跨海大橋抗撞能力及防護(hù)措施研究

鄭植， 耿波， 袁佩， 胡正濤， 周敏

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶市 400067； 2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶市 400045；3.廣東省南粵交通東雷高速公路管理中心， 廣東 廣州 510000)

2017—2018年，廣東洪奇瀝大橋、蓮溪大橋、斗門大橋、磨刀門大橋、珠海大橋及重慶朝天門大橋相繼遭受船舶撞擊，造成嚴(yán)重?fù)p失[1]。船橋碰撞問題已日趨嚴(yán)重，近年來關(guān)于橋墩防撞保護(hù)設(shè)施的研究得到越來越多關(guān)注。橋墩防撞設(shè)施種類繁多，國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會將橋梁保護(hù)結(jié)構(gòu)分為防護(hù)板系統(tǒng)、支撐樁系統(tǒng)、系纜樁系統(tǒng)、人工島或暗礁保護(hù)以及浮動保護(hù)系統(tǒng)5大類[2]。王君杰[3]將橋梁防撞系統(tǒng)分為獨(dú)立式、一體式和附著式3大類，并詳細(xì)介紹了不同類型防撞設(shè)施的適用場合。其中附著式防撞浮式結(jié)構(gòu)因能適應(yīng)大水位落差，在抵御中等撞擊能量下具有較為明顯的優(yōu)勢；張錫祥[4]提出一種多節(jié)段燕尾榫連接的防撞浮箱結(jié)構(gòu)，開展了大節(jié)段足尺沖擊試驗(yàn)，證明其具有較好的緩沖折減性能，其成果已應(yīng)用在黃花園大橋上；劉偉慶[5-6]提出一種自浮式圓形截面復(fù)合材料防撞圈，采用格構(gòu)腹板增強(qiáng)泡沫夾芯材料制作，通過凹凸榫卯式插銷連接形成整體，并進(jìn)行了多個工程應(yīng)用；樊偉[7]提出一種新型鋼-UHPFRC組合結(jié)構(gòu)防撞裝置，結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值模擬驗(yàn)證了其防護(hù)性能，并成功應(yīng)用于長沙湘江一座斜拉橋過渡墩上。

斜拉橋由于跨越能力大被廣泛應(yīng)用于跨航道工程中，其主跨通航孔的通航尺度可滿足大噸位船舶及船隊(duì)通航。斜拉橋主橋墩剛度大，抗撞能力強(qiáng)，而鄰近主航道的過渡墩與第一跨引橋墩通?？棺材芰Σ蛔闱遗鲎哺怕瘦^高，易遭到失控船舶撞擊引起倒塌。如2007年一艘2 000 t砂船撞擊廣東九江大橋23號橋墩，導(dǎo)致大橋南側(cè)前三跨引橋倒塌，事故造成8人死亡，4輛汽車落水，一艘中型運(yùn)砂船沉沒，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4 500萬元[8]。因此對于航道斜拉橋的過渡墩及鄰近引橋墩進(jìn)行防護(hù)意義重大。該文針對湛江通明海特大橋，計(jì)算橋墩抗撞能力，通過數(shù)值模擬研究各橋墩設(shè)防船撞力。對過渡墩及第一跨引橋墩提出一種新型柔性防護(hù)裝置；開展復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)，分析不同荷載下復(fù)合材料的破壞方式，確定材料本構(gòu)參數(shù)；最后對防撞裝置的防護(hù)性能進(jìn)行研究，以便為工程順利實(shí)施提供保障。

1 工程概況

通明海特大橋橫跨通明海，是東雷高速公路的控制性工程，屬于廣東省重點(diǎn)交通建設(shè)項(xiàng)目。大橋主橋?yàn)?146+338+146) m雙塔三跨雙索面組合梁斜拉橋，橋面全寬36 m，設(shè)計(jì)最高通航水位為6.714 m。采用單孔雙向通航，通航孔跨徑為338 m，通航凈寬270 m，上底寬與凈寬一致，凈高28 m，側(cè)高與凈高一致。距離通航孔上下行航跡中心3倍船長范圍包含主墩、過渡墩與第一跨引橋墩。橋型布置見圖1[9]。

圖1 通明海特大橋橋型布置圖(單位：cm)

