京港澳高速沙河大橋橋墩抗船撞能力評估及防撞設施方案研究

王紀鋒　關梁超　葛晶　沈燕

摘 要：隨著河南省沙潁河逍遙至漯河段航運開發工程的推進，航道通航等級提升為IV級，通航船舶噸位和數量的增多對既有橋梁的安全構成嚴重的影響。本文以京港澳高速沙河大橋3#-4#橋墩為研究對象，通過瞬態動力學防撞分析，確定大橋設防船撞力為4.6MN。進而根據相關設計規范，通過核算橋墩截面實際能承受的水平撞擊力，確定了該大橋在500噸級船舶撞擊下自身抗撞能力不足。根據橋墩結構和通航橋區情況，設計了自浮式鋼覆復合材料防撞設施，通過有限元防撞校核表明，安裝防撞設施后船舶撞擊力下降至3.4MN，可有效提高橋墩自身抗撞能力，從而有效保證橋墩結構安全。

關鍵詞：橋梁防撞;防撞設施;有限元;船舶撞擊力;鋼覆復合材料

中圖分類號：U698? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）10-0062-05

1概述

沙潁河航道流經河南省境內414公里，是國家規劃水運主通道“兩橫一縱兩網十八線”中“一縱”的重要組成部分。隨著沙潁河逍遙至漯河段航運開發工程的推進，漯河段航道通航等級提升至IV級。然后，由于沙潁河已斷航30余年，沿線既有橋梁普遍存在設防等級不足的情況。因此，亟需對既有橋梁的設防抗撞能力進行評估，根據評估情況，對設防能力不足、被撞概率較高的橋梁設計相應的防撞設施。

京港澳高速沙河大橋是漯河地區較早的一座跨沙河大橋，1993年3月動工，1995年12月竣工，2015年12月大橋完成8車道拓寬。大橋最高通航水位為+60.32m，最低通航水位為+56.0m。該橋上部結構采用18×30m預應力砼T梁，先簡支后結構連續。伸縮縫處設置D80伸縮裝置;結構連續處每梁梁端設GJZ-350×400×57mm支座。

該橋半幅雙柱式橋墩，橋墩蓋梁高3m，寬2.2m，材料為C30混凝土。橋墩柱采用直徑1.8m的圓形截面，墩柱間距4.52m，墩柱采用處C30混凝土。橋墩基礎為樁基礎。3#、4#橋墩截面示意見圖2，各橋墩標高見表1。

本文對大橋的3#、4#橋墩進行設防抗撞能力評估。采用瞬態有限元計算軟件Ls-Dyna，模擬代表船型撞擊橋墩，獲得

橋墩的設防船撞力[2，4]。進而根據相關設計規范，通過核算橋墩截面實際能承受的水平撞擊力，對橋墩的安全性進行評估。根據上述研究結果設計適合本橋的防撞設施方案。

2 大橋設防撞擊力計算

2.1 有限元建模

本文根據設防橋墩的結構進行三維建模，其中代表船型選擇500噸級船舶（滿載排水量720噸），船舶設防撞擊速度取約束航速6節（3.08m/s）。

墩頂主要承受混凝土主梁的重力作用，模型中近似去豎向約束，橋墩結構采用常規混凝土材料建模，橋墩材料為C30混凝土，彈性模量取30000MPa。船舶由船艏和船身兩部分組成，由于碰撞中主要是船艏變形，因此模型中將船身設置為剛體，僅提供剛度和質量，不發生變形;船艏則考慮鋼材的應變率的影響，采用Coeper-Symonds本構方程，考慮到Ls-Dyna模擬計算中材料的失效模擬很復雜，一般通過最大塑性失效準則來定義材料失效。此外，在船舶與橋墩接觸摩擦時，摩擦系數的變化也很復雜，所以采用簡化處理，將靜、動摩擦系數均取0.1。

2.2 計算結果

根據該橋實際情況，選取最高通航水位下船撞撞擊為最不利工況，因此本文進行了2種工況的有限元模擬，即：工況一，最高通航水位下船舶與3#橋墩滿載正撞;工況二，最高通航水位下船舶與3#橋墩中部滿載側橋向15°撞擊橋墩。2種工況下的船-橋碰撞應力見圖5，船撞力計算結果見表5。

仿真計算結果表明，在工況一的情況下，船—橋碰撞力達4.6MN，工況二的情況下，船—橋碰撞力達2.8MN。通過與《公路橋涵設計通用規范》、《鐵路橋涵設計基本規范》、美國AASHTO規范公式[3]的計算結果對比表明，有限元計算結果高于鐵路規范，低于美國AASHTO規范。因此，本橋設防船撞力取4.6MN。

