萬州長江公路大橋防撞裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及通航凈空尺度

林 江,母德偉,余 葵,劉 洋,李 俊

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,重慶 400016;2.長江上游水文水資源勘測局,重慶 400014)

萬州長江公路大橋防撞裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及通航凈空尺度

林 江1,母德偉1,余 葵1,劉 洋1,李 俊2

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,重慶 400016;2.長江上游水文水資源勘測局,重慶 400014)

為了研究萬州長江公路大橋防撞裝置的通航適應(yīng)性,分別采用有限元軟件ABAQUS、物理模型試驗(yàn)等方法對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及通航凈空進(jìn)行了分析。模型計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明,船舶撞擊防撞帶后,防撞帶保持了較好的完整性,船舶也未出現(xiàn)擦刮大橋拱圈和自身翻覆現(xiàn)象,滿足橋、船和防撞設(shè)施“三不壞”原則,防撞裝置對(duì)大橋能進(jìn)行有效地防撞保護(hù)。

防撞裝置;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;通航凈空;萬州長江公路大橋

萬州長江公路大橋位于重慶市萬州主城區(qū)上游7 km黃?？滋?處于三峽水庫常年回水區(qū),是國家“兩縱兩橫”主干線之一的318線上跨長江的一座特大型橋梁,1994年5月1日正式動(dòng)工,1997年建成通車。該橋?yàn)橹骺?20 m的鋼筋混凝土上承式拱橋,全長856.12m,總寬24m,凈矢高84.0m,凈矢跨比1/5,主拱圈高7 m,寬16 m,是同類橋梁中同期世界最大跨徑的鋼筋混凝土拱橋。

萬州長江公路大橋?yàn)殇摻罨炷料湫凸皹?拱圈、立柱均采用矩形鋼筋混凝土薄壁箱型結(jié)構(gòu),大橋自身順?biāo)鞣较蚩棺材芰^弱。三峽水庫正常蓄水后,該橋位于三峽水庫常年回水區(qū),因拱腳高程較低(僅152.59m),隨著三峽水庫175m蓄水運(yùn)行,大部分時(shí)間內(nèi)大橋拱圈將被部分淹沒,橋下通航尺度進(jìn)一步縮小。由于三峽蓄水后庫區(qū)運(yùn)行船舶載質(zhì)量不斷增大,一旦船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱,將極易導(dǎo)致拱橋垮塌,引發(fā)極為嚴(yán)重的安全事故,為防止此類惡性事件的發(fā)生,萬州長江公路大橋橋梁防撞裝置的建設(shè)就顯得尤為重要。萬州長江公路大橋防撞設(shè)施采用弧形水上升降式防撞裝置,本文通過結(jié)構(gòu)分析、模型試驗(yàn)等方法,對(duì)該裝置的通航適應(yīng)性進(jìn)行研究。

1 防撞裝置結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析

歷史上有大承臺(tái)、人工島等行之有效的防撞設(shè)施,對(duì)大橋起到了很好的保護(hù)作用;后來出現(xiàn)木柵、鋼鏈和浮舟等設(shè)施,希望除了保護(hù)橋之外也保護(hù)船,但這些設(shè)施都比較易損壞。為了橋、船和防撞設(shè)施三者都不易損壞,就出現(xiàn)了會(huì)后退的外剛內(nèi)柔的“三不壞”防撞裝置[1]。

萬州長江公路大橋防撞設(shè)施工程采用弧形水上升降式防撞裝置,該裝置是一種新型的橋梁防撞裝置,其主要特點(diǎn)是獨(dú)立于橋梁設(shè)置,對(duì)橋梁進(jìn)行區(qū)域性防護(hù),可隨庫區(qū)水位自適應(yīng)升降,并滿足“三不壞”防撞要求。

1.1 防撞裝置結(jié)構(gòu)

