超大船舶噸級航道橋梁防船撞設(shè)計(jì)研究

孫大奇 劉曉光 郭輝 許明財(cái) 王芳 朱穎 趙欣欣 曾廣武

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074；4.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100038）

我國水運(yùn)交通迅猛發(fā)展，通航密度劇增，船舶噸級也明顯增大，通航河道橋梁遭受船舶撞擊的事件時有發(fā)生，船橋碰撞風(fēng)險日益增大［1-2］。一旦發(fā)生船橋撞擊事故，可能造成橋梁受損坍塌、航道受阻、環(huán)境污染、生命財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果，因此對船橋碰撞的研究已是跨河、跨海橋梁設(shè)計(jì)中的重要問題［3］。

船橋碰撞是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，其準(zhǔn)確計(jì)算較為困難。為便于設(shè)計(jì)，各國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范都給出了簡化的計(jì)算公式［4］。但對于通行超大噸位船舶的航道橋梁防撞設(shè)計(jì)，基本采取“一橋一議”的專項(xiàng)設(shè)計(jì)［5］。船撞力的影響因素較多，主要包括船舶船型、噸位，碰撞時的速度、角度、位置等［6-7］。這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取對于合理確定船撞力、開展防撞設(shè)施設(shè)計(jì)至關(guān)重要。近年來，通過船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）準(zhǔn)確獲取橋位處各類船舶信息被廣泛應(yīng)用于水上交通安全管理［8-10］。Hansen 等［11］基于AIS 數(shù)據(jù)評估了Sognefjorden 海峽的船橋碰撞風(fēng)險；Stahlberg等［12］利用AIS數(shù)據(jù)建立了基于可靠性的船船碰撞風(fēng)險概率模型；潘晉等［13］基于AIS 數(shù)據(jù)分析了航行船舶動態(tài)，對AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials，美國公路與運(yùn)輸協(xié)會）規(guī)范模型中的幾何概率進(jìn)行了修正。

本文以一座千米級公鐵兩用斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于船舶AIS數(shù)據(jù)，利用有限元仿真分析方法，開展大橋主墩防撞設(shè)施設(shè)計(jì)，提出了橋梁防船撞設(shè)施設(shè)計(jì)方法并設(shè)計(jì)了鋼+橡膠阻尼多級消能浮式模塊化防撞設(shè)施，驗(yàn)證了防撞設(shè)施的性能。

1 基于AIS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的船舶參數(shù)分析與選定

一座千米級公鐵兩用斜拉橋主橋位于長江口澄通河段，采用雙塔五跨鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)。主橋跨徑布置為（140+462+1 092+462+140）m，主墩沉井基礎(chǔ)平面尺寸為86.9 m×58.7 m。橋式布置見圖1。

大橋是滬通鐵路的控制性工程，位于江陰長江大橋下游45 km，蘇通長江大橋上游40 km，與通蘇嘉城際鐵路、錫通高速公路共通道建設(shè)。該橋所處航道航運(yùn)繁忙，實(shí)際通航船舶噸級超過內(nèi)河通航規(guī)范值，這給橋梁防撞設(shè)防設(shè)計(jì)時船型的選擇帶來一定困難。由于主墩尺寸大，不同的設(shè)防等級會帶來防撞設(shè)施工程量的巨大差異。如果以通航船舶的最大噸級設(shè)防，防撞設(shè)施材料用量極大，而最大噸級的船舶通行及撞擊頻率很低，這將造成防撞設(shè)施的浪費(fèi)。因此，有必要采取科學(xué)的方法分析主橋?qū)嶋H通航船舶的信息并制定合理的防撞對策，用于指導(dǎo)大橋的防撞設(shè)計(jì)。

圖1 橋式布置（單位：m）

1.1 AIS簡介及數(shù)據(jù)收集

提取水運(yùn)繁忙期一周內(nèi)橋區(qū)附近的AIS源數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼分析，得到橋區(qū)通航船舶的靜態(tài)信息、動態(tài)信息和與航次有關(guān)的信息。分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并刪除無效數(shù)據(jù)，經(jīng)一定處理后得到一周內(nèi)大橋橋區(qū)船舶簡要信息，包括通航航跡圖、噸級分布、船型分布、平均船速以及95%超越概率航速。

