某連續剛構橋防船撞設計方案研究*

阮云龍, 張恒

(1.佛山市三水區公路養護中心, 廣東 佛山 528100;2.佛山市交通運輸事務中心,廣東 佛山 528000;3.廣州大學 土木工程學院, 廣東 廣州 510006)

近年來,船撞橋事故不斷發生,給人民生命財產安全造成嚴重威脅[1]。文獻[2-6]通過航道條件分析、通航環境分析、設防代表船型及撞擊力研究,采用現場調查、有限元模擬、概率風險分析等方法對通航橋梁安全風險及橋梁抗撞性能進行了評估。有些學者對橋梁防船撞設計及相關加固方法進行了研究,如王淑等利用紅外光、可見光、激光復合探測及多源數據融合技術建立橋梁防船撞主動預警系統,實現橋梁防船撞主動預警,減少船撞橋概率[7];陳龍濤以梅山水道橋主墩承臺為研究對象,對可能撞損的部位設置SA400橡膠護舷進行局部防護,計算結果表明該方法可延緩船頭與橋墩相撞時間、降低撞擊力、保護承臺、分散應力集中[8];王紀鋒等以京港澳(北京—香港—澳門)高速公路沙河大橋橋墩為研究對象,設計自浮式鋼覆復合材料防撞設施,有限元計算結果表明該設施可有效提高橋墩抗撞能力[9];劉政偉等通過參數敏感度分析優化防撞結構尺寸,并采用顯式有限元法驗證了樁式橋梁防船撞設施設計方案的合理性[10]。本文根據某大跨徑連續剛構橋抗船撞驗算結果及所在航道代表船型研究防船撞設計標準和防船撞加固措施。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某大跨徑連續剛構橋全長3 001 m,分左右兩幅,單幅凈寬16 m,分為主橋、南引橋和北引橋。主橋采用預應力混凝土連續剛構,跨徑組合為62 m+2×100 m+62 m;兩端引橋分別采用20 m空心板梁、30 m簡支小箱梁、連續箱梁(28.0 m+40.0 m+28.0 m、27.5 m+2×40.0 m+27.5 m、4×45.0 m、5×45.0 m、43.0 m+50.0 m+43.0 m)、預應力混凝土連續剛構(49 m+82 m+49 m)。2007年建成通車。

主墩墩身采用單薄壁、分離式空心墩,承臺以上設9 m實心段,承臺為左右幅整體式承臺,基礎為12根D200 cm鉆孔灌注樁。過渡墩采用分離式薄壁空心墩,基礎為4根D150 cm鉆孔灌注樁。墩柱構造見圖1。等高度連續箱梁橋墩采用花瓶墩,基礎為鉆孔灌注樁。20 m空心板梁、30 m簡支小箱梁墩身采用分離式雙柱墩,基礎為鉆孔灌注樁。墩身、承臺采用C40混凝土。

圖1 墩柱構造橫斷面(單位:cm)

主橋及引橋的單箱單室箱梁采用盆式支座。全橋采用型鋼伸縮縫,橋面鋪裝為瀝青混凝土。

1.2 航道概況

橋梁設計時橋位處航道等級為Ⅲ級,代表船型為1 000 t級駁船,對應船型尺度為67.5 m×10.8 m×2.0 m(總長×型寬×滿載吃水)。現狀航道等級為Ⅱ級,代表船型為2 000 t級駁船,船型尺度為75.0 m×14.0 m×2.6 m,航道維護尺度為4.0 m×80.0 m×400.0 m(水深×航寬×彎曲半徑),維護水深年保證率為98%,航道中心線與橋梁中心線的夾角為92°。

2 橋梁抗船撞驗算

2.1 計算模型

按照結構實際情況建立主橋MIDAS/Civil有限元模型,主梁采用梁單元模擬。建立樁基全長模型,并考慮一般沖刷對樁基的影響,土體對樁基的作用采用土彈簧約束模擬。采用JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設計規范》[11]推薦的強迫振動法進行驗算,撞擊點為距離承臺頂面8.7 m,1 000 t級、2 000 t級駁船撞擊速度分別取4.84 m/s、4.82 m/s。采用MIDAS/Civil中時程分析方法,輸入節點動力荷載,計算得到相應船撞效應值。主橋有限元模型見圖2,強迫振動時程函數見圖3。

