云川金沙江大橋防船撞裝置與工程應(yīng)用

袁佩

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶市 400067）

云川金沙江大橋防船撞裝置與工程應(yīng)用

袁佩

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶市 400067）

隨著跨江橋梁的增多及航道的升級(jí),越來(lái)越多的橋梁面臨船撞風(fēng)險(xiǎn)。合適的防撞裝置能增加橋梁的抗沖擊能力,減小橋梁與船舶的事故損失。現(xiàn)介紹云川金沙江大橋的防撞裝置,從消能效果驗(yàn)證、承載力驗(yàn)算等方面進(jìn)行闡述,并列舉工程應(yīng)用實(shí)例,證明該裝置的實(shí)用性。

船撞；復(fù)合材料；防撞裝置；消能

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,高速公路建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展期。與此同時(shí),大量跨江大橋如雨后春筍般紛紛修建起來(lái)。橋梁作為跨越航道的建筑物,對(duì)船舶航行來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一種障礙物。同時(shí),橋梁的建成還會(huì)使橋區(qū)環(huán)境發(fā)生改變,如水流流速、彎道、沖刷、淤積等。而船舶運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展使得現(xiàn)在的通航船舶也開(kāi)始變得愈來(lái)愈大,愈來(lái)愈多。船撞橋事故的發(fā)生是不可避免的,它不但涉及到船舶通行的安全,也會(huì)嚴(yán)重影響著橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。因此,專(zhuān)門(mén)研究橋梁防撞裝置是十分必要的。只有合適的防撞裝置才能增加橋梁的抗沖擊能力,緩和船舶對(duì)橋墩的沖擊作用,最大限度地減少橋梁與船舶的事故及其后果損失。

橋墩防撞裝置主要有一體式、附著式和獨(dú)立式[1,2]。防撞裝置的設(shè)計(jì)需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類(lèi)型、碰撞速度等因素進(jìn)行[3]。

隨著港口規(guī)劃及航道等級(jí)的提升,船舶通航密度、船舶噸位逐年增加,船舶撞擊橋墩的風(fēng)險(xiǎn)也將隨之提高。為降低船撞風(fēng)險(xiǎn),確保橋梁的運(yùn)營(yíng)安全,云川金沙江大橋?qū)ｉT(mén)開(kāi)展了防船撞研究。本文以云川金沙江大橋?yàn)橐劳泄こ?介紹該橋的防船撞裝置及其工程應(yīng)用。

1 工程概況

云川金沙江大橋位于云南省昭通市綏江縣境內(nèi),綏江縣城東側(cè)約3.5 km的金沙江河谷上,為國(guó)家重點(diǎn)水利工程——向家壩電站蓄水淹沒(méi)區(qū),電站蓄水期間被淹沒(méi)后,是綏江縣與四川省屏山縣相連接的金沙江上的唯一橋梁。橋位處江面寬585 m,路面設(shè)計(jì)標(biāo)高距江面最大高度29 m,橋?qū)?3 m,橋跨布置為:（90+190+228+123+60）m連續(xù)剛構(gòu)體系。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 云川金沙江大橋橋型布置圖

2 船橋碰撞數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證復(fù)合材料防撞套箱折減船撞力的效果,采用動(dòng)力數(shù)值模擬法進(jìn)行計(jì)算。相撞結(jié)構(gòu)物之間的碰撞作用采用接觸算法來(lái)完成。在兩個(gè)相撞物體上,分別定義主從接觸面,在計(jì)算過(guò)程中的每一時(shí)間步內(nèi),根據(jù)從屬節(jié)點(diǎn)是否穿透主面來(lái)決定是否在主面上施加一作用力來(lái)阻止從屬節(jié)點(diǎn)繼續(xù)穿透,這個(gè)力即接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元特性。

在船橋碰撞仿真模擬計(jì)算中,混凝土材料偏于保守的采用彈性材料?；炷敛牧喜捎脧椥员緲?gòu)關(guān)系,密度2 500 kg/m3,泊松比0.17。云川金沙江大橋橋墩防撞代表船舶為2 000DWT,撞擊速度選取最大洪水流速4.17 m/s。另外,在建模過(guò)程中還考慮了材料之間的摩擦情況（動(dòng)摩擦系數(shù)0.2,靜摩擦系數(shù)0.3）[4]。建立的船橋碰撞有限元模型如

圖2 船橋碰撞整體有限元模型

圖3 船橋碰撞局部有限元模型

防撞裝置的緩沖效能效果驗(yàn)證設(shè)置了兩種工況,工況1為無(wú)防撞套箱保護(hù),工況2為有防撞套箱保護(hù),撞擊工況見(jiàn)表1。

