珠海淇澳大橋船撞能力評估及防撞設計

付旭輝， 田 鵬， 余 葵， 唐 亮

(1.重慶交通大學河海學院， 重慶 400074； 2.國家內河航道整治工程技術研究中心， 重慶 400074； 3.重慶交通大學土木學院， 重慶 400074)

淇澳大橋位于珠海市東北面,于2000年10月建成通車，珠江口右岸，連接珠海市區與淇澳島，為雙塔柱式單索面預應力混凝土斜拉橋，主孔長為320 m，兩側邊孔為176.5 m，各設一中間墩，將邊孔分為136 m和40.5 m，正橋設置豎曲線，主梁采用抗風性能很好的近似三角形斷面，單箱3室，頂寬33 m，底寬4 m，橋面以上塔高76 m，箱形斷面，主塔3#、2#橋墩以及引橋1#、0#橋墩船舶可達。隨著珠海經濟快速發展，航道等級逐漸提升，橋區船舶通航愈發頻繁，一旦發生船舶撞擊橋墩事故，將會給人類的生命、財產以及社會和環境安全帶來極大的損害[1]，所以計算淇澳大橋橋墩抵抗船撞力值并設置合理的防護措施，對于保護橋梁結構安全至關重要。張峰等[2]針對東海大橋橋墩防撞方案,引入港口工程中常見的大直徑薄壁圓筒結構,該結構具有良好受力性能。鄧國良等[3-4]針對南昌大橋橋墩設計了柔性復合材料混合防撞設施，很大程度消減了船舶撞擊橋墩的沖擊力，保護了橋梁安全。冒一鋒等[5]圍繞福州烏龍江大橋，研制了新型纖維增強復合材料防撞系統，能夠有效地保護橋墩結構安全。余葵等[6-7]、吳俊等[8]針對重慶萬州長江公路大橋，發明了拱形自浮式水上升降防撞裝置，采用全鋼結構設防，滿足橋墩抗撞能力，保護了橋墩。

針對淇澳大橋2#主塔(3#主塔相同，只分析其一，如圖1所示)，以及引橋1#、0#橋墩進行防船撞能力計算。根據橋區、水文資料、通航船舶類型及數量等條件分別運用經驗公式和有限元計算大橋主塔遭受5 000 t船舶撞擊力，和引橋1#、0#遭受500 t船舶撞擊產生的撞擊力，繼而再通過MIDAS建模[9-11]，計算橋墩本身能夠承受最大撞擊力，根據計算結果對橋墩抗船撞能力進行評估。

圖1 橋式立面圖

1船舶撞擊力計算

1.1 常用撞擊力經驗公式

船舶撞擊力的計算方法中經驗公式計算法占有很大的比重，包括中國公路、鐵路規范在內，世界上不同組織提出了數十種船舶撞擊力的經驗公式[3-4]，經驗公式計算快捷簡便，在無更詳細船舶撞擊力資料時采用，但不同的經驗公式計算結果往往相差很大。在運用經驗公式計算時要對比運用，不同情形適用不同公式。

(1)采用美國公路橋梁設計規范(AASHTO 1994)有關船舶撞擊力的公式為

Ps=1.2×105V×(DWT)0.5

(1)

(2)采用國際橋梁和結構工程協會(IABSE)推薦的計算公式為

(2)

式(2)中：L=Lpp/275 m，Lpp為船長，m；E撞擊=E/1 425 MJ；P艏為船艏最大撞擊載荷，MN；P0=210 MN；E為船舶動能，MJ。

(3)采用公路橋涵設計通用規范(JTJ 021—89)推薦的計算公式為

P=WV/gT

(3)

式(3)中：W為漂流物重力，kN，根據河流中漂流物情況，按實際調查確定；V為水流速度，m/s；T為撞擊時間，s，根據時間資料估計，在無實際資料時，一般用1 s；g為重力加速度9.81 m/s2。

(4)采用鐵路工程技術規范的計算公式為

(4)

式(4)中：γ為動能折減系數，取0.3；α為船舶航向與墩臺撞擊點切線所成夾角；C1為船舶彈性變形系數，取1/2 000；C2為墩臺彈性變形系數，取1/5 000。

Kano & Li 2013: Kanu Kazuo (加納和雄) & Li Xuezhu (李學竹), Annotated Japanese Translation and Critical Edition of Sanskrit Text of the Munimatālakāra Chapter 1: Opening Portion, Mikkōbunka 229, 37-63.