提取某一時刻橋區(qū)內(nèi)船舶坐標(biāo)值，并在衛(wèi)星地圖上以點(diǎn)表示，反復(fù)提取后可以得到橋區(qū)通航船舶航跡，見圖2?？梢?，橋區(qū)通航船舶密度較大，且集中分布在主通航孔區(qū)域。一周內(nèi)通航船舶有2 083 艘，日均約300艘。

圖2 橋區(qū)通航船舶航跡

1.2 設(shè)防代表船型及噸級分布

大橋橋區(qū)通航船型主要為貨船（69%）和油輪（18%），二者占通航船舶總航次的87%?？痛?%）、漁船（3%）、執(zhí)法船（2%）、拖輪（1%）、其他（2%）合計(jì)航次為總航次的13%。

橋區(qū)通航船舶噸位分布情況見表1、圖3。可見，一周內(nèi)通航大橋附近水域內(nèi)1.5 萬t 級及以下的船舶占據(jù)所有噸級的約74%，約95%的船舶噸級在3.5萬t級以下，最大通航船舶噸級達(dá)到15萬t。

表1 船舶噸位分布占比

圖3 船舶噸級累計(jì)分布函數(shù)

航道屬于內(nèi)河Ⅰ級，通航船舶噸級選擇應(yīng)按照5%準(zhǔn)則，即選取噸級應(yīng)覆蓋95%橋區(qū)通航船舶。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，95%超越概率噸級應(yīng)為3.5 萬t，最大通航船舶噸級達(dá)到15 萬t，因此設(shè)防代表船型噸級分布從5～10萬t較為合理，15萬t作為校核。

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］，設(shè)防船型的尺度見表2。分別考慮5，7，10，15 萬t，4 個不同船舶噸級。

表2 橋區(qū)設(shè)防代表船型尺度

1.3 設(shè)防代表船型船速分布

根據(jù)AIS 數(shù)據(jù)可知，橋區(qū)通航船舶平均速度達(dá)到2.57 m/s（5 節(jié)），低噸位小船高速時達(dá)到5.14 m/s（10節(jié)），大噸位船舶最高速度較慢。因此，船舶撞擊橋墩的速度選擇范圍為2.57～5.24 m/s（5～10 節(jié)）。不同船舶噸位對應(yīng)的船舶速度分布見圖4?？梢?，5萬，7萬t 船舶取95% 超越概率航速分別為5.14 m/s（10節(jié)），4.57 m/s（8.9 節(jié)）。模擬船舶失舵不失速的情況下全速撞向橋墩?？紤]10 萬t 級船舶有多個發(fā)動機(jī)，存在一定制動的情況下不會以全速撞擊橋墩，10 萬t船舶取平均速度3.03 m/s（6.6節(jié)）。

圖4 橋區(qū)通航船舶速度分布

15 萬t 船舶取水流速度，考慮存在引航措施的情況下，該噸位船舶不會以發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)撞擊橋墩，只可能是失去動力隨水漂流撞擊。水流速度依據(jù)潮汐情況分為兩個方向，取主通航孔最大水流速度（下行3.62 m/s）。代表船型撞擊速度見表3。

表3 橋區(qū)設(shè)防代表船型撞擊速度

1.4 設(shè)防代表船型撞擊角度選定

船舶撞擊角度分布一直是船橋碰撞研究中的一個難點(diǎn)，因?yàn)榇暗淖矒艚嵌炔粌H與船舶的偏航角度有關(guān)，還與橋梁下部結(jié)構(gòu)幾何形狀和相對航道位置有關(guān)。一般通過統(tǒng)計(jì)橋位處船撞橋事故，得到撞擊角度分布，但由于早期船撞橋事故資料中對撞擊角并沒有太多的關(guān)注，因此統(tǒng)計(jì)資料相對匱乏。不過可以確定的是，絕大部分的船舶撞擊角度低于30°以下。德國Kunz［15］曾給出了撞擊角度分布，見圖5?？梢?，撞擊角度大都集中在6°～16°。