表1 工況設(shè)置表

船舶撞擊力時(shí)程曲線如圖4、圖5所示,其中圖4為無(wú)套箱保護(hù)的工況,圖5是有套箱保護(hù)的工況。

圖4 船舶撞擊力時(shí)程曲線圖（無(wú)套箱）

圖5 船舶撞擊力時(shí)程曲線圖（有套箱）

從圖4可看出,船舶撞擊力最大值為16.0 MN,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后0.42 s。從圖5可看出,船舶撞擊力最大值為8.3 MN,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后0.92 s。從圖4、圖5可得出,設(shè)置了復(fù)合材料防撞套箱,船舶撞擊力峰值降低,能夠折減48%；撞擊力峰值發(fā)生的時(shí)間延遲,說(shuō)明防撞套箱能夠起到緩沖作用。

橋墩墩頂位移時(shí)程曲線如圖6、圖7所示,其中圖6為無(wú)套箱保護(hù)的工況,圖7是有套箱保護(hù)的工況。

圖6 墩頂位移時(shí)程曲線圖（無(wú)套箱）

圖7 墩頂位移時(shí)程曲線圖（有套箱）

從圖6可看出,橋墩墩頂位移最大值為0.45 m,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后1.7 s。從圖7可看出,墩頂位移最大值為0.26 m,出現(xiàn)在撞擊發(fā)生后2.35 s。從圖6、圖7可得出,設(shè)置了復(fù)合材料防撞套箱,墩頂最大位移減小,折減42%；墩頂位移峰值出現(xiàn)的時(shí)間延遲,說(shuō)明防撞套箱能夠起到緩沖作用。

3 截面內(nèi)力計(jì)算

為了檢驗(yàn)橋墩在設(shè)防船舶撞擊作用下的安全性能,選取設(shè)置了復(fù)合材料防撞套箱的工況,建立橋梁整體有限元模型,輸入第3節(jié)得到的船撞力時(shí)程曲線,進(jìn)而得到橋墩控制截面的最不利內(nèi)力。在2 000 t的船舶撞擊下,墩身和樁基最不利動(dòng)力響應(yīng)見(jiàn)表2,其中軸力負(fù)號(hào)表示受壓。

表2 船撞作用下墩身和樁基最不利動(dòng)力響應(yīng)一覽表

4 承載能力驗(yàn)算

利用恒載和撞擊力荷載下的軸力組合對(duì)橋墩和樁基的控制截面進(jìn)行M－φ分析,得出各控制截面在2 000 t船舶撞擊工況下的屈服彎矩,進(jìn)行截面內(nèi)力驗(yàn)算。為了偏于保守,確保結(jié)構(gòu)抗船體撞擊性能,取恒載和船撞作用組合軸力的最不利值進(jìn)行屈服彎矩的計(jì)算。

在2 000 t的船舶撞擊作用下,主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生損傷,保持在彈性范圍。墩身和樁基的動(dòng)力響應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3,其中軸力負(fù)號(hào)表示受壓。

表3 船舶撞擊下最不利彎矩驗(yàn)算結(jié)果一覽表

5 工程應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合材料防撞套箱的實(shí)用性及可行性,將該防撞裝置應(yīng)用于云川金沙江大橋的防船撞工程上。防撞套箱的施工方式采用水上拼裝,選擇在水流速度小,晴天,風(fēng)力較小的情況下進(jìn)行。圖8為復(fù)合材料防撞套箱水上拼裝之實(shí)景,圖9為拼裝完成后的實(shí)橋之實(shí)景。

圖8 防撞套箱水上拼裝之實(shí)景

圖9 防撞套箱拼裝完成后的實(shí)橋之實(shí)景

6 結(jié)語(yǔ)

本文以防撞裝置消能效果驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算和工程應(yīng)用方面對(duì)云川金沙江大橋的防船撞裝置進(jìn)行了描述,介紹了一種既能保護(hù)橋墩又能保護(hù)船舶的“雙保護(hù)”復(fù)合材料防撞套箱。數(shù)值模擬計(jì)算得出該防撞套箱可折減48%左右的船舶撞擊力,表明該裝置具有良好的防撞效果。此外,復(fù)合材料防撞套箱在云川金沙江大橋上的成功應(yīng)用也證明了該裝置的工程實(shí)用性。

[1]DBJ/T50-106-2010,重慶市三峽庫(kù)區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計(jì)指南[S].

[2]王君杰,耿波.橋梁船撞概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與措施[M]．北京:人民交通出版社,2010.

[3]耿波,王福敏,汪宏.三峽庫(kù)區(qū)橋梁船撞技術(shù)與工程實(shí)踐[M]．北京:人民交通出版社,2016.

[4]耿波,徐龍.粉房灣長(zhǎng)江大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究[J].橋梁建設(shè),2012,42（增刊1）:7-12.

U443.86

B

1009-7716（2017）07-0276-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.084

2017-03-27

袁佩（1985-）,男,重慶人,碩士,工程師,從事橋梁防撞研究工作。