朱亭湘江大橋橋墩防撞方案研究

龍海濱，劉漢彪

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410008）

1 項(xiàng)目概況

朱亭湘江大橋建成于2000年是潭耒高速跨湘江的特大橋梁［1］，全長(zhǎng)832 m，主橋上部為60 m＋3×90 m＋60 m預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆箱梁，下部為雙柱墩配樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)通航等級(jí)為Ⅲ級(jí)，通航船舶噸級(jí)為1 000 t，通航孔橋墩為16＃—18＃橋墩，如圖1所示。

2015年經(jīng)交通部批準(zhǔn)，湘江二級(jí)航道二期工程 （衡陽(yáng)—株洲）項(xiàng)目河段航道等級(jí)提高到Ⅱ（3），通航船舶噸級(jí)提高到2 000 t，故需對(duì)朱亭湘江大橋通航孔橋墩按2 000 t級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防撞方案研究，并采取必要的橋墩保護(hù)措施，以加強(qiáng)橋梁通航孔橋墩的安全度，并確保船舶通航安全。

圖1 朱亭湘江得大橋橋型總體布置圖 （主通航孔）Figure 1 General layout of Zhuting Xiangjiang bridge（Main navigable spans）

2 撞擊力和抗力

2.1 撞擊力

輪船撞擊橋梁是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程［2-7］，科學(xué)的確定船舶動(dòng)態(tài)撞擊力是防撞研究的關(guān)鍵。為此本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外5個(gè)常用規(guī)范公式以及有限元碰撞動(dòng)力學(xué)仿真模擬分析，2 000 t船舶撞擊橋墩的正撞力見表1。

表1 2000t船舶撞擊力Table 1 Collision force of the 2000 tons ship on the piers

圖2 正撞有限元模型Figure 2 FEM model of frontal collision

圖3 正撞碰撞力曲線Figure 3 Frontal collision force curve

綜合考慮經(jīng)驗(yàn)公式、有限元仿真計(jì)算結(jié)果，并參考同類橋梁船撞力研究經(jīng)驗(yàn)［8］，湘江二期2 000 t橋梁通航孔橋墩船舶撞擊力取有限元仿真分析結(jié)果，即橫橋向船舶撞擊力取17 MN，順橋向船舶撞擊力取8.5 MN。

2.2 抗力

通過(guò)計(jì)算橋墩的水平抗力，然后與船橋撞擊力進(jìn)行比較分析，驗(yàn)算橋墩是否需要進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。為此建立朱亭湘江大橋有限元模型，通過(guò)驗(yàn)算最不利截面，求出橋墩的最大水平抗力，見圖4。

圖4 朱亭湘江大橋橋墩有限元離散模型Figure 4 FEM model of the Zhuting Xiangjiang river bridge′s pier

表2 通航孔橋墩防撞驗(yàn)算結(jié)果Table 2 Collision resistance of the pier

3 防護(hù)方案研究

橋墩防撞研究需同時(shí)考慮橋墩自身抗撞能力、橋墩幾何外形、水流速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進(jìn)行［9-10］。既要對(duì)碰撞的船舶能量進(jìn)行消能緩沖，使船舶不能直接撞擊橋墩，或使船舶碰撞力控制在安全范圍內(nèi)，同時(shí)也要保證船舶的安全。

考慮到獨(dú)柱墩＋鋼浮箱防船撞裝置造價(jià)高且后期養(yǎng)護(hù)難度大以及三柱墩＋全復(fù)合材料浮防撞設(shè)施消能效果一般且使用年限有限。為此本文針對(duì)朱亭湘江大橋橋墩抗力弱的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了四柱墩＋鋼復(fù)合材料浮式圓形防撞方案，見圖5。

圖5 防撞設(shè)施總體布置圖Figure 5 General layout of the collision avoidance system

3.1 朱亭湘江大橋防撞方案

“四柱墩＋鋼復(fù)合材料浮式圓形防撞方案”由兩層防撞體系組成，是獨(dú)立防撞與附著浮式防撞相結(jié)合的組合防撞體系，具有十分良好的防撞效果。

鋼復(fù)合材料為通過(guò)特殊工藝在鋼板外面包裹3 mm厚復(fù)合材料，該材料不僅具有鋼材的高吸能、高撞擊能力，同時(shí)還具有復(fù)合材料耐腐蝕的能力。

第一層防撞體系：四柱墩獨(dú)立防撞體系。首先在橋墩承臺(tái)上下游10 m位置設(shè)立4根直徑150 cm的鋼管樁組成，矩形布置，樁中心距3.2 m，群樁鋼管系梁為φ80 cm鋼管，每5 m設(shè)置一道，共設(shè)置4道。組成一獨(dú)立群樁，獨(dú)立群樁不與橋墩連接；再將浮式圓截面防撞設(shè)施置于群樁外圍。