船舶的撞擊角度為撞擊船舶的軸線方向與被撞結構物的撞擊面法向的角度，確定船舶的撞擊角度最合理的方法是對橋區附近船撞事故資料和經過橋位船舶航跡線綜合分析得到，統計后按最不利情況計算，即通航高水位15°側撞。

根據調查分析方法得到典型船舶在橋區(主通航孔)航行的正常航速，由此作為通航船舶通過橋區水域的典型速度。然后根據實際測量或數值計算方法得到建橋后橋區水域流速沿橋軸線分布數據，計算出橋區水域的流速差值。逐一對各橋墩附近水域的流速進行調整(折減和增加)，依據美國AASHTO規范的計算方法，可確定船舶撞擊速度，淇澳大橋的2#主塔的5 000 t船舶撞擊速度為4.49 m/s，引橋1#橋墩的500 t船舶撞擊速度為1.18 m/s，引橋0#橋墩的500 t船舶撞擊速度為 1.18 m/s，如表1所示。

確定撞擊角度和速度后，采用各經驗公式分別計算主塔2#橋墩，及引橋1#、0#橋墩船舶撞擊力，計算結果如表2所示。

由表2可知，各類經驗公式撞擊力計算值都不相同，分析其原因可能是各經驗公式在船舶撞擊時，計算船艏的形狀、剛度，被撞體的形狀、剛度，撞擊角度以及撞擊速度等因素側重點不一致[5-6]。導致各規范船撞力計算結果相差甚大，為了得到較為可靠的橋墩撞擊力，采用有限元法進行分析。

表1 淇澳大橋船撞速度表

表2 淇澳規范撞擊力計算結果

1.2 有限元撞擊力計算

建立5 000 t、500 t典型船舶分別撞擊淇澳大橋主塔及引橋橋墩的有限元碰撞模型，并分別進行船舶在最低通航水位和最高通航水位進行碰撞力計算分析，淇澳大橋最低通航水位為2.91 m(黃海高程)，最高通航水位為5.27 m(黃海高程)。撞擊點位置根據不同船型吃水深度和最低通航水位和最高通航水位綜合確定。船體有限元模型建立主要分為船體模型網格劃分、模型連接、材料屬性定義、模型配重和模型邊界施加。整個船體為鋼板結構，整個船體分析模型采用殼單元進行詳細建模，充分兼顧船碰撞分析的精度和效率。船艏部分是船體碰撞變形區，該區域的網格尺度和類型對船體的剛度有較大影響，該部分采用精細化建模，殼單元網格平均尺寸為50～100 mm，網格最大程度采用四邊形網格，如圖2所示。

船體和船尾部分不涉及船體變形問題，主要是其質量分配影響船體的動能和運動狀態，該部分采用粗略化建模，殼單元網格平均尺寸為1 000 mm；船艏和船尾中間部分單元其單元尺度過渡增加，達到分析精度和計算效率的最佳平衡，如圖3、圖4所示。

模型采用了單墩模型進行船橋碰撞的動力計算，只對橋墩墩身采用實體單元進行建模。墩底固結；墩頂施加彈性約束和質量塊，模擬主梁對橋墩約束和壓力作用，使橋墩頂端受力及約束狀態與全橋模型更加接近，橋、船撞擊應力云圖如圖5、圖6所示。

圖2 船艏有限元模型

圖3 典型5 000 t船舶和淇澳大橋主墩15°側撞模型

將斜撞撞擊力仿真結果與經驗計算值進行對比。從表3、表4中可以得出，有限元仿真計算的船舶撞擊力存在一定差異，船舶為5 000 t在高水位時最大側撞力為39.64 MN，低水位時最大側撞力39.84 MN，與美國ASSHTO規范計算的側撞力38.10 MN較為接近，船舶為500 t撞擊引橋1#/0#橋墩時最大側撞力分別為8.43 MN、4.47 MN，低水位最大側撞力分別為7.96 MN、3.91 MN。同樣與美國ASSHTO規范計算的側撞力10.01 MN、3.17 MN 較為接近。

圖4 典型船舶500 t和淇澳大橋引橋橋墩15°側撞模型

圖5 橋墩主壓應力云圖

圖6 船舶艏部變形應力云圖

表3 淇澳大橋船舶主塔2#撞擊力仿真結果

表4 淇澳大橋船舶引橋橋墩1#、0#撞擊力仿真結果

美國ASSHTO規范與有限元仿真計算結果最為接近，與公路橋涵設計通用規范、鐵路橋涵設計基本規范，以及國際橋梁和結構工程協會(IABSE)推薦公式差異均較大，分析原因可能是實際船舶船艏和有限元設計剛度不盡相同，各公式計算因素側重點不一致導致差異。