弧形水上升降式防撞裝置主要由防撞帶、浮筒與導(dǎo)向井三大部分組成[2],如圖1所示。該裝置防護(hù)范圍為最高通航水位時(shí),大橋通航凈高不足18 m的拱圈以及淹沒的拱座和立柱。設(shè)計(jì)防撞帶弧形結(jié)構(gòu)半徑為106 m,跨徑210 m,矢高為91.48 m,矢跨比1∶2.3,兩岸防撞帶沿橋軸線方向凈距為310 m。

圖1 弧形水上升降式防撞裝置三維示意圖

防撞帶為該裝置的主體部分,為弧形中空雙層鋼管結(jié)構(gòu),具備自浮能力,外層鋼管直徑4.0 m,浮出水面高度為2.0 m,可吸收和傳遞船舶碰撞力。當(dāng)船舶斜撞時(shí)可適當(dāng)撥開船頭,使船舶改變航行方向,減輕船舶受損程度,吸收船舶碰撞力,防止船舶進(jìn)入橋梁保護(hù)區(qū);當(dāng)船舶正撞時(shí)可防船舶翻爬,利用自身緩沖特性減輕船舶受損程度,避免船舶進(jìn)入橋梁保護(hù)區(qū)。

浮筒為鼓形中空多艙室全鋼結(jié)構(gòu),固定于防撞帶端部,置于導(dǎo)向井內(nèi),具備自浮能力,隨水位變化沿導(dǎo)向井內(nèi)壁升降。浮筒可緩沖防撞帶傳遞的船舶碰撞力,在整個(gè)防撞裝置中起平面約束、縱向?qū)蜃饔谩?/p>

導(dǎo)向井為開口式中空混凝土柱結(jié)構(gòu),通過對(duì)浮筒的平面定位與豎向?qū)?使防撞帶在導(dǎo)向井開口位置處隨水位升降,并承擔(dān)、吸收和傳導(dǎo)防撞帶經(jīng)由浮筒傳遞至導(dǎo)向井的作用力。

1.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

目前,解決船橋碰撞問題的研究成果有經(jīng)典的Minorsky理論、漢斯-德魯徹理論、各種簡化解析方法、簡化內(nèi)部機(jī)理的數(shù)值解法、試驗(yàn)方法和有限元方法等[3-8],其中有限元法可反映的碰撞物理現(xiàn)象最為完備,得到的計(jì)算結(jié)果也最為準(zhǔn)確[9-11]。由于本研究中船與防撞裝置的碰撞問題涉及結(jié)構(gòu)、材料以及船舶碰撞過程的非線性問題,因此模擬分析采用了以計(jì)算非線性問題見長的有限元軟件ABAQUS[12]。

1.2.1 計(jì)算水流條件

根據(jù)三峽水庫調(diào)度方案,水庫汛期限制水位一般為145 m,但對(duì)于大于56700 m3/s的流量,按照三峽水庫分級(jí)調(diào)度、補(bǔ)償調(diào)節(jié)的方式,水庫將開始蓄洪運(yùn)用,保證沙市流量不超過56700 m3/s,在此情況下壩前水位將高于145 m。汛后水庫壩前水位逐漸蓄至175 m。因此,為模擬實(shí)際使用時(shí)的最不利工況,計(jì)算水位為151.8 m(三峽壩前水位145 m時(shí)橋位水位),流量56700 m3/s。

1.2.2 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載組合主要考慮永久荷載、可變荷載及偶然荷載,其中,永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重和浮力,可變荷載包括風(fēng)荷載、流水壓力及波浪作用,偶然荷載為設(shè)計(jì)代表船舶撞擊荷載。本文考慮船舶撞擊防撞帶的典型部位主要有拱頂、距拱頂1/8弧長處、距拱頂1/4弧長處、距拱頂3/8弧長處4個(gè)位置,如圖2所示。

圖2 船舶撞擊典型部位

1.2.3 計(jì)算模型與參數(shù)