主塔采用A字形，塔高121.3 m，中塔柱及下塔柱間設(shè)置橫梁。主塔基礎(chǔ)采用2.8 m鉆孔樁，每個橋塔設(shè)30根樁基，樁長123 m；輔助墩、第一跨引橋墩樁基分別采用2.5、2 m樁徑，樁長分別為84.5、93 m。大橋基礎(chǔ)形式為高樁承臺，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，大橋采用梯次設(shè)防，靠近航道的主墩按3 000 t級貨船設(shè)防，船長108 m，型寬16 m；遠(yuǎn)離航道的過渡墩與引橋墩分別按2 000、1 500 t設(shè)防。

偏航船舶速度采用三角形分布插值確定[10]，如圖2所示。其中VT為航道內(nèi)典型航速、VX為偏航速度、Vmin為最小撞擊速度(不小于水流速度)、XC為船舶距航道邊緣距離、X為船舶距橋墩距離、XL為船舶距航道中心線3×LOA距離。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，橋區(qū)船舶典型航速為4.0 m/s，橋軸線法線方向與水流最大夾角約為20°，最小水流速度為1.0 m/s[9]。經(jīng)插值計(jì)算可得到船舶偏航撞擊主墩、過渡墩及第一跨引橋墩時撞擊速度分別為3.5、2.3、2.0 m/s。

圖2 船舶偏航速度分布

2 橋梁抗船撞能力

建立全橋靜力模型。根據(jù)線性疊加原理，將單位水平向船撞力施加到水位線以上2 m位置[11]，計(jì)算橋墩或樁基最不利內(nèi)力，確定控制截面；然后不斷調(diào)整水平力大小，分別進(jìn)行截面抗彎、抗剪及基礎(chǔ)承載能力驗(yàn)算，當(dāng)內(nèi)力等于截面能力時，所對應(yīng)的水平力即為該水位下橋墩抗船撞能力。采用Ucfyber對控制截面進(jìn)行M-φ分析，計(jì)算截面屈服彎矩，與船撞力作用下內(nèi)力彎矩對比，計(jì)算截面抗彎能力；根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.9條規(guī)定計(jì)算截面抗剪能力[12]；根據(jù)JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.3條規(guī)定計(jì)算樁基抗壓能力[13]。各水位下橋墩抗船撞能力匯總見表1。

表1 橋墩抗船撞能力

由表1可知：大橋抗力均按樁基抗彎控制，且隨撞擊水位下降，抗力逐漸增大，而抗剪能力基本不隨水位變化。

3 船橋碰撞數(shù)值模擬

建立全橋動力有限元模型對船橋碰撞過程進(jìn)行分析，船橋碰撞數(shù)值模擬工況見表2。橋梁模型采用彈性材料*MAT_ELASTIC 模擬。模型中橋塔為C50混凝土，過渡墩及引橋墩墩身為C40混凝土，樁基與承臺為C30混凝土。橋墩與承臺均使用實(shí)體單元，樁基使用梁單元。C50、C40、C30混凝土材料彈性模量分別為34 500、32 500、30 000 MPa，密度為2 500 kg/m3。拉索材料為Wire1770鋼絞線，采用cable單元，彈性模量為205 000 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。主梁為Q345鋼箱梁，采用梁單元模擬，彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，主梁與拉索采用剛性連接。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算工況

樁土相互作用采用“m”法計(jì)算各層土的等效剛度[13]，通過ls-dyna材料庫的*MAT_SPRING_ELASTIC彈簧模型模擬[14]。根據(jù)鉆孔資料，碰撞范圍內(nèi)各橋墩土層分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、粗砂，m值分別取1 000、2 000、4 000、5 000、6 000 kN/m4。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]、[16]，橋區(qū)典型船舶為2 000、3 000DWT球鼻艏船，1 500DWT前傾型艏船。船艏部分采用殼單元建模，向船體過渡有限元網(wǎng)格逐漸變粗。船艏考慮鋼材應(yīng)變率的影響，采用Cowper-Symonds本構(gòu)方程，使用Ls-dyna材料庫中3號材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模擬[14]，密度為7 800 kg/m3，彈性模量E=210 000 MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，切線模量ETAN=1 180 MPa，應(yīng)變率參數(shù)C=40.4，應(yīng)變率參數(shù)P=5，失效應(yīng)變FS=0.34。