圖5 Kunz撞擊角度分布［15］

從三峽庫區(qū)三座跨江大橋的船舶偏航角的觀測結(jié)果來看，船舶的偏航角大都集中在2°～14°，不同橋梁其通航船舶的偏航角也有所不同，而對于船舶的撞擊角度則還需要根據(jù)橋梁下部結(jié)構(gòu)形狀來進(jìn)行合理估計(jì)。根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定［16］，船只駛近方向與墩臺撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角應(yīng)根據(jù)具體情況確定，如有困難可采用20°。船舶撞擊角度取15°以下的占大多數(shù)，峰值約為10°，角度越大其所占百分比越小，從數(shù)學(xué)模型的角度來說符合極值Ⅰ型分布的特點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)程序隨機(jī)模擬船舶撞擊角度的頻數(shù)分布（均值15，標(biāo)準(zhǔn)差6）和不同撞擊角度的累計(jì)概率，見圖6。

圖6 隨機(jī)模擬撞擊角度頻數(shù)分布和不同撞擊角度的累計(jì)概率

由圖6可見，若發(fā)生船舶撞擊橋墩事故，撞擊角度大于20°的概率小于20%，大于30°的概率小于2%。

綜上分析，本文船舶側(cè)撞橋梁角度按TB 10002—2017規(guī)定取20°［16］。

通過AIS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，確定了大橋橋區(qū)船舶船型噸級、撞擊速度以及撞擊角度。船橋碰撞的不同工況見表4。

表4 船橋碰撞計(jì)算工況

2 橋墩船撞力有限元分析

2.1 有限元模型

采用有限元軟件對本橋主通航孔橋墩進(jìn)行建模，導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算分析，然后通過LS-PREPOST進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。

結(jié)合現(xiàn)有實(shí)船特點(diǎn)和資料，考慮建模工作量和精度，對全船有限元建模和等效船體梁方法進(jìn)行了折中。將一般船舶分為三段：船艏、船中、船尾。船艏按照實(shí)船結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行相近的建模，尤其是首部接觸區(qū)域；船中和船尾分別按船體外殼建模（船尾較為復(fù)雜，可進(jìn)行簡化），分別計(jì)算船中貨物和尾樓重量、重心，將其以密度的形式賦予在船中、船尾相應(yīng)結(jié)構(gòu)上。撞擊船的船艏結(jié)構(gòu)用殼單元模擬，其中包括外板、各層甲板、橫向艙壁等。由于船體中后部遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域，實(shí)際不發(fā)生任何變形，僅考慮其剛度和質(zhì)量用剛性實(shí)體單元簡化模擬。船艏撞擊區(qū)考慮材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變速率對其屈服強(qiáng)度的影響。

在建立橋墩沉井的有限元模型時，采用實(shí)體單元模擬。由于橋墩覆蓋層較深，覆蓋層均為軟土、淤泥、淤泥質(zhì)土層，取沖刷線下5 倍樁徑處的位置進(jìn)行固結(jié)處理。橋墩模型同樣采用實(shí)體單元模擬。有限元模擬時，取船舶重量的4%作為附連水質(zhì)量。

船舶與橋墩之間設(shè)置面面接觸，船舶自身定義自接，考慮碰撞過程中船舶內(nèi)部發(fā)生大變形導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)的相互作用，防止碰撞過程中船舶發(fā)生大變形導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)的相互穿透。撞擊過程中船舶與橋墩存在摩擦，據(jù)文獻(xiàn)［17］可取靜態(tài)和動態(tài)摩擦因數(shù)為0.3。船橋碰撞有限元模型見圖7。