萬州長江公路大橋防撞設(shè)施共涉及2種混凝土材料和2種鋼質(zhì)材料,各材料基本參數(shù)見表1。

萬州長江公路大橋防撞裝置設(shè)計(jì)船型標(biāo)準(zhǔn)為5000 t級(jí)船舶,選用5 000 t級(jí)球鼻艏船舶作為計(jì)算代表船型,該船總長110m,型寬19.2m,吃水4.3 m。5000 t級(jí)球鼻艏船舶有限元模型如圖3所示,單元總數(shù)58019,節(jié)點(diǎn)總數(shù)38 472。萬州長江公路大橋防撞裝置依據(jù)1.1節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建模。

表1 材料基本參數(shù)

圖3 5000 t級(jí)球鼻艏船舶有限元模型

1.2.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果,5 000 t級(jí)球鼻艏船撞擊防撞帶時(shí),由于船舶撞擊沖量較大,防撞帶產(chǎn)生較大的塑性變形,最大變形位移為5.03m,防撞帶通過結(jié)構(gòu)變形,吸收了船舶的較大部分能量。防撞帶所用Q345D鋼的最大Mises應(yīng)力為445MPa,未超出Q345D鋼的抗拉強(qiáng)度,說明設(shè)計(jì)的防撞帶在5 000 t級(jí)船舶撞擊力作用下產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的塑性變形,但未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,仍能對(duì)大橋進(jìn)行有效保護(hù),滿足防撞裝置自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。表2和圖4分別為5000 t級(jí)球鼻艏船舶下行撞擊右岸防撞帶計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力云圖。

表2 5000 t級(jí)球鼻艏船舶下行撞擊右岸防撞帶計(jì)算結(jié)果

2 通航凈空尺度

2.1 通航凈高

萬州長江公路大橋橋區(qū)河段航道等級(jí)為Ⅰ-(2),考慮三峽水庫運(yùn)行100 a泥沙淤積的基礎(chǔ)上,橋位處最高通航水位(20年一遇洪水)為174.22 m。根據(jù)GB50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》,Ⅰ-(2)級(jí)航道水上過河建筑物需滿足通航凈高18 m、側(cè)高7 m的要求。由于防撞帶為浮式結(jié)構(gòu),且船體外形為上寬下窄的光滑流線型,船首還具有上傾下凹的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),失控船舶有部分船體進(jìn)入防撞帶防護(hù)范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn),因此GB50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)側(cè)高的規(guī)定在這種情況下并不適用。

圖5為萬州長江公路大橋防撞方案立面布置,可以看出,最高通航水位174.22 m時(shí),橋下通航凈高大于18.42 m,滿足GB 50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ-(2)級(jí)航道通航凈高18 m的要求。

圖4 5000 t級(jí)球鼻艏船舶下行撞擊右岸防撞帶應(yīng)力云圖

圖5 防撞方案立面布置(單位:m)

2.2 通航凈寬

萬州長江公路大橋位于水庫常年回水區(qū),枯水期壩前水位蓄至175 m時(shí),工程河段通航水流條件好,但橋下通航凈空尺度最小;汛期壩前水位降至防洪限制水位145 m時(shí),工程河段通航水流條件相對(duì)較差,對(duì)通航凈寬的需求最大。表3為上述兩種情況下橋下通航凈寬需求,計(jì)算公式參見GB 50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄C。

表3 不同船舶及船隊(duì)組合情況下通航凈寬分析

萬州長江公路大橋防撞工程建成后,各級(jí)水位條件下兩岸防撞帶沿橋軸線方向凈距為310 m,由表3可知可滿足5 000 t級(jí)單船雙向通航、5 000 t級(jí)單船與大型船隊(duì)的交會(huì)及大型船隊(duì)單向通航凈寬要求。為確保橋區(qū)河段船舶航行安全及大橋自身安全,應(yīng)禁止大型船舶在大橋水域交會(huì)。

