通航橋梁抗船撞性能及應對策略分析

2023-12-29 00:00:00夏旖琪陳冰顏石寬

西部交通科技 2023年6期

作者簡介：夏旖琪（1992—），碩士，工程師，主要從事道路與橋梁工程專業設計工作。

摘要：文章以廣西某通航橋梁為例，通過數值模擬分析該橋梁在設防船型撞擊條件下的結構抗力、動力響應特征，并以此進行橋墩防撞能力驗算及防撞策略分析。計算結果表明：在規劃5 000噸級內河船舶的碰撞作用下，橋墩樁基產生的軸拉力超過恒載軸力，橋墩原有最大撞擊抗彎能力僅為需求值的1/10～1/3；設置主動分離式防撞墩及被動超高、偏航提醒系統可提升大橋防船撞能力，有效避免船撞事故引起的橋梁安全問題。

關鍵詞：抗船撞性能；橋墩撞擊；船撞預防

中圖分類號：U446.2A351183

0 引言

近年來，為治理跨航道橋梁及橋區水域航道的水上交通安全隱患，交通運輸部在2021年要求全面排查和治理船舶碰撞橋梁安全隱患。本文以廣西某通航橋梁為例，針對通航大橋橋墩在新規劃通航條件下的防撞需求，建立橋梁-船撞有限元模型，采用動力數值模擬法分析了船舶對橋梁基礎的碰撞情況，研究橋墩在船撞條件下的力學變化特征，并提出橋墩的防船撞需求能力與防撞能力的比值關系，以此對該橋防撞策略進行分析，為同類船舶碰撞橋梁隱患治理提供依據。

1 工程概況

某通航大橋跨徑組合為（19×16） m+60 m+（3×100） m+60 m+（3×16） m，全橋長785.5 m。主橋為平行弦雙層橋面預應力混凝土連續剛桁，引橋車行道為跨徑16 m的預應力混凝土小箱梁。主橋墩為樁徑2.2 m的4樁式高樁橋墩，橋臺為重力式漿砌片石U形橋臺。通航孔為22^#、23^#跨（21^#、22^#、23^#橋墩），雙孔單向通航。原橋在21^#、22^#、23^#橋墩的墩身周圍設置了D型橡膠護舷防撞設施，原設防橋型為1 000 t級內河船，現規劃通航5 000 t級內河船舶，需要進行橋梁防撞能力評價。

2 橋梁防船撞力計算

2.1 設防目標、代表船型和速度

該通航大橋橋墩在原設計時采用10^-4撞損頻率，其年倒塌可接受風險確定為L2=1×10^-4，橋梁船撞重要等級取C1級。根據《公路橋梁抗撞設計規范》（JTGT 3360-02-2020）（以下簡稱《規范》）的規定，橋梁抗船撞設防目標為P1等級，各構件的抗船撞性能等級為JX1。現規劃通航代表船型為5 000 t級內河船舶，滿載排水量為6 700 t，代表船型的船長尺寸為90 m。橋區的水流速度在最高通航水位時約為1.42～2.69 m/s，最低通航水位時約為0.04～0.09 m/s。計算船撞力時，最高通航水位水流速度取均值2.055 m/s，最低通航水位水流速度取均值0.065 m/s。

2.2 船撞力計算

根據概率-風險經驗模型分析方法，計算3倍船長范圍內風險橋墩的設防船撞力。具體等效靜力計算結果見表1。

3 橋梁抗撞能力模擬計算

采用LS-DYNA軟件進行橋墩-船舶碰撞計算，通過接觸算法來分析相撞結構之間的相互作用^［1^］。在有可能發生接觸作用的結構之間設置主從接觸面，且分別定義在兩個不同的結構上。計算時，檢查從屬節點是否穿透主面，若未穿透則繼續計算，否則在主面的垂直方向施加一個作用力來阻止從屬節點進一步穿透。作用力的大小取決于穿透量和接觸面兩側單元屬性^［²^］。

3.1 船舶計算模型及參數

船艏結構按實際建模，對距船艏較遠的不直接參與碰撞的船體部分以剛體代替^［3^］。船舶船艏的有限元模型

如圖1所示。船艏鋼板結構采用殼單元模擬，鋼材屈服強度為330 MPa，切線模量為2×105 MPa，割線模量為870 MPa，斷裂應變取0.3，不直接參與碰撞的船體設置為剛體。

