鋼結構防撞裝置的防撞性能對比分析研究

余 葵,陸旺敏

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學 重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術研究中心，重慶 400074)

隨著跨江河橋梁的大量修建，通航船舶噸位逐漸增大，規模日益提高，加之橋區環境及人為因素等原因，船舶撞擊橋梁的事故屢見不鮮[1-2]。為保證跨江河橋梁的使用安全，促進交通運輸的穩步發展，各種類型的防撞結構應運而生，如人工島、防撞墩、集群樁等，而對于拱橋而言，前述防撞結構均存在施工難度大、橋區水流影響大、施工成本昂貴、不適合拱橋防撞等缺點[3]。隨著建筑結構工程的發展，鋼結構以造價低，移動靈活、抗震度好、延性好、塑性性能優良、環保效果好、自重輕及產業化程度高等特點受到建筑行業的青睞。為適應建筑結構朝著多元方向發展，近年來涌現了一些新型的組合式鋼結構，其中包括嵌套式全鋼結構、部分填充鋼-混凝土組合結構及異形鋼管混凝土結構等[4-8]，許多機場、橋梁、廠房、體育場及車站等大型公共設施都采用了組合式鋼結構建設[9]。

2016年李克強總理在《政府工作報告》中強調：積極推廣綠色建筑和建材，大力發展鋼結構、裝配式建筑和新型建造方式，加大政策支持力度，提高建筑工程標準和質量，力爭用10 a左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%[10]。我國住房與城鄉建設部于2019年10月1日正式實施《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》，該規范的施行將促進裝配式結構的推廣與應用[11]，在新時代的背景下，對鋼結構的集成設計、部件生產、施工安裝、工程驗收、使用維護及管理方面提出了新的要求。2019年底，突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情以迅雷不及掩耳之勢火速蔓延，在黨中央、國務院的正確領導下，武漢市防疫指揮部臨危受命，決定再建1座雷神山醫院作為臨時應急醫院，從設計到動工，再到建立完成并開始接受患者，僅用時10 d。這座由中南建筑設計院設計的建筑，采用的是3種不同的裝配式結構體系，采用輕型鋼結構模塊化組合房屋，大大縮短了建成時間，為扼住疫情的蔓延贏得了寶貴的時間[12]。《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》的正式施行推動了相關行業標準逐漸趨于體系化，在我國裝配式建筑的發展中具有重要的意義[13]。

本文以重慶萬州長江公路大橋防撞工程為例，通過數值模擬，比較鋼—混組合結構與全鋼結構防的防撞性能，并與結構設計規范進行限值校核，分析鋼結構在橋梁防撞結構中的應用優勢，為促進橋梁安防及鋼結構技術進步提供參考依據。

1 工程概述

重慶萬州長江大橋是連接萬州站和萬州汽車南站的交通要道，是位于連接滬蓉高速和銀百高速的G318線上的唯一一座大跨度上承式拱形橋梁，至今該橋已經建成通車23 a，橋長為856.12 m，主跨為 420 m，寬為24 m，是同期同類橋梁中大跨徑的鋼筋混凝土拱橋(如圖1所示)。

圖1 重慶萬州長江大橋示意

拱形自浮式防撞裝置由防撞帶、浮筒、導向井等構件組成，具有獨立式防撞、區域性防護、隨著水位升降、能適應大水位差變化等特點，滿足拱形橋梁的防撞需求。在拱橋兩端的拱圈基座與橋墩立柱水域，各建起一個弧形、中空，并通過導向井固定的防撞帶，在水面畫出一個與拱橋獨立的弧形區域，并能借助重力和浮力隨水位變化自動升降[14-15]。拱形自浮式防撞裝置平面布置如圖2～3所示。

圖2 拱形自浮式防撞裝置平面布置示意

圖3 單側防撞裝置平面布置示意

2 數值模擬

2.1 鋼—混組合結構防撞帶船撞數值模擬

混凝土建成的工程建筑物具有抗彎能力弱而軸向抗壓強度高的特點，而鋼材料制成的鋼構件有著塑、韌性好、抗彎能力強等優點，而鋼—混組合結構正是具備了鋼管和混凝土的優良特性，使得鋼—混組合結構防撞帶的抗撞承載能力得到大幅度提升。考慮最不利情況，若來裝船舶為滿載船舶，其吃水必將大于船高的一半以上，此時船舶的航行速度并不快，但也有空載船舶來撞的可能，為防止來裝船舶爬越防撞帶而導致橋梁受到撞擊，數值模擬中防撞帶半浮以上高度取為2 m。鋼—混組合結構防撞帶上部分為中空夾層鋼管混凝土結構，下部分為鋼質浮箱，其中鋼管采用Q345鋼材，中空夾層采用C35砼，其結構斷面如圖4所示。

圖4 鋼—混組合結構防撞帶斷面結構示意

通過ABAQUS有限元軟件對鋼—混組合結構防撞帶進行有限元仿真分析，以5 000 t船舶為防撞模型的典型來撞船舶，當該典型船舶撞擊鋼-混組合結構防撞帶模型時，撞擊部位變形嚴重(見圖5)，撞擊點附近材料已超過Q345鋼材料的屈服極限(見圖6)，引起浮箱進水而影響防撞帶整體的浮性狀態。從圖7可以看出，混凝土的壓應力在20～38 MPa范圍，由《混凝土結構設計規范》[16]可知，該應力范圍表明已經有大部分C35超過極限強度(23.4 MPa)，該區域的混凝土已經發生破碎，在支座附近和撞擊部位附近的混凝土材料也超過了自身的極限拉應力強度3.2 MPa。鋼—混組合結構防撞帶的最大徑向位移量為1.47 m，整體曲率半徑為108 m，最大徑向位移是防撞帶曲率的1.36%。

