大型跨海橋梁防撞設(shè)施設(shè)計與施工技術(shù)

張興志， 夏 雪， 季樂樂， 張可成

(1.浙江杭紹甬高速公路有限公司，杭州 310014；2.上海船舶運輸科學(xué)研究所，上海 200135)

0 引 言

當(dāng)前大型跨海橋梁多建造于海上貿(mào)易繁忙區(qū)域，面臨著跨越密集航道、化解船舶碰撞風(fēng)險的難題。對于通行10萬噸級以上船舶的橋梁而言，在遭受船舶碰撞時受到的撞擊力巨大，若按常規(guī)的橋梁設(shè)計思路設(shè)計，會存在防撞工程規(guī)模巨大、施工難度大、經(jīng)濟(jì)性差和設(shè)施更換困難等問題[1-2]。因此，確定一個合理、經(jīng)濟(jì)的橋梁防船撞結(jié)構(gòu)是大型跨海橋梁設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

寧波舟山港主通道項目位于舟山群島，工程總長36.777 km，跨越5個航道，設(shè)有5座通航孔橋。主通航孔橋為主跨550 m的三塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨越中部港域西航道，是舟山中部水域連接?xùn)|航路與西航路的重要節(jié)點。本文結(jié)合該港口航道的規(guī)劃情況，選取10萬噸級油船作為防撞船型，根據(jù)前期的船舶撞擊風(fēng)險分析結(jié)果，設(shè)計一種防撞設(shè)施，用以保護(hù)橋墩。為驗證該防撞設(shè)施的防撞效果，基于顯示瞬態(tài)非線性有限元分析技術(shù)，利用MSC-Dytran軟件對橋墩和防撞設(shè)施進(jìn)行有限元建模[3-5]，仿真計算一艘10萬噸級油船以3.8 m/s的速度撞擊防撞設(shè)施的情況，分析該防撞設(shè)施的防撞性能。

1 橋梁防撞方案選型

針對寧波舟山港主通航孔主墩的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合橋位處的水深、洋流和通航要求等條件，對加裝釋能附體和設(shè)置獨立防撞墩2種方案進(jìn)行比選。

1.1 加裝釋能附體方案

釋能附體占用的航道空間少，易于制造和維護(hù)，為盡可能地保護(hù)橋墩，采用組合式釋能附體防撞方案(見圖1和圖2)[6]。組合式釋能附體由內(nèi)、外2層釋能附體組成，其中：內(nèi)層釋能附體懸掛在承臺上；外層釋能附體懸掛在內(nèi)層附體上，用以增加有效設(shè)防距離。該防撞方案能增大墩臺的有效尺寸，通過變形吸收船舶撞擊產(chǎn)生的能量，達(dá)到全面保護(hù)橋墩的目的[7]。

圖1 組合式釋能附體防撞設(shè)施平面布置

圖2 組合式釋能附體防撞設(shè)施斷面布置

在該釋能附件中：內(nèi)層釋能附體鋼套箱總長63.0 m，型寬39.0 m，型深9.6 m，厚3.5 m；外層釋能附體鋼套箱總長70.2 m，型寬47.2 m，型深9.6 m，根據(jù)不同的防撞功能采用變截面的形式，主迎撞側(cè)厚6.0 m，次迎撞側(cè)厚4.0 m。該釋能附體結(jié)構(gòu)由板材和型鋼焊接而成，為減輕結(jié)構(gòu)重量和減小波流力的影響，釋能附體外板開有減輕孔。

該釋能附體單套設(shè)施的結(jié)構(gòu)重量約為2 810 t，建造安裝費用約為2 810萬元。釋能附體外部可安裝護(hù)舷。在遭到小型船舶撞擊時，護(hù)舷起到初期緩沖和消能的作用，同時對船舶加以保護(hù)。主通航孔主墩共有3座，需設(shè)置3套防撞設(shè)施，總建造安裝費用約為8 430萬元。

1.2 設(shè)置獨立防撞墩方案

獨立防撞墩(見圖3)獨立于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置，施工組織靈活，其承臺迎撞側(cè)可設(shè)計為流線型，保證船舶撞擊時能有效調(diào)撥船首，使大部分能量仍保留在船上[8]。通過計算得知，主塔防撞墩主迎撞側(cè)需采用32根樁徑為2.0 m的鋼管樁，通過向樁頂現(xiàn)澆混凝土與承臺連為一體，共同抵抗船舶撞擊。單個主迎撞側(cè)獨立防撞墩的建造安裝費用約為2 720萬元。中塔距離進(jìn)出港航道較近，應(yīng)分別設(shè)立在上下游迎撞側(cè)；邊塔在面對通航方向各設(shè)置1座，共有4座，總建造安裝費用約為10 880萬元。