圖7 船橋碰撞有限元模型

2.2 船橋碰撞計(jì)算

從橋梁安全角度出發(fā)，需對船舶撞擊橋墩的最不利工況進(jìn)行計(jì)算。船舶正撞橋墩為橫橋向最不利工況，因此取表4 中工況1，3，5 進(jìn)行船撞力分析計(jì)算，結(jié)果分別為214，272，251 MN，撞擊力時程曲線見圖8。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，大橋橋墩橫橋向抗撞力為110 MN，工況1，3，5 的船撞擊力分別高出橋墩抗撞力94.6%，146.4%，128.2%，若發(fā)生碰撞事故，將給橋梁結(jié)構(gòu)及行車安全造成較大威脅，因此有必要對橋墩進(jìn)行防撞專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

圖8 撞擊力時程曲線

3 橋墩防船撞設(shè)施設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 橋墩防船撞設(shè)施設(shè)計(jì)

橋梁防撞設(shè)施設(shè)計(jì)方法流程見圖9。

圖9 橋梁防撞設(shè)施設(shè)計(jì)方法流程

考慮到撞擊船舶達(dá)到10萬t級，撞擊能量巨大，單純采用某種材料無法滿足吸能要求。提出鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設(shè)施總體設(shè)計(jì)方案，以形成多級緩沖消能的效果，在滿足防船撞要求、保護(hù)橋墩的同時，避免防撞設(shè)施、船舶發(fā)生較大破壞。

圖10 鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設(shè)施

鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設(shè)施見圖10。裝置主體是外鋼圍和內(nèi)鋼圍組成的箱形結(jié)構(gòu)，外鋼圍外層設(shè)置高分子阻尼元件LT-PI06 及外護(hù)板，內(nèi)鋼圍與墩壁接觸側(cè)設(shè)置高分子阻尼元件LT-SC08，外鋼圍外表面敷設(shè)聚氨酯夾層板結(jié)構(gòu)。兩層鋼圍之間采用X形格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，首尾部格構(gòu)空間填充高分子緩沖吸能材料。鋼制結(jié)構(gòu)包覆纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防腐層，增加防撞設(shè)施抗沖擊性能并保證鋼材的耐腐蝕性。考慮到后期養(yǎng)護(hù)維修，防撞設(shè)施采用模塊化設(shè)計(jì)以便于局部更換。鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設(shè)施不僅充分利用了各種材料的優(yōu)點(diǎn)，而且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在吸收大量能量的同時，亦可滿足耐久性要求。

3.2 船舶-橋梁-防撞設(shè)施碰撞有限元分析

建立帶有防撞設(shè)施的碰撞有限元模型，防撞設(shè)施套箱中板材采用shell163 單元，桁材及防撞設(shè)施環(huán)向筋材采用beam161 單元。防撞設(shè)施主體為鋼結(jié)構(gòu)，其材料特性與船體相同。

正撞時工況1，3，5撞擊力時程曲線見圖11。

圖11 正撞時不同工況撞擊力時程曲線

由圖11（a）可見：未安裝防撞設(shè)施時船撞力迅速到達(dá)峰值214 MN 并呈波蕩性減小，整個撞擊過程僅持續(xù)了2.2 s。安裝防撞設(shè)施后，防撞設(shè)施與船艏間的撞擊力峰值為140 MN，而防撞設(shè)施與橋墩間的撞擊力呈跌宕性增長，在2 s 后才達(dá)到最大值57 MN，小于橋墩的抗撞力110 MN，且整個撞擊過程持續(xù)了4.5 s，防撞設(shè)施安裝前后撞擊力折減73%。防撞設(shè)施撞深5 m，內(nèi)外兩層格構(gòu)擠壓變形，中間層格構(gòu)輕微變形。

由圖11（b）可見：未安裝防撞設(shè)施船撞力迅速到達(dá)峰值272 MN 并呈波蕩性減小，整個撞擊過程僅持續(xù)2.3 s。防撞設(shè)施與船艏間撞擊力峰值達(dá)到151 MN，而防撞設(shè)施與橋墩間的撞擊力為跌宕性增長，在3 s后才達(dá)到最大值58 MN，小于橋墩的抗撞力110 MN，且整個撞擊過程持續(xù)了5 s，防撞設(shè)施安裝前后撞擊力折減79%。防撞設(shè)施撞深6 m，內(nèi)外兩層格構(gòu)擠壓變形，中間層格構(gòu)變形，與工況1相比速度小但噸位大，破壞程度相近。