3.2 豎向力計算

豎向載荷包括恒載+活載，其中，恒載包括上部結構質量、瀝青鋪裝、護欄等，活載包括豎向活載及縱向活載產生的偏心彎矩。計算結果如表6所示：

3.3橋墩外力荷載組合匯總

承載力計算組合分為基本組合和偶然組合，因船撞力在水平荷載中占很大比例，因此基本組合不控制橋墩受力計算，本橋僅采用偶然組合對橋墩進行驗算。

偶然組合中，偶然作用組合系數為1，其余同作用組合系數同基本組合。

3.4 橋墩強度驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，橋墩正截面抗壓承載力按照沿周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構件進行計算，可得橋墩危險截面的抗力如下表所示[1]。計算結果表明，橋墩彎矩MR=9766KN*m<11118.8KN*m。橋墩無法抵抗船舶撞力計的作用，需加裝一定的防撞設施。

4防船撞方案研究

4.1 防船撞設施設計方案

根據橋墩的自身結構特點，設計了自浮式D-430型鋼覆復合材料防撞設施。防撞設施整體呈筒形，直徑4.3m，高度1.5m。防撞設施整體“套”在設防橋墩上，可隨著水位上下浮動，始終處于船舶的撞擊位置。

鋼覆復合材料防撞設施主要由高性能復合材料、鋼材、緩沖耗能材料組成。防撞設施整體為加勁鋼桁架，具有良好的整體強度。防撞設施外部包覆了高性能復合材料層，復合材料耐候性能極佳，在水中不易腐蝕，可有效解決防撞設施長期使用易腐蝕的難題。同時，防撞設施內部填充閉孔耗能材料，沖擊時可有效延長撞擊時間，削減撞擊力。防撞設施與橋墩接觸部分設計了橡膠阻力元件，可避免防撞設施在波浪作用下與橋墩發生“硬接觸”。

防撞設施施工整體采用真空導入一次成型工藝。先制作相應的鋼制加勁結構，再見閉孔耗能材料切割成相應的模塊，包覆軸向纖維布后填充滿整個鋼制加勁結構中。再通過抽氣口抽調鋼制加勁結構內的空氣，使其形成負壓，真空導入樹脂在負壓的作用下導入鋼制加勁結構，最后固話、成型。真空導入完成后，在鋼制加勁結構外部通過復合材料積層工藝，在外表面包覆3mm厚的復合材料層。

4.2 防船撞設施消能效果

防撞設施整體的彈性模量介于橋墩剛度和船艏剛度之間，通過合理優化防撞設施內部結構布置，使得船-防撞設施-橋墩三者剛度獲得良好的匹配。在瞬態動力學軟件Ls-Dyan中模擬安裝防撞設施的情況下船撞橋的情況。計算結果表明，在相同的邊界條件下，船舶撞擊力由4.6MN降低為3.4MN，有效削減船舶撞擊力26%，可滿足橋梁設防的要求。

5 結論

本文以京港澳高速沙河大橋為研究對象，論述了橋梁船撞能力評估的基本流程，首先采用有限元法計算船撞橋的實際船撞力，再根據橋梁的結構參數，對橋墩的抗撞設防能力進行校驗，確定橋梁的抗船撞能力。主要得出以下結論

（1）采用瞬態有限元模擬仿真，計算出橋梁在最高通航水下的設防船撞力達4.6MN;

（2）根據京港澳高速沙河大橋橋墩實際尺寸及配筋計算得出在設防船撞力下大橋抗撞能力不滿足要求;

（3）根據大橋情況，設計了自浮式鋼覆復合材料防撞設施，經有限元校核計算，最大船撞力可降低26%，可有效保護橋梁安全。

參考文獻：

[1]陳剛，葉建龍，何為，等.內河樁柱式橋墩抗船撞能力分析[J].橋梁建設，2010，（2）：14-17

[2]潘晉，吳衛國，王德禹，等.船-橋墩防護裝置碰撞的有限元仿真[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2005，（4）：178-181.

[3]美國各州公路和運輸工作者協會（AASHTO）2009：公路橋梁船撞設計指南（第二版）上海海洋鋼結構研究所、寧波大學、重慶交通大學等譯

[4]楊黎明，呂忠達，王禮力，等.橋梁抗船撞柔性防護方法及實船撞擊實驗[C].武漢：第二十屆全國橋梁學術會議論文集（下），2012：948-954.

基金項目：河南省交通運輸廳科研項目（2017J3）;常州市科技支撐計劃（工業）（CE20180015）