圖3 獨立防撞墩方案

從施工的角度看，防撞鋼套箱采用工廠制造、現(xiàn)場安裝的方式，質(zhì)量易得到保證，施工的重點是運輸和吊裝設(shè)備，海上施工時間短，易于控制，風(fēng)險較小。此外，防撞鋼套箱可用作承臺混凝土澆筑的施工套箱，有助于節(jié)省建造安裝承臺施工設(shè)施產(chǎn)生的費用[9]。獨立防撞墩海上施工時間較長，橋位處水深近30 m，海底管線密布，施工難度和風(fēng)險較大。

從運營維護(hù)的角度看，受惡劣海洋環(huán)境的影響，為提高防撞鋼套箱的使用壽命，需提高其涂層的耐久性，一旦發(fā)生船撞事故，雖然結(jié)構(gòu)易受損，但拆除更換比較容易，產(chǎn)生的費用不高。獨立防撞墩鋼管樁基礎(chǔ)的耐久性問題比較突出，一旦發(fā)生船撞事故，結(jié)構(gòu)易受損，拆除更換的難度較大，產(chǎn)生的費用較高，因此需提高其耐久性。

根據(jù)以上分析，結(jié)合橋位處航道、船型和橋墩結(jié)構(gòu)的實際情況，綜合考慮防撞性能、經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性等因素，采用組合式釋能附體防撞方案。

2 大型防撞鋼套箱設(shè)計和制造技術(shù)

采用雙層組合模塊化防撞鋼套箱設(shè)計理念設(shè)計大型釋能附體防撞方案。

橋梁位于夏天臺風(fēng)頻發(fā)區(qū)，冬季和春季受季風(fēng)的影響比較大，海上年有效作業(yè)時間不足180 d，為縮短海上施工時間，采用整體吊裝鋼套箱施工方案。寧波舟山港主通道項目主通航孔橋主塔防船撞結(jié)構(gòu)規(guī)模巨大，單套防撞結(jié)構(gòu)重約2 900 t，吊裝費用較高。為減輕吊裝重量，在傳統(tǒng)防撞鋼套箱設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，提出雙層組合模塊化防撞鋼套箱設(shè)計方案。

內(nèi)層釋能附體由板材和型材等構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)采用防腐材料涂裝，并預(yù)留一定的腐蝕余量，以保證整體結(jié)構(gòu)的使用壽命。為減小水浮力的影響，可采取在結(jié)構(gòu)內(nèi)部灌注混凝土和采用連通形式等措施。

為降低施工難度和施工成本，將內(nèi)層釋能附體防撞設(shè)施用作承臺的施工套箱，將外層釋能附體防撞設(shè)施設(shè)置為可更換和維修的結(jié)構(gòu)。內(nèi)層釋能附體防撞設(shè)施和外層釋能附體防撞設(shè)施均按模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造，根據(jù)碰撞功能的不同，將整體結(jié)構(gòu)分成若干模塊，各模塊之間采用高強(qiáng)度螺栓連接，形成一個整體，共同抵抗船舶的撞擊。若遭遇重大碰撞事故，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)破損或功能失效，可將破損或失效的模塊拆除，對其進(jìn)行維修或更換，以降低維修和維護(hù)成本。

施工時，內(nèi)層模塊由工廠整體拼裝，在施工現(xiàn)場整體吊裝，將其作為橋梁承臺混凝土澆筑施工的側(cè)模。外層模塊由工廠制造，在施工現(xiàn)場安裝，采用雙層組合模塊化防撞鋼套箱方案能降低工廠制造和施工現(xiàn)場拼裝的難度；最大吊重減少到1 100 t，可選擇的吊裝船舶資源增多，安裝費用大大降低；外層模塊可拆卸，在運營期間發(fā)生損壞時，可按模塊拆除更換。圖4為防撞設(shè)施模塊化示意。

