對于南京棲霞山長江大橋橋梁防碰撞性能的分析

吳鵬飛

（蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210000）

0 前言

隨著我國公路、鐵路等運輸基礎建設的迅速發展，跨江航道的橋梁數量日益增加，加之船舶大型化的發展，使得船舶發生碰撞的風險也日益增加。根據航道分段標準的統一要求，急需提出各船型、船隊的具體實施范圍，并在此基礎上開展橋梁安全風險隱患自查評估。為響應交通部、江蘇省交通運輸廳、南京市交通運輸局等主管部門的政策，南京公路發展（集團）有限公司針對南京棲霞山長江大橋，即南京長江四橋開展通航安全風險及抗撞性能綜合評估[1]。

1 工程概況

1.1 工程位置

南京棲霞山長江大橋位于長江江蘇南京區段內，在南京長江第二大橋下游約10 km處，距離長江入?？诩s320 km。

1.2 橋型方案

棲霞山長江南京主橋總長28.996 km。其中，長江大橋全長5.448 km，南接段21.86 km，主跨1 418 m三車道吊懸索橋，全部按六車道的標準施工。設計時速100 km。2012年，棲霞山長江南京大橋在2012年12月24日正式開通。

1.2.1 橋型布置

該方案主橋主跨1 418 m，橋跨布置為575+1 418+483=2 476 m（主梁：409+1 418+364=2 191 m)。北側錨碇I.P.樁號AK16+629.785，南側錨碇I.P.樁號AK19+105.785，北塔中心線樁號AK17+204.785，南橋塔中心線樁號AK18+622.785.

在兩岸各錨碇間的凈間距為2 440 m，所有的錨碇都設在了堤壩之外，為保證橋體的安全提供了一定的空間。該橋的主跨處和兩側的側向跨越幾乎涵蓋了全部的河道，并將上下兩條航道布置在主要的航道中。

1.2.2 主體結構

橋梁的索塔為復合式。剛構式索塔的結構形式為拱門式，拱塔采用鋼筋混凝土結構，上下橫梁采用預應力混凝土結構，拱梁和豎桿采用鋼結構。

塔底的設計高度為7.000 m，塔頂設計高為236.400 m，塔冠頂高度為230.600 m。在高聳的頂部，左、右兩根中軸線的間距為34 m，而在底部和右側的中間線的間距為45.5 m。

按索塔的主纜線間距和加勁梁的寬度計算，兩座塔柱橫橋均呈內傾狀態，其傾角為1/38.92。塔柱順橋的橫向寬度從塔基到標高93.000 m，從12.0 m沿拱形過渡到8.8 m，其曲線半徑2 312.1 m；標高93.000 m到頂部8.8 m。橫橋從塔底到塔高48.000 m，從9.0 m沿拱形過渡到6.5 m，塔柱外圓弧形半徑674.7 m，塔柱內部曲線半徑672.6 m；從標高48.000 m到頂部都是6.5 m。橋梁總體布置圖如圖1。

圖1 橋梁總體布置圖

1.3 橋位處船舶通航流量情況

根據交通主管部門提供的船舶流量統計數據，以及我單位在現場得到的船舶流量監測數據結果，南京棲霞山長江大橋橋位處船舶流量統計結果如下：

南京棲霞山長江大橋橋位處日均通行船舶流量為866.2艘；峰值通行流量為66～72艘/h；平均載重噸位為10 380 t；最大噸位為120 000 t（巴拿馬貨船GREEN SAPPHIRE；船型尺度240×37×12.50 m）；累 積頻率85%、90%、95%的船舶噸位分別為18 970 t、20 480 t、24 360 t[2]。南京棲霞山長江大橋通過船舶載重量分布規律如表1。

表1 南京棲霞山長江大橋通過船舶載重量分布規律

進一步分析，通過南京棲霞山長江大橋橋區的船舶以貨船、油輪為主，兩種類型船舶占比分別為86.4%、11.6%。經分析可知，南京棲霞山長江大橋橋位處船舶基本沿著主輔通航孔通行，通航秩序良好。主航道的維修水深為12.5 m，航寬500 m，是一條可用于大船實際吃水4.5 m或50 m的航程。橋位為深水道以北200 m航寬推薦航路，可用于低空吃水4.5 m以下、船長小于50 m的小型船只；南部向下的所有小艇都在向下航行，并盡量沿著紅色浮標連接的一邊向下游航行。但是，在大橋的棲霞山港口，以及金陵石油化工1～8號的船只將會從大橋的南端向下游移動。