2.3 自航船模與防撞設(shè)施碰撞試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究船舶與防撞帶撞擊后,萬州長江公路大橋通航凈空尺度方案是否合理,以及防撞設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性等因素,采用自航船模和整體水工模型相結(jié)合的方式(模型比尺為1∶100)研究不同通航水流條件下,不同船型撞擊防撞帶的典型部位時(shí),防撞帶的防撞效果和船舶的狀態(tài)。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)枯水期三峽水庫壩前水位175m,遇同期百年一遇洪水(流量28400m3/s,橋位水位174.22 m)時(shí),5000 t級(jí)單船可安全通過防撞帶拱頂附近水域而不至于擦刮大橋拱圈,即使遇到輕載或空載情況也可采取臨時(shí)倒桅等措施避免船舶上層建筑擦刮大橋拱圈,如圖6所示。

圖6 5000 t級(jí)單船撞擊拱頂

在流量28400m3/s、橋位水位174.22m(最高通航水位)和流量56700 m3/s、橋位水位151.80 m(通航水流條件最差)兩種典型工況下,船舶撞擊防撞帶后航行情況如表4所示。從表4可以看出,各種工況下船舶均未出現(xiàn)擦刮大橋拱圈和自身翻覆現(xiàn)象,僅在1000 t級(jí)自航貨船分別碰撞防撞帶距拱頂1/4和3/8弧長處時(shí),船舶會(huì)略為斜向上爬或徑向上爬至防撞帶上部4～12 m(船身長度),但均不會(huì)出現(xiàn)翻覆或是接觸大橋拱圈的情況,不會(huì)危及大橋安全,且防撞帶也保持了較好的完整性,滿足自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。

表4 船舶撞擊防撞帶后船舶運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

a.萬州長江公路大橋?yàn)殇摻罨炷料湫凸皹?處于三峽水庫常年回水區(qū),隨著三峽水庫壩前蓄水位的抬高,橋下通航尺度不斷縮小,為防止失事船舶撞擊拱圈引發(fā)嚴(yán)重的安全事故,萬州長江公路大橋橋梁防撞裝置的建設(shè)極為重要。

b.萬州長江公路大橋防撞設(shè)施工程采用弧形水上升降式防撞裝置,可隨庫區(qū)水位自適應(yīng)升降,有限元軟件ABAQUS計(jì)算結(jié)果表明,設(shè)計(jì)5000 t級(jí)船舶撞擊防撞帶后,仍保持了防撞帶較好的完整性,滿足防撞裝置自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。

c.萬州長江公路大橋防撞裝置建成后,滿足GB 50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ-(2)級(jí)航道通航凈高18m的要求,以及5000t級(jí)單船與大型船隊(duì)的交會(huì)要求。自航船模和整體水工模型相結(jié)合的試驗(yàn)也表明船舶撞擊防撞帶后,船舶均不會(huì)出現(xiàn)擦刮大橋拱圈和自身翻覆現(xiàn)象,滿足“三不壞”防撞要求。

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Structural stability and navigable clearance of anti-collision device of Wanzhou Yangtze River Highway Bridge//

LIN Jiang1,MU Dewei1,YU Kui1,LIU Yang1,LI Jun2(1.Southwest Hydraulic Engineering and Science Research Institute for Waterways,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016,China;2.Upper Yangtze River Survey Bureau of Hydrology and Water Resources,Chongqing 400014,China)

In order to study its navigation adaptability,the structural stability and navigation clearance of an anti-collision device of the Wanzhou Yangtze River Highway Bridge were analyzed by means of the finite element software ABAQUS and a physical model.The calculated and experimental results show that the anti-collision belt maintains the structural integrity after being hit by a ship,and the ship can pass through the bridge safely without rubbing the bridge arch.Thus,the anticollision device of the Wanzhou Yangtze River Highway Bridge can meet the security requirements of the ship and the bridge,as well as its own,and it can provide effective protection for the reservoir bridges.

anti-collision device;structural stability;navigable clearance;Wanzhou Yangtze River Highway Bridge

10.3880/j.issn.10067647.2013.02.013

U447

A

10067647(2013)02005904

2012-06-07 編輯:熊水斌)

林江(1983—),女,四川南充人,助理研究員,碩士,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:jianglin0508@126.com