圖4 防撞設(shè)施模塊化示意

根據(jù)環(huán)杭州灣海域橋梁防撞鋼套箱的運營狀況調(diào)研報告，該區(qū)域橋梁防撞鋼套箱的耐久性問題較為突出。

為提升鋼套箱的質(zhì)量，強(qiáng)化主通道防船撞鋼套箱加工制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確在下料、矯正、焊接和總拼等加工制造環(huán)節(jié)引入自動化設(shè)備，盡量減少碼板，采用反變形胎架等，從源頭上管控鋼套箱加工制造質(zhì)量。鋼套箱防腐涂層采用“雙層環(huán)氧玻璃鱗片漆+丙烯酸聚硅氧烷”防腐涂裝體系，強(qiáng)化連接構(gòu)造耐久性保障措施設(shè)計，確保鋼套箱結(jié)構(gòu)的使用年限達(dá)到30 a。通過嚴(yán)格執(zhí)行上述標(biāo)準(zhǔn)，鋼套箱節(jié)段制造平位對接的自動化率達(dá)到了100%，其他方位對接和角接的焊接自動化率達(dá)到了70%，防腐涂裝質(zhì)量達(dá)到了鋼箱梁涂裝水平，保證了2 mm的安裝精度要求，進(jìn)一步提升了鋼套箱的工業(yè)化制造水平。

3 鋼套箱結(jié)構(gòu)驗算

撞擊船計算模型由船體后半段的剛性板單元和艏部可變形的彈塑性板單元組成。采用計算模型對碰撞區(qū)內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較精細(xì)的描述。對于遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)，由于其在碰撞中基本上不發(fā)生變形，因此為減小模型規(guī)模，提高計算效率，將其簡化為由船體外板和甲板組成的剛性模型，艏部與船體后半段中間結(jié)構(gòu)采用過渡單元連接。橋墩采用剛性板單元模擬，防撞鋼套箱計算模型由彈塑性板單元組成(見圖5和圖6)。

圖5 主墩與鋼套箱有限元模型

圖6 船舶與鋼套箱碰撞有限元模型

3.1 防撞計算工況

選取10萬噸級油船在滿載狀態(tài)下以3.8 m/s的速度分別正面撞擊橋墩和鋼套箱防撞設(shè)施的工況作為計算工況，對2種方案的防撞效果進(jìn)行分析，滿載排水量為130 000 t。

3.2 船與防撞鋼套箱碰撞有限元模擬計算結(jié)果

采用非線性動態(tài)有限元技術(shù)，可很好地仿真計算碰撞過程，較為精確地計算碰撞力[10]。10萬噸級油船以3.8 m/s的速度正撞橋梁主墩上的防撞鋼套箱的計算結(jié)果見圖7～圖11。

圖7 碰撞力時程曲線

圖8 船舶吸能變化曲線

圖9 碰撞結(jié)束時變形和等效應(yīng)力分布

圖10 碰撞結(jié)束時艏部變形和等效應(yīng)力分布

圖11 碰撞結(jié)束時鋼套箱變形和等效應(yīng)力分布

10萬噸級油船在滿載狀態(tài)下以3.8 m/s的速度正面撞擊橋墩上的防撞鋼套箱，最大碰撞力為113.28 MN,根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果，按撞擊概率為1/10 000計算，設(shè)置防撞設(shè)施之前最大防撞力為136.8 MN, 設(shè)置防撞設(shè)施之后最大防撞力為93.8 MN, 主通航孔主墩采用組合式釋能附體防撞設(shè)施之后，由于防撞設(shè)施的存在，使得船橋碰撞有了一定的緩沖，防撞設(shè)施整體起到了一定的保護(hù)作用，船舶撞擊時，艏部與外層防撞設(shè)施直接碰撞，碰撞區(qū)域內(nèi)的外層釋能附體局部有大的變形，艏部破損的范圍相比設(shè)置防撞設(shè)施之前有所減小，防撞設(shè)施起到了一定的緩沖和消能作用，防撞設(shè)施的吸能效果為31.4%。

4 結(jié) 語

1)隨著大型跨海通道的建設(shè)，在設(shè)計大型防船撞方案時，需綜合考慮復(fù)雜環(huán)境、技術(shù)適用性、運營維護(hù)便利性和經(jīng)濟(jì)性；

2)提出了雙層組合模塊化防撞鋼套箱設(shè)計，該施工設(shè)計能有效減輕吊重，縮短海上作業(yè)時間，運營更換比較容易；

3)有限元分析和對比研究結(jié)果表明，主通道主通航孔橋采用釋能附體鋼套箱防船撞設(shè)施，防撞消能效果達(dá)到了31.4%。