3.2 橋梁結構計算模型及參數

根據《規范》的要求，橋梁下部結構中的橋墩與承臺是被撞部位，采用實體單元模擬。該通航大橋為預應力鋼筋混凝土桁架橋，除橋墩與承臺外，混凝土桁架主要起到傳遞荷載的作用，采用梁單元模擬；橋面板則采用殼單元模擬。模型考慮土-基礎的相互作用，樁基和土層分別采用梁單元和彈簧單元模擬，土彈簧剛度系數的計算采用m法計算確定^［4^］。由于受到河床沖刷作用，可能導致橋墩橫向剛度減小，為保守起見計算模型采用去除部分上部土層相應土彈簧來考慮河床沖刷作用對橋梁抗撞能力的影響。橋梁有限元模型見圖2～3，主要材料參數見表2。

3.3 大橋船撞仿真計算及分析

計算不同水位（高水位、中水位、低水位）下，5 000噸級船舶撞擊橋墩（P20、P21、P22、P23）的情況。計算角度選擇與橫橋方向夾角0°（正撞）和30°（斜撞）。不同工況下，主要結構的動力響應計算結果見表3。根據《規范》要求，在3倍船長范圍內涉水橋墩的抗彎和抗剪承載力二者計算值均應大于船撞產生的效應值（需求值），才能滿足防船撞性能的要求，反之則不滿足。驗算結果列于下頁表4。

表3結果表明：撞擊過程中樁基產生的軸拉力超過恒載軸力，處于不穩定狀態。表4抗撞性能驗算結果顯示，在3倍船長范圍內涉水橋墩的抗彎能力僅為需求值的12%～31%，橋梁的抗船撞能力與船撞作用效應相差較大。這主要是因為原橋梁設計通航等級僅為3級，對應設防代表船型為1 000噸級船舶，遠低于現規劃的5 000噸級船舶的要求；船舶的大型化導致船撞力荷載顯著提升，同時在低水位條件下，船舶可撞到墩柱樁基，導致被撞樁基受到較大撞擊力。

4 通航橋梁防撞應對策略

通過上述驗算表明，該橋不滿足規劃5 000噸級內河船舶通航條件下的抗撞性能要求，需對抗船撞性能進行提升。目前，橋墩防撞設計主要采用能量吸收、動量緩沖來降低橋梁的船撞破壞。根據船舶撞擊作用是否傳遞到橋梁結構分為附著式和獨立式兩大類。附著式安裝在墩身或承臺外圍，能有效緩沖和分散船舶撞擊力，阻擋船舶撞擊力直接作用在墩身或承臺上，但橋墩仍會承受一定的船撞力。獨立式是在橋墩外側獨立設置防撞裝置承受船舶撞擊作用，能確保船撞力不會傳遞到橋墩上。

4.1 橋墩防撞設施方案比選

方案一：分離式防撞墩。該結構對橋梁結構沒有影響，撥轉導向浮箱不僅能夠消耗一定的船舶撞擊能量，還能夠對斜向偏航的船舶撥正方向，更好地保護橋梁結構和船舶的安全。此外，分離式防撞墩的防護范圍不受橋墩形狀的影響，可以對抗撞性能不滿足要求的樁基礎形成有效防護，避免船舶撞擊樁基礎。

方案二：浮式柔性防撞。該防撞體系依托于橋墩，能夠直接將能量通過該設施傳遞給橋墩，但該通航大橋橋墩抗彎和抗剪承載力與船撞效應值相差較大，且防撞裝置占用通航凈寬范圍過大，不建議單獨采用^［5^］。

4.2 信息化防撞策略方案

針對大橋通航凈空不滿足規范要求，且非通航孔橋墩抗撞性能不滿足要求的情況，可以采用主動防撞系統和被動保護裝置有機結合的防撞方案，構成完整的橋梁防護系統。見表5。

（1）凈高不足：建立船舶超高預警系統，采用雙層預警系統；

（2）凈寬不足以及非通航孔橋墩抗撞性能不滿足要求：建立船舶偏航預警系統。

5 結語

（1）橋墩的抗船撞性能應隨航道通航等級擴容升級同步提升。該橋梁建設時，橋位航道通航等級為Ⅲ級，對應設防代表船型為1 000噸級，遠小于航道規劃等級所需設防的代表船型。船舶的大型化導致船撞力荷載顯著提升，因此橋梁抗船撞性能也需提升。

（2）數值模擬計算表明，5 000噸級內河船舶在3倍船長范圍內涉水橋墩的抗船撞性能均不滿足要求，該橋存在較大的安全隱患，需設置防撞裝置。

（3）建議采用主動防撞系統與被動保護裝置（分離式防撞墩）有機結合的防撞方案，構成完整的橋梁防護系統。

參考文獻