圖2 主橋MIDAS/Civil有限元模型

圖3 2 000 t級駁船撞擊下強迫振動時程函數示意圖

2.2 驗算結果

原設計1 000 t級駁船及現狀2 000 t級駁船撞擊計算結果見表1、表2。

表1 1 000 t級內河船撞擊計算結果

表2 2 000 t級內河船撞擊計算結果

由表1、表2可知:采用高水位撞擊點(1 000 t級內河輪船)撞擊橋梁主墩時,偶然組合作用下,主墩的墩身及樁基承載力均滿足要求,墩身截面最小安全系數為4.5,樁基截面最小安全系數為1.6。采用高水位撞擊點(2 000 t級內河輪船)撞擊橋梁主墩時,偶然組合作用下,67#橋墩的樁基承載力不滿足要求,樁基截面最小安全系數為0.8,部分樁基剪跨比小于1.5,出現斜壓破壞,屬于剪力脆性破壞;68#橋墩的樁基承載力不滿足要求,樁基截面最小安全系數為0.9,部分樁基剪跨比小于1.5,出現斜壓破壞,屬于剪力脆性破壞;69#橋墩的墩身及樁基承載力均滿足要求,墩身截面最小安全系數為3.0,樁基截面最小安全系數為1.1。

3 橋梁防船撞加固設計

3.1 設計目標

根據橋梁所在航道通航等級、上下游橋梁影響、橋址沖刷、樁基結構形式、實際通航船舶噸位及船舶流量等情況確定防船撞設計標準如下:

(1) 對于主通航孔主墩,結合現狀航道等級,滿足2 000 t級內河船代表船型要求,不滿足時采取措施進行整治提升。

(2) 對于非通航孔過渡墩,維持現狀防撞能力,適當增加防撞措施,減少混凝土結構局部破損,保護船舶。

(3) 對于非通航孔引橋墩,結合主動防撞預警系統、航標等進行防護,暫不采取被動防撞措施。

3.2 設計方案

根據設計目標制定表3所示各橋墩防船撞加固方案。

表3 防船撞加固方案

3.3 主墩防船撞設計

對于67#～69#主墩,承臺增設固定式復合材料防撞塊,墩身增設自浮式復合材料柔性防撞套箱,保護橋梁混凝土結構,減小對船舶的損傷。增設的自浮式復合材料柔性防撞套箱及固定式復合材料防撞塊均采用橘紅色,起到警示、誘導作用。主墩防船撞設施布置見圖4。

圖4 主墩防船撞設施布置示意圖

3.4 過渡墩防船撞設計

對于66#、70#過渡墩,左右幅承臺采用型鋼或鋼管連接,適當增強橫橋向抗船撞能力;承臺、墩身橫橋向正面、臨近通航孔側一面增設黑色橡膠護舷,保護橋梁混凝土結構,減小對船舶的損傷(見圖5、圖6)。

圖5 過渡墩承臺工字鋼連接

圖6 過渡墩防船撞護舷布置示意圖

4 加固后驗算

采用上述方案對67#～69#主墩進行加固后,對墩身防撞套箱采用消能30%進行驗算,所施加撞擊力進行相應折減。加固后2 000 t級內河輪船撞擊橋梁主墩時驗算結果見表4。

表4 主墩加固后2 000 t級內河輪船撞擊時驗算結果

從表4可以看出:在保證墩身防撞套箱消能不低于30%時,高水位撞擊點(2 000 t級內河輪船)撞擊橋梁主墩時,偶然組合作用下,墩身和樁基承載力均滿足要求,墩身截面最小安全系數為3.1,樁基截面最小安全系數為1.1。

5 結論

本文以某大跨徑連續剛構橋為研究對象,研究主橋在原設計1 000 t級、現狀2 000 t級代表船型撞擊力作用下的性能標準,確定主橋承臺增設固定式復合材料防撞塊、墩身采用自浮式復合材料柔性防撞套箱,過渡墩承臺采用型鋼或鋼管連接及承臺、墩身橫橋向正面、臨近通航孔側一面增設橡膠護舷的加固措施,驗算結果表明在保證防撞套箱消能不低于30%、防撞塊橫橋向消能不低于25%時,該加固方法可行。