桁架最后面支座的節(jié)點(diǎn)，約束行船方向和鋼桁架跨度方向自由度；右側(cè)墩臺鋼桁架的所有節(jié)點(diǎn)，約束豎直方向自由度，釋放行船方向自由度，見表1。

通過ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得出各結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，如表2、表3、表4所示。

通過ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

①從工況3和13可以看出，作用于迎撞面鋼板的撞擊力對上弦桿產(chǎn)生有利扭矩，撞擊位置越靠下，有利扭矩越小；

②限高架迎撞面設(shè)置柔性防撞護(hù)舷能夠有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力；

③撞擊方向位移最大位移為0.12m，豎直方向最大位移0.15m；

④結(jié)構(gòu)馮米塞斯等效應(yīng)力最大值為233MPa，滿足規(guī)范要求，見圖4、圖5。

（2）拉索結(jié)構(gòu)型式。本結(jié)構(gòu)分別采用link10和link180進(jìn)行拉索的計(jì)算分析，得出的結(jié)果相近，本報告僅列出link180模型拉索的計(jì)算說明。

拉索結(jié)構(gòu)方案，拉索跨度取67.5m，采用ANSYS有限元建模計(jì)算，拉索采用Link180進(jìn)行模擬。索單元 LINK180設(shè)置只能承受拉力不能承受壓力，并且施加初始應(yīng)力。

拉索面積為0.01365m2，索套管外徑 280mm，初始應(yīng)力為0.0001kPa。

拉索兩端施加全固結(jié)約束，上下兩根拉索通過鋼索塔的位置施加鉛錘向和橫向線約束，模擬拉索可伸縮的性質(zhì)，見圖6。

作用荷載為拉索自重和船舶撞擊力。撞擊力3800kN作用于跨中位置。荷載組合系數(shù)1.0×重力+撞擊力荷載組合系數(shù)1.0×撞擊力。

通過ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得出一下結(jié)論：

①拉索最大位移發(fā)生在撞擊力作用位置，為2.2m；

②上拉索軸力最大值為2980kN；吊索軸力最大值為191kN，位于撞擊點(diǎn)處吊索；下方主拉索最大軸力為12193kN；

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化，不考慮拉索自身伸長變形吸能，船舶需要緩沖距離約7m，拉索對船舶做功可以滿足吸收全部船舶動能，但由以上計(jì)算可知拉索發(fā)生2.2m時，其對船舶反力已達(dá)到3800kN，因此，緩沖距離繼續(xù)增大時，拉索在此前或者上揚(yáng)失效亦或者船舶上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，拉索將可能不會進(jìn)一步增大變形，船舶只能起到一定的緩沖減速效果，見圖7-圖11。

4.3 結(jié)構(gòu)型式比選

水上限高架上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)從防撞效果、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的角度進(jìn)行對比，見表5、表6。

結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際需求，確保水上限高架有效攔截超高船舶，最終采用工期較短、效果顯著的鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。

4.4 水上限高架各型式的適用范圍

根據(jù)水上限高架上部結(jié)構(gòu)不同型式的特點(diǎn)，歸納總結(jié)各自的使用范圍。

鋼桁架型式主要優(yōu)點(diǎn)是攔截效果顯著，施工進(jìn)度快，工期短，樁基礎(chǔ)側(cè)向受力小，造價較低，缺點(diǎn)是上部結(jié)構(gòu)較為笨重，需要大型設(shè)備進(jìn)行吊裝，適用于跨度較小，船舶緩沖距離短的情況。

拉索型式主要優(yōu)點(diǎn)是上部結(jié)構(gòu)輕便，安裝簡單，具有較大的緩沖距離，缺點(diǎn)是拉索攔截效果差，樁基礎(chǔ)側(cè)向受力大，需設(shè)置大樁徑的基礎(chǔ)，施工進(jìn)度慢，工期較長，適用于跨度較大，有較長直線緩沖距離，工期要求不高的情況。