船體部分分別采用實(shí)體單元和殼單元建模，由于碰撞對船身影響不大，只進(jìn)行了粗略的網(wǎng)格劃分，且不考慮這一部分單元變形，采用20號剛體材料。

各工況下最大撞擊力見表3，船舶撞擊力時程曲線見圖3。計(jì)算發(fā)現(xiàn)在最高通航水位下過渡墩與第一跨引橋墩抗撞能力不足，最大抗力差為33%，需設(shè)置防撞裝置削減撞擊力，保證結(jié)構(gòu)安全。

表3 各工況計(jì)算結(jié)果

圖3 撞擊力時程曲線

4 防撞方案研究

4.1 防撞裝置構(gòu)造

復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕性好的特點(diǎn)，自然老化壽命不低于15年，在高鹽、高濕度環(huán)境下具有競爭性，因而在邊坡支護(hù)、公路管涵及橋墩防護(hù)等方面被廣泛應(yīng)用[17-19]。自浮式復(fù)合材料套箱能夠適應(yīng)水位落差變化，能以較低的經(jīng)濟(jì)成本換取更大范圍的防護(hù)。提出一種新型復(fù)合材料柔性防撞裝置對過渡墩、引橋墩進(jìn)行防護(hù)，裝置由A、B兩箱形節(jié)段通過雙榫口插銷連接形成整體，采用GFRP材料制作，內(nèi)部緊密設(shè)置圓形緩沖柱體以提供結(jié)構(gòu)整體剛度與緩沖能力，緩沖體內(nèi)填充柔性發(fā)泡體。在靠近橋墩四壁處分別設(shè)置橡膠阻尼元件，防止發(fā)生硬接觸。結(jié)構(gòu)形式見圖4。

圖4 復(fù)合材料防撞裝置構(gòu)造

該裝置創(chuàng)新點(diǎn)在于：采用體量非常小的插銷，不需大型提升設(shè)備，便于提升安裝，在準(zhǔn)確性與施工安全性上更具優(yōu)勢；采用雙插銷，可減小受力時的不對稱變形，同時增加了插銷長度與接觸面，可避免出現(xiàn)材料無損傷的結(jié)構(gòu)失效破壞，能提高連接性能，充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。

4.2 復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)

采用CMT5105萬用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料拉伸、壓縮、彎曲和沖擊韌性試驗(yàn)。從箱殼板和內(nèi)部柱殼板中分別截取縱、橫向試件各一組，每組加工6個試件。各類試件形式均為矩形，具體尺寸參考復(fù)合材料試驗(yàn)規(guī)范[20-23]。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

4.3 防撞裝置防護(hù)性能分析

建立防撞裝置有限元模型，復(fù)合材料采用殼單元建立，材料模型為*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC，由于接觸碰撞中各節(jié)段外壁板與柱殼構(gòu)件主要承受彎曲荷載，近似采用表4中彎曲模量；頂?shù)装逯饕惺苊鎯?nèi)荷載，近似采用表4中拉伸模量。失效應(yīng)力分別近似采用彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度，表5為正交各向異性彈性本構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)。

表4 復(fù)合材料平均強(qiáng)度

表5 正交各向異性彈性本構(gòu)參數(shù)

裝置內(nèi)壁板設(shè)置的橡膠阻尼元件采用27號材料*MAT-MOONEY-RIVLIN-RUBBER兩參數(shù)本構(gòu)模型模擬，密度為1 180 kg/m3，泊松比為0.49，EA=397 kPa，EB=99 kPa[24]。柔性發(fā)泡體采用63號材料模型，即*MAT_CRUSHABLE_FOAM[14]，密度為500 kg/m3，彈性模量E=8.2 MPa，泊松比為0.4，失效應(yīng)力為6 MPa。由于橡膠與泡沫較軟，故采用五面體單元模擬，以防止材料變形過大出現(xiàn)負(fù)體積，同時對泡沫材料設(shè)置*MAT_ADD_EROSION[14]模擬，閾值達(dá)到失效應(yīng)力自動刪除單元，以保證計(jì)算順利進(jìn)行。

插銷為Q235鋼，采用殼單元建立，材料模型為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。計(jì)算工況分別考慮2 000DWT球鼻艏貨船與1 500DWT前傾型艏貨船0°正撞、20°斜撞，具體見表6。