第二層防撞體系：鋼復(fù)合材料浮式圓形防撞方案。在上下游側(cè)，橋墩首部、側(cè)部安設(shè)∏型鋼結(jié)構(gòu)，各個(gè)∏型鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)吊裝安設(shè)在橋墩上，使得橋墩形成一個(gè)圓截面形式，與承臺(tái)外形截面保持一致。再將浮式防撞設(shè)施置于整個(gè)∏型鋼架外圍，該浮式防撞設(shè)施由首尾部圓形防撞、側(cè)部防撞設(shè)施組成，見圖6。

圖6 四柱墩＋鋼質(zhì)-PPZC復(fù)合材料浮式圓形防撞方案效果圖Figure 6 The rendering of the four-pillar pier＋steel composite material floating circular collision avoidance system

3.2 防撞機(jī)理

第一層防撞體系：當(dāng)船舶從正向撞擊橋墩時(shí)，圓形防撞設(shè)施發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而撥動(dòng)船頭撞擊方向，帶著一定的動(dòng)能滑離防撞設(shè)施，這將大大減少船舶與裝置間的撞擊能量交換，而且降低了船舶撞擊 力，有效地保護(hù)橋梁和船舶的船撞安全，見圖7。

有些雇員的家庭有權(quán)享有協(xié)和醫(yī)學(xué)院提供的保險(xiǎn)金，當(dāng)此類雇員死后，社會(huì)工作者將對(duì)他們的家庭現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，并且需要向?qū)徲?jì)員(Comptroller）提交一份帶有建議的調(diào)查報(bào)告。保險(xiǎn)金的理賠和支付由社會(huì)服務(wù)部管理。

圖7 船舶撞擊第一層防護(hù)體系Figure 7 Ship collision on the first layer

第二層防撞體系：當(dāng)失控船舶側(cè)向以一定角度撞擊第二層防撞體系時(shí)，由于首部浮式圓截面柔性防撞裝置自身可發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或側(cè)撞船舶沿著切線方向帶著速度離開防撞設(shè)施，減少船舶與防撞設(shè)施之間的能量交換，有效地保護(hù)橋梁和船舶的船撞安全，見圖8、圖9。

圖8 船舶撞擊第二層防護(hù)體系首部Figure 8 Ship collision on the head of the second layer

圖9 船舶撞擊第二層防護(hù)體系側(cè)部Figure 9 Ship collision on the side of the second layer

3.3 方案特點(diǎn)

a.設(shè)置獨(dú)立群樁 （四柱墩）與浮式圓形截面防撞體系，避免了撞擊力直接傳到橋墩，而且徹底避免了船舶正向撞擊獨(dú)立防撞體系后，二次撞擊橋墩的可能 （因?yàn)榇白矒艉笱貓A截面防撞設(shè)施切向滑離防撞體系）。

b.防撞設(shè)施由若干個(gè)獨(dú)立的分段連接而成，可實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，分段之間采用插銷快速連接方式，降低了施工、安裝和維修的難度。

c.防撞設(shè)施的外表面為鋼-復(fù)合增強(qiáng)材料，結(jié)構(gòu)耐腐蝕，強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，日常情況下是免維護(hù)的；如果發(fā)生小的碰撞或損傷，可在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行修補(bǔ)；如果發(fā)生大的碰撞或損傷，則可對(duì)受撞擊的箱體分段進(jìn)行維修或更換。

3.4 有限元分析

a.有限元模型模擬。

本研究采用LS-DYNA顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件，通過(guò)建立撞擊船舶、防撞設(shè)施有限元模型，利用非線性有限元瞬態(tài)碰撞動(dòng)力學(xué)方法，模擬碰撞過(guò)程中的結(jié)構(gòu)的接觸、變形、屈曲和破損，同時(shí)考慮材料應(yīng)變率敏感性，以及碰撞過(guò)程中水對(duì)船舶和防撞設(shè)施的碰撞影響。

防撞裝置主要由骨材和板材組成，骨材選用梁?jiǎn)卧狟EAM161模擬，選用2x2高斯積分規(guī)則，板材選用薄板單元SHELL163模擬，選擇Belytschko算法。橡膠護(hù)弦采用等效的彈性梁來(lái)模擬。

