清云高速肇云大橋抗撞性能分析★

馮佳佳，朱登遠，雷艷紅，吳 華

(1.西藏大學工學院,西藏 拉薩 850000； 2.西藏大學理學院，西藏 拉薩 850000； 3.肇慶市公路發展有限公司，廣東 肇慶 526040)

1 工程基本情況

跨越航道橋梁是鐵路、公路、城市道路、水路等交通運輸通道的咽喉節點，近年來一些橋梁與船舶不匹配的安全風險凸顯，多次發生船舶碰撞橋梁的事故，直接影響到交通運輸的安全和暢通，關系到經濟社會發展和人民群眾生命財產安全，因此，對橋梁的抗撞性能進行分析顯得尤為重要[1]。

1.1 橋梁基本情況

清云高速肇云大橋設計橋軸線采用直線跨過西江，橋軸線法線方向與水流流向交角約11°。橋梁通航孔設單孔雙向通航，主橋跨徑組合為(300+738+212) m。主墩承臺平面尺寸為啞鈴型，尺寸為59.15 m×15.7 m(長×寬)，通航孔跨徑為738 m，凈高30 m，本文主要對涉水通航橋跨的17號南主塔、16號北主塔和15號北過渡墩的抗撞性能進行分析。肇云大橋橋梁立面圖見圖1。

1.2 風險來源

根據海事部門提供，近5年來，發生“船碰橋”險情6宗，由于處置及時，沒有發生船碰橋事故。可能引起船舶碰撞橋梁的風險因素有橫流、氣象條件(雷雨大風、大霧等)、船舶習慣航路、駕駛員安全意識淡薄、沒有按駕駛技術操縱、不了解通航環境等。

1.3 水流條件

橋址最高通航水位為17.63 m，最低通航水位為0.73 m。橋軸線法線方向與水流流向交角約11°，最高通航水位工況下，橋區最大橫向流速約0.34 m/s。這些流速超過0.30 m/s的點都離開橋墩位置約10 m，且橫流在法線方向上衰減較快，通航孔中絕大部分區域橫向流速較小。橋墩引起的橫向流速在20 m范圍之外對船舶的正常航行影響較小。在洪水期，受水中橋墩阻水作用影響，通航孔局部水域易產生橫流，增加了船舶駕駛和操縱的難度，可能引起船舶碰撞橋梁事故。

1.4 通航條件

綜合橋區航道條件、通航凈空尺度、涉水橋墩通航影響等方面分析，橋區航道條件與橋墩布置相適應，通航凈空尺度滿足現狀及區段通航代表船型通航要求，在洪水期，受水中橋墩阻水作用影響，通航孔局部水域易產生橫流，增加了船舶駕駛和操縱的難度，可能引起船舶碰撞橋梁事故，其中通航孔左墩發生船舶碰撞事故概率大于通航孔右墩。

2 抗撞性能仿真分析

2.1 船撞力作用計算

肇云大橋所跨西江為Ⅰ級航道，通航船舶等級為3 000 t級，但根據現場調查，實際最大通航達5 000 t級船舶，根據航道整治代表船型、現狀調查代表船型和珠江航務管理局函告代表船型的統計調查數據[2]，本次仿真代表船型尺寸如表1所示。

表1 設防代表船型尺寸表

與橋梁碰撞時，輪船撞擊力[3-4]設計值按下式計算：

F=α×η×γ×V×[(1+CM)×M]0.62

(1)

(2)

(3)

其中，F為輪船撞擊力設計值，MN；α為輪船撞擊力系數，取0.033；η為幾何尺寸的修正系數；γ為撞擊角度的修正系數；V為船舶撞擊速度,m/s；CM為附連水質量系數，船艄正撞時宜取0.1～0.3，側撞時宜取0.5～4.5；M為滿載排水量，t；ΔH為被撞體厚度，m；HS為船艄高度,m；β為統計系數，取4.0；θ為船舶軸線與碰撞面法線夾角，0°≤θ≤45°；α0,b0均為參數，按照規范取值。

船舶撞擊速度按圖2速度曲線采用以下公式計算。

(4)

其中，V為船舶撞擊速度，m/s；VU為船舶在航道內的正常行駛速度,m/s；VL為水域特征流速；x為橋墩中心線至航道中心線的距離,m；xC為航道中心線至航道邊緣的距離,m；xL為航道中心線至3倍船長處的距離,m。

根據所選用的設防代表船型，結合此橋梁的通航情況以及不同噸位船舶可能到達的橋墩、撞擊速度及撞擊水位，本次分析采用如表2所示的工況進行計算。

表2 撞擊力計算工況表

2.2 計算方法與模型

橋梁主體結構船撞效應宜采用質點碰撞法或強迫振動方法計算，船撞計算模型與方法的選取應滿足橋梁抗撞性能驗算的要求[5-6]。本次分析采用規范推薦的強迫振動方法計算，采用有限元軟件進行，該有限元軟件可通過時程分析，添加時間-力的函數節點動力荷載，從而實現強迫振動方法，并得到船撞的動力效應。橋梁主體結構船撞效應計算應采用全橋結構分析模型，并考慮土-基礎的相互作用，根據橋址附近地質情況，采用m法模擬樁基土彈簧作用。