表6 動力數(shù)值分析工況

碰撞過程模擬采用接觸分析實(shí)現(xiàn)，在船艏-防撞裝置-橋墩之間、防撞箱體-插銷之間分別定義自動面面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE)，并在船艏內(nèi)部、防撞裝置內(nèi)部定義自動單面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)，其動、靜摩擦系數(shù)取0.2、0.25。

各工況下防撞裝置動力響應(yīng)見圖5，球鼻艏船正撞下船撞力時程見圖5Ⅰ-(a)，無防護(hù)下船撞力峰值為10.4 MN，有防護(hù)下撞擊力峰值為5.6 MN，折減率為46%；撞深變化見圖5Ⅰ-(b)，由圖5Ⅰ-(b)可知：無防護(hù)下船艏最大撞深為1.3 m，有防護(hù)下降低到0.4 m，防撞裝置最大撞深為1.8 m。由圖5Ⅰ-(c)可知：能量交換主要發(fā)生在A箱，通過內(nèi)能與摩擦能耗散船舶動能，總耗能最大可達(dá)到5 MJ，占撞擊總能量的52%。斜撞下船撞力時程見圖5Ⅱ-(a)。由圖5Ⅱ-(a)可知：無防護(hù)下橫橋向船撞力峰值為6.4 MN，順橋向?yàn)?.9 MN，有防護(hù)下橫橋向?yàn)?.4 MN，順橋向?yàn)?.5 MN，折減率分別為31%、48%。由圖5Ⅱ-(b)可知：無防護(hù)下船艏最大撞深為1.2 m，有防護(hù)下船艏與防撞裝置均只有輕微變形。由圖5Ⅱ-(c)可知：能量交換發(fā)生在B箱，主要通過摩擦能耗散船舶動能，B箱總耗能最大可達(dá)到6 MJ，占撞擊總能量的63%。

前傾型艏船正撞下船撞力時程見圖5Ⅲ-(a)，由圖5Ⅲ-(a)可知：無防護(hù)下船撞力峰值為8.6 MN，有防護(hù)下為4.2 MN，折減率為51%。由圖5Ⅲ-(b)可知：無防護(hù)下船艏最大撞深為0.85 m，有防護(hù)下船艏只有輕微變形，防撞裝置最大撞深為0.5 m。由圖5Ⅲ-(c)可知：能量交換主要發(fā)生在A箱，總耗能最大可達(dá)到3.5 MJ，占撞擊總能量的84%。斜撞下船撞力時程見圖5Ⅳ-(a)，由圖5Ⅳ-(a)可知：無防護(hù)下橫橋向船撞力峰值為6.44 MN，順橋向?yàn)?.6 MN，有防護(hù)下橫橋向?yàn)?.8 MN，順橋向?yàn)?.56 MN，折減率分別為40%、29%。由圖5Ⅳ-(b)可知：無防護(hù)下船艏最大撞深為0.65 m，有防護(hù)下僅輕微變形，防撞裝置最大撞深為0.75 m。由圖5Ⅳ-(c)可知：A箱總耗能最大可達(dá)3.5 MJ，占撞擊總能量的84%。

圖5 船舶撞擊防撞裝置動力響應(yīng)

總體來說，設(shè)置防撞裝置后撞擊時間被延長，船撞力與船舶撞深得到大幅降低，船舶得到有效攔阻，不會撞到橋墩。裝置各部分并未脫落。各工況撞擊力、折減率、耗能比匯總見表7。

表7 結(jié)果匯總

續(xù)表7

由表7可知：在防撞裝置防護(hù)下，船撞力折減率最高可達(dá)到51%，耗散船舶動能可達(dá)到84%。

5 結(jié)論

采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法相結(jié)合，對大橋抗撞能力、防撞裝置防護(hù)性能進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1) 最高通航水位下大橋過渡墩與第一跨引橋墩抗撞能力不足，最大抗力差為33%。

(2) 橋墩設(shè)置防撞裝置后最高可削減船撞力51%，耗能比最高可達(dá)84%，耗能形式主要為摩擦、結(jié)構(gòu)大變形；船艏撞深大幅降低，正撞下球鼻艏船撞深降低77%，斜撞下僅輕微變形，前傾型艏船撞擊下船艏未見明顯變形。