由圖11（c）可見：未安裝防撞設(shè)施船撞力迅速到達(dá)峰值251 MN 并呈波蕩性減小，整個撞擊過程僅持續(xù)2.6 s。防撞設(shè)施與船艏間的撞擊力峰值達(dá)到140 MN，而防撞設(shè)施與橋墩間撞擊力同樣呈跌宕性增長，在3 s后達(dá)到最大值49 MN，小于橋墩抗撞力110 MN，整個撞擊過程持續(xù)了5 s，防撞設(shè)施安裝前后撞擊力折減80%。防撞設(shè)施撞深5 m，內(nèi)外兩層格構(gòu)擠壓變形，中間層格構(gòu)輕微變形，與工況3相比速度更小噸位更大，破壞程度相近。

側(cè)撞時船舶運(yùn)動方向發(fā)生滑移，保留大量動能，撞擊力較正撞工況小很多。不同工況撞擊力時程曲線見圖12。防撞設(shè)施僅外鋼圍發(fā)生彎曲變形，破壞程度輕。橋墩所受的船撞力均小于110 MN，可保證橋梁安全。

圖12 側(cè)撞時不同工況撞擊力時程曲線

15 萬t 船舶撞擊防撞設(shè)施（工況7）的分析結(jié)果見圖13。可見，防撞設(shè)施與船艏間的撞擊力峰值達(dá)到了156 MN，而防撞設(shè)施與橋墩間撞擊力呈跌宕性增長，在4 s后才達(dá)到最大值54 MN，小于橋墩的抗撞力110 MN，且整個撞擊過程持續(xù)了7 s，說明防撞設(shè)施能夠有效抵御船舶碰撞。防撞設(shè)施撞深7 m，內(nèi)外兩層格構(gòu)擠壓變形，中間層格構(gòu)嚴(yán)重變形，與工況5 相比噸位大，速度大，破壞程度最大。

圖13 工況7撞擊力時程曲線

綜合上述7 種工況的分析結(jié)果，設(shè)置防撞設(shè)施延緩了撞擊力峰值出現(xiàn)的時間，延長了撞擊過程，增加了能量交換的時間與空間，起到了緩沖吸能的效果；橋墩設(shè)防前后受到的撞擊力折減可達(dá)70%以上，設(shè)防后防撞設(shè)施代替橋墩承受了較大船撞力，橋墩承受的撞擊力遠(yuǎn)低于自身抗撞力110 MN，可保證橋梁安全。

4 結(jié)論

1）本文以一座主跨千米級公鐵兩用斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^AIS數(shù)據(jù)分析了橋區(qū)船舶的通航信息，確定了防撞設(shè)計(jì)參數(shù)，對船舶與橋墩碰撞過程進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明未設(shè)防時工況1，3，5 對應(yīng)的橋墩船撞力峰值分別為214，272，251 MN，撞擊過程時間短（2.2～2.6 s），峰值均在0.5 s內(nèi)出現(xiàn)。

2）從滿足船舶、防撞設(shè)施和橋梁的性能需求出發(fā)，本文提出了橋梁防船撞設(shè)施設(shè)計(jì)方法。針對超大船舶噸級航道橋梁的防撞設(shè)施設(shè)計(jì)，給出了鋼+橡膠阻尼多級消能浮式模塊化防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)方案。該防撞設(shè)施具有延長船舶碰撞作用時間、推遲船撞力峰值出現(xiàn)時間、緩沖吸能等效果，且便于更換。

3）船舶-橋梁-防撞設(shè)施碰撞有限元分析結(jié)果表明，設(shè)置鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設(shè)施后，正撞工況船撞力遠(yuǎn)小于橋梁抗撞力；側(cè)撞工況船撞力明顯減小、防撞設(shè)施變形小；15萬t校核工況下橋墩船撞力仍明顯小于橋墩抗撞力。防撞設(shè)施起到了良好的緩沖吸能效果，可以作為超大船舶噸級航道橋梁的防撞設(shè)施備選方案。