圖5 典型船舶撞向鋼—混組合結構防撞帶仿真模型示意

圖6 撞擊處外浮箱變形及組合結構整體變形示意

圖7 鋼-混組合結構防撞帶材料壓應力及拉應力示意

2.2 全鋼結構防撞帶船撞數值模擬

依托工程大橋防撞裝置的防撞帶采用了全鋼結構，全鋼結構防撞帶斷面結構如圖8所示，從圖8中可以看出，防撞帶采用了內外鋼管嵌套組合鋼結構設計，內外管之間通過縱格板焊接起來，其中外層鋼管N1厚度為16 mm，內層鋼管N2厚度為12 mm，縱隔板N3厚度為12 mm，縱向加強肋N4厚度為16 mm，橫隔板N5厚度為12 mm。迎撞面占防撞帶全截面的2/5，其中水面以上占1/5，水面以下占1/5，防撞面與來撞船舶直接接觸，為了增強迎撞面的抗撞能力，需要沿管軸縱向加密縱向筋板。

圖8 全鋼結構防撞帶結構斷面示意

圖9和圖10分別是典型船舶撞擊鋼結構防撞帶有限元模型和全鋼結構防撞帶塑性應變云圖，圖11是全鋼結構防撞帶應力分布及破壞分布，計算表明，全鋼結構防撞帶在5 000 t船舶撞擊下僅是小范圍達到屈服極限和較大的塑性變形，其余位置未達到屈服極限，在撞擊點處發生局部大塑性變形，撞擊點處局部材料的抗拉強度在56.82～104.20 MPa,但未超過Q345鋼材的屈服極限；縱向鋼板變形比較明顯，防撞帶內側也有局部進入了屈服，防撞帶內側要增加縱向筋板。

圖9 典型船舶撞擊鋼結構防撞帶有限元模型示意

圖10 全鋼結構防撞帶塑性應變示意

圖11 全鋼結構防撞帶應力分布及破壞分布示意

3 兩種結構防撞帶的對比分析

3.1 鋼—混組合結構分析

從鋼—混組合結構防撞帶船撞有限元仿真分析可以得知，鋼—混組合結構防撞帶雖然結合了鋼結構和混凝土結構各自的優點，但是應用在拱形自浮式水上升降防撞裝置時存在以下不足之處。

1) 就承載能力而言，目前的組合結構防撞帶無法抵抗5 000 t船舶的撞擊，撞擊部位超過屈服極限，位于水下破壞缺口涌入水流而影響防撞帶浮態。

2) 若通過加厚混凝土厚度和鋼結構強度來滿足5 000 t船舶的撞擊承載能力要求，則必然導致防撞帶重量增加，而通過計算，不加浮筒時，浮箱難以承受組合結構的重量，所以這一措施不但增加巨大的經濟成本，還無法滿足防撞帶的浮態要求。

3) 施工工藝難度較大，澆筑的密實度無法保證。

4) 鋼—混組合結構防撞帶撞損后的維修難度大。

3.2 全鋼結構分析

橋梁防撞裝置防撞帶采用全鋼結構進行設計[15]，就全鋼結構防撞帶的承載性能而言，全鋼結構防撞帶僅局部達到屈服極限，因此，在內外套管之間增加橫縱向的加勁肋可以大幅度增強全鋼結構防撞帶的防撞能力。其次，防撞帶半浮狀態下所能提供的豎向支持力超出防撞帶未加浮筒前自身重量約1.75倍，因此，防撞帶的浮性狀態尚且富余。再次，全鋼結構防撞帶的施工工藝簡單，自重小，滿足浮態條件要求。

3.3 比較分析

通過對鋼—混組合結構防撞帶和全鋼結構防撞帶進行數值模擬，得出兩者各自的優勢和不足，為防撞帶材質選取提供了有價值的參考。全鋼結構防撞帶和鋼-混組合結構防撞帶的性能比較如下。

3.3.1鋼—混組合結構防撞帶

1) 防撞能力：① 撞擊部位水下、水上浮箱嚴重破壞，導致水流涌入浮箱，影響防撞帶的浮動特性；② 撞擊部位處，鋼管出現局部塑性變形，影響到鋼管—混凝土組合結構防撞帶的整體性能；③ 混凝土應力嚴重超標。

2) 施工難度：施工工藝難度大，耗時長，防撞帶內部混凝土的密實度無法保證。

3) 維護難度：混凝土被撞損壞后失去防御作用，且修復難度極大。

3.3.2內外鋼管嵌套全鋼結構

1) 防撞能力：① 撞擊點處外層鋼管應力小區域出現塑性變形；② 防撞帶最大徑向位移量達到0.81 m。

2) 施工難度：拼接工序簡單快捷，極大縮短工期。

3) 維護難度：受撞后易于養護修復。

4 結語

鋼制材料通過焊接、螺栓或鉚釘連接而成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構件組成的結構被越來越普遍地使用在跨度大、超高及承載重的建筑結構中，鋼結構憑借著極限抗拉強度大、質量輕、塑韌性都好、質料均勻、制造方便、施工工期短、密閉性好等優點在建筑行業中成為不可取代的角色。經過綜合對比，該依托工程防撞帶結構選用全鋼結構，全鋼結構防撞帶從防撞能力、施工難度以及養護維修均優于鋼—混組合結構。