2 抗撞性能驗算

2.1 抗撞性能標準

按照《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T3360—02—20）（下文簡稱《抗撞規范》），按船舶碰撞重要性等級和碰撞作用設防程度來決定該橋墩的抗船撞設防指標。經分析，南京棲霞山長江大橋的抗船撞性能等級為JX1；橋梁抗船撞性能要求達到橋梁被防撞船型撞擊后支座可以保持正常功能。

2.2 設防代表船型確定

根據交通運輸部長江航務管理局《長江局關于印發長江干線船舶碰撞橋梁隱患治理自查評估區段通航代表船型船隊的通知》（長航函道〔2021〕84號），橋位處設防代表船型為50 000 t海輪，同時兼顧100 000 t海輪（減載至70 000 t）[2]。

2.3 船舶可達性分析

北塔附近的水下地形高程在-5.3～-4.3 m之間，在最高通航水位7.98 m下，水深為12.28～13.28 m，最大可達50 000 t貨船。

南塔附近的水下地形高程在-14.6～-17.3 m之間，在最高通航水位7.98 m下，水深為22.58～25.28 m，可滿足50 000 t貨船和100 000 t貨船（減載至70 000萬 t）通行。

2.4 有限元模型建立

使用Midas Civil有限元軟件對整體橋梁進行建模，單元性質使用實體單元（墩臺）加梁單元（樁基）模擬建模，模型考慮樁土作用，使用節點彈性支承建立土彈簧以模擬樁土效應。如圖2所示。

圖2 有限元模型建立

2.5 計算條件

2.5.1 船舶排水量

根據規范，船舶排水量和船舶載重量可按下式計算：

散貨船：DWT=0.75-0.85*M。

因此，經換算，船舶排水量取70 000/0.75=93 333.3 t。

2.5.2 撞擊船速

根據前文分析，該報告計算船速取不利值，即25 km/h。

計算質量為93 333.3 t，換算航速為6.94 m/s，根據規范得到70 000 t級代表載重船舶撞擊力時程曲線如圖3。

圖3 撞擊力時程曲線

2.6 撞擊墩臺應力驗算

70 000 t代表船型撞擊工況下，橋墩單元應力分布如圖4所示。

圖4 撞擊墩臺截面應力分布圖（整體坐標系）

從圖4中可以看出，在撞擊向（整體單元坐標系Y向），墩臺撞擊截面最大壓應力位于撞擊點位置，最大壓應力11.11 MPa，整個構筑物上最大拉應力為4.52 MPa；從XY向應力分布可以看出，壓應力與拉應力呈間隔分布，最大拉應力3.95 MPa，最大壓應力2.78 MPa。按C40混凝土抗壓強度設計值（19.1 MPa）、抗拉強度設計值（1.71 MPa）進行控制，撞擊點處墩臺發生局部混凝土拉裂破壞，開裂深度較50 000 t代表船型工況有所增加，承臺混凝土開裂深度約3.4 m左右。

3 結論

根據計算結果顯示：

（1）在70 000 t船舶船型撞擊工況下，墩臺、承臺下部基樁頂部均未開裂；橋墩各構件的抗拉強度、抗剪強度、橋墩最大位移等指標均滿足JX1級防撞要求。

（2）鋼套箱受撞擊截面受到的壓應力均小于抗壓強度，但拉應力大于抗拉強度，局部混凝土受拉開裂。但開裂比例較小，各截面開裂比例為0.14%～0.68%，開裂部位位于撞擊鋼套箱處局部區域，未擴散至橋墩，不影響橋墩的結構性能，且損傷可修復。經評價，橋墩的抗拉強度、抗壓強度、位移等指標均滿足規范要求。

（3）綜上，在現有的防撞鋼套箱結構體系下，南京棲霞山長江大橋受到7 0 000 t級船舶的撞擊能滿足JX1級的防撞性能要求。