考慮規范所采用經驗公式僅適用于特定情況，故撞擊力標準采用有限元仿真模擬值。

將淇澳大橋橋區的船舶分別在高水位、低水位情況下進行按最不利情況15°斜撞橋仿真，并同時進行了正撞仿真，各工況主塔和引橋的最大撞擊力匯總如表3、表4所示。從中可以看出，船舶噸位越大，撞擊力就越大。

2 橋梁結構抗力計算

單位載荷作用下結構內力通過建模計算方法進行計算。影響單位結構內力主要有撞擊力作用點、荷載組合、單元模擬、土的模擬、邊界條件5個方面。船舶撞擊作用位置影響因素較多，根據中國《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)內河船舶撞擊作用點要求，以假定計算最高通航水位線以上2 m的橋墩寬度或長度的中點作為作用點。按現行《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)規定的要求進行荷載組合：偶然作用的效應分項系數取1.0；荷載組合：恒載+橫橋向船舶撞擊力。在進行結構模擬時，橋梁各個部位采用的單元形式為：①墩或塔柱采用一維線性梁單元進行模擬；②承臺假設為剛性體，采用剛體模擬；③樁基采用一維線性梁單元進行模擬。

主塔內力的計算采用midas civil軟件，計算模型變形如圖7所示。

選取設計代表船型5 000 t船舶為例，以對應的撞擊力作用在橋墩相應位置得到全橋響應結果。提取了結構關鍵部位的位移及內力結果。

綜合考慮橋梁等級、結構設計強度及建設投入等綜合因素，取橋墩、樁基的水平等效屈服抗力最小值對應的撞擊力作為橋墩極限抗撞力，如表5所示。

由表5可知，主塔、引橋的抗船撞能力都是由樁基控制，主塔2#墩、引橋1#、0#墩撞擊力分別為72.69、37.54及28.32 MN，均大于各經驗公式以及有限元計算的船撞力，故淇澳大橋主塔及引橋不會因船撞坍塌，結構安全。考慮到船橋雙重保護的理念，船橋撞擊時最大限度保護船舶和降低橋梁損傷，延長橋梁使用壽命，故可增設合理的防護設施。

圖7 淇澳大橋橫橋向單位載荷作用下的主塔彎矩圖

3 防撞設施

大橋主塔及引橋橋墩的防護范圍為最高通航水位以上2.5 m，最低通航水位以下1.5 m。其中淇澳大橋主塔橋墩擬采用自浮式鋼浮箱[7-8]防撞裝置。為了避免鋼浮箱與橋墩表面摩擦對橋墩表面的損害，在鋼浮箱與橋墩之間布設橡膠護舷緩沖裝置，并在橡膠護舷表面安裝四氟板與橋墩表面進行滑動摩擦。考慮到四氟板的使用壽命，在橋墩表面與橡膠護舷對應位置進行低壓噴涂、滾涂或者刷涂混凝土密封劑的表面處理，既增加防撞裝置運行的可靠性，又最大限度地降低其摩擦對橋墩表面的損傷。主塔的防撞設施總高度為4.0 m，吃水深度1.5 m，總長度為32 m，總寬度為16 m，艏部和側部含橡膠護舷的總長度和寬度均為4.4 m，橡膠護舷與橋墩表面之間預留了0.1 m的間隙，整個結構對稱布置。其中，橡膠護舷選用SA800×1 000，規格可按《橡膠護舷》(HG-T 2866—2003)選用，主塔防撞設施如圖8所示。兩橋引橋橋墩防撞采用安裝橡膠護舷的方式進行防撞，承臺采用D型護舷，橋墩墩底至以上2 m范圍用超級拱形橡膠護舷，引橋防撞設施如圖9所示。

圖8 淇澳大橋主塔防撞設施示意圖

圖9 淇澳大橋引橋橋墩防撞設施示意圖

4 結論

通過經驗法和有限元建模方法對淇澳大橋主塔2#橋墩及引橋1#、0#進行防船撞分析。結果表明，有限元法和美國公路橋梁設計規范(AASHTO 1994)船舶撞擊力經驗公式較為接近。通過對橋梁橋墩結構抗力計算，發現主塔2#，引橋1#、0#橋墩極限抗撞力均大于有限元計算值，說明主塔2#橋墩自身抗力是滿足5 000 t防船撞要求的，同時引橋滿足500 t防船撞能力，橋梁不會因船撞倒塌，較為安全。但為了減少橋墩因船撞摩擦損傷，和最大限度地保護船舶安全，為主塔以及引橋設置合理的橡膠護舷防護措施，以增加橋梁使用壽命，減少橋梁修檢頻率，提高社會經濟效益。