本次計算按照結構實際情況建立全橋有限元模型，采用梁單元進行模擬。有限元模型如圖3所示。

2.3 荷載與組合

1)恒載：結構重力(包括結構附加重力)、橋面鋪裝、人行道及欄桿、防撞護欄等。

2)活載：公路-Ⅰ級。

3)碰撞力：碰撞力按上節要求的荷載數值，縱向撞擊力取橫向撞擊力的0.5倍。

由于肇云大橋為懸索橋，本次驗算考慮運營風荷載，故驗算采用的荷載組合為：1.0×恒載+0.4×汽車荷載+1.0×船舶撞擊作用+1.0×運營風荷載。

3 計算結果

1)工況一：17號南主塔，5 000 t，撞擊速度2.8 m/s，撞擊水位25.13 m。

a.橫橋向撞擊效應見圖4。

b.順橋向撞擊效應見圖5。

根據以上計算效應可以看出，索塔受力最不利位置為塔底截面，樁基礎為樁頂截面，并根據計算結果確定船舶的撞擊效應。

c.截面抗力。

根據原竣工圖，索塔塔底截面、樁基礎截面尺寸及配筋圖來計算截面抗力，其中鋼筋和鋼骨混凝土構件的抗剪承載力按式(5)計算：

Vyd=φs(Vcd+Vwd+Vsd)

(5)

其中，Vyd為構件的抗剪承載力設計值,kN；Vcd為混凝土部分的抗剪承載力設計值,kN；Vwd為箍筋部分的抗剪承載力設計值,kN；Vsd為鋼骨部分的抗剪承載力設計值,kN；φs為抗剪沖擊效應折減系數，取0.7。

構件的彎矩-轉角關系應采用理想彈塑性模型描述,將構件截面的彎矩界限值作為等效屈服彎矩值，采用截面分析軟件計算橋墩及樁基截面的等效屈服彎矩作為截面極限抗彎承載力(見表3)。

表3 偶然組合下索塔、樁基抗彎及抗剪承載能力驗算結果表(工況一)

根據以上計算結果，采用5 000 t級的船舶撞擊索塔時，偶然組合作用下，橋梁索塔和樁基截面抗彎及抗剪承載力均滿足規范[7]要求，索塔截面最小安全系數為1.43。因此在此情況下，橋梁受到船舶撞擊處于安全狀態。

2)工況二：17號南主塔，5 000 t，撞擊速度2.8 m/s，撞擊水位-2 m:采用5 000 t級的船舶撞擊索塔時，偶然組合作用下，索塔受力最不利位置為下橫梁塔柱截面，樁基礎為樁頂截面，在最不利位置處的橋梁索塔和樁基截面抗彎及抗剪承載力均滿足規范要求，低水位撞擊工況最小安全系數為6.82，因此在此情況下，橋梁受到船舶撞擊處于安全狀態。

3)工況三：16號南主塔，5 000 t，撞擊速度1.5 m/s，撞擊水位25.13 m：由于16號南主塔結構與受力形式與17號北主塔一致，受到的撞擊速度和撞擊力均小于17號北主塔，因此在此工況下該索塔與樁基一定是穩定的。

4)工況四：15號北過渡墩，3 000 t，撞擊速度1.5 m/s，撞擊水位25.13 m：采用3 000 t級的船舶撞擊過渡墩時，偶然組合作用下，橋墩受力最不利位置為墩底截面，樁基礎為樁頂截面，在最不利位置處的過渡墩墩身和樁基截面抗彎及抗剪承載力均滿足規范要求，墩身截面最小安全系數為1.95。因此在此情況下，橋梁受到船舶撞擊處于安全狀態。

4 結論

本論文通過現場實地調研分析結合統計調查數據確定了設防代表船型及船撞力的計算；通過規范推薦的強迫振動法，考慮了船撞擊橋的動力效應，采用有限元軟件對肇云大橋抗撞性能進行了驗算分析，得到以下驗算結論：1)在通航孔范圍內，17號南主塔在5 000 t級船舶、航速3 m/s、撞擊力作用于高水位點工況作用時，橋梁結構受力為最不利工況，橋梁索塔及樁基抗撞性能均滿足規范要求，索塔截面最小安全系數1.43。2)在非通航孔范圍內，15號北過渡墩在3 000 t級船舶、航速1.5 m/s、撞擊力作用于高水位點工況作用時，橋梁結構受力為最不利工況，15號過渡墩及樁基抗撞性能均滿足規范要求，過渡墩墩身截面最小安全系數1.95。