船舶船首結(jié)構(gòu)按照實(shí)際船舶構(gòu)件尺寸進(jìn)行布置，其中船艏外板、各層甲板、船體中部的橫艙壁、肋板等重要抵抗變形和吸收能量的結(jié)構(gòu)，使用板單元來(lái)模擬?？v向以及橫向的加強(qiáng)材等使用梁?jiǎn)卧M。船舶船體中后部因遠(yuǎn)離碰撞區(qū)而僅僅會(huì)在剛度以及質(zhì)量方面產(chǎn)生影響，因此在模型中對(duì)船體中后部做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，采用二維模型。全船質(zhì)量分布與船身及船首的各單元上，中心位于中縱剖面上。模擬船體的各幾何特性與實(shí)船一致。船首碰撞區(qū)材料考慮了船體材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變速率對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響。另外采用一個(gè)總附連水質(zhì)量系數(shù)0.04的附加質(zhì)量模型來(lái)計(jì)入周圍流體對(duì)船舶的動(dòng)力影響。

船舶防撞裝置有限元分析模型，共劃分了10 328個(gè)節(jié)點(diǎn)，10 136個(gè)單元。

b.邊界條件。

防撞裝置邊界約束條件：垂向UZ＝0，水平方向UX＝0，UY＝0（部分）。

防撞裝置、船體自身構(gòu)件之間的接觸定義為單面接觸，船首與防撞裝置發(fā)生碰撞的地方采用面面接觸。接觸算法采用對(duì)稱罰函數(shù)法?？紤]到摩擦能量的損失并不大，本文的計(jì)算對(duì)摩擦計(jì)算采取簡(jiǎn)化處理，設(shè)靜動(dòng)摩擦系數(shù)均等于0.05，且不隨壓力變化。

c.計(jì)算參數(shù)。

主要通航參數(shù)及防撞設(shè)施主要尺寸如表3、表4所示。

表3 主要通航參數(shù)Table 3 Main data of the navigable riverway

表4 防撞設(shè)施的主要尺寸Table 4 Main size of the Collision avoidance system

3.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

LS-DYNA可以較好地處理船橋碰撞問(wèn)題，能夠得到較精確的計(jì)算結(jié)果。本文主要有以下3種撞擊工況，見圖10～圖15。

a.采取船舶滿載順?biāo)叫袝r(shí)，沿水流方向成0°正撞第1層防撞體系。

b.采取船舶滿載順?biāo)叫袝r(shí)，沿水流方向成30°側(cè)撞第1層防撞體系。

圖10 正撞第一層體系有限元模型Figure 10 FEM model of the frontal collision on the first layer

圖11 正撞第一層體系碰撞仿真Figure 11 Simulation analysis of the frontal collision on the first layer

圖12 側(cè)撞第一層體系首部有限元模型Figure 12 FEM model of the lateral collision on the head of the first layer

圖13 側(cè)撞第一層體系首部碰撞仿真Figure 13 Simulation analysis of the lateral collision on the head of first layer

圖14 側(cè)撞第二層體系側(cè)部有限元模型Figure 14 FEM model of the lateral collision on the side of the second layer

圖15 側(cè)撞第二層體系側(cè)部碰撞仿真Figure 15 Simulation analysis of the lateral collision on the side of second layer

c.采取船舶滿載順?biāo)叫袝r(shí)，沿水流方向成30°側(cè)撞第2層防撞體系側(cè)部。

有限元船撞仿真分析船舶最大碰撞力結(jié)果如表3所示。

由表3可知，朱亭湘江大橋采用四柱墩＋鋼復(fù)合材料浮式圓形防撞方案的受力滿足設(shè)計(jì)要求，具有很好的防撞效果。

表3 有限元船撞仿真分析船舶最大碰撞力Table 3 Results of the maximum collision force by simulation analysis

4 總結(jié)

針對(duì)朱亭湘江大橋航道等級(jí)提升導(dǎo)致橋墩出現(xiàn)防撞能力不足的問(wèn)題，創(chuàng)造性地提出了具有受力可靠、防撞機(jī)理明確、施工便捷等特點(diǎn)的獨(dú)立四柱墩＋鋼復(fù)合材料浮式圓形防撞方案，并采用有限元分析軟件LS-DYNA對(duì)該方案進(jìn)行了船橋碰撞分析。計(jì)算結(jié)果表明：①船舶滿載0°、30°正撞第一層防撞體系，四柱墩瞬時(shí)最大撞擊力為3.4 MN，對(duì)應(yīng)的四柱墩抗力為4.2 MN，滿足設(shè)計(jì)且有一定的富余；②船舶滿載30°側(cè)撞第二層防撞體系側(cè)部，橋墩上瞬時(shí)最大撞擊力為0.75 MN，小于橋墩抗力（1.0 MN），滿足設(shè)計(jì)要求。