連續(xù)剛構(gòu)雙肢薄壁墩防船撞結(jié)構(gòu)耐撞性研究

王 為

(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410008)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋因自身剛度較大、變形較小、跨越能力強(qiáng)、施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)勢，成為橋梁設(shè)計(jì)廣泛選用的橋型之一[1]。但該橋型自身剛度較大，在溫差、混凝土收縮徐變及車輛制動(dòng)等因素下會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)力，因此，需要通過選用柔性橋墩減小上述不利因素所產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力。連續(xù)剛構(gòu)橋常用橋墩形式為雙肢薄壁墩和單肢空心墩，二者相比，雙肢薄壁墩柔性更好，可產(chǎn)生較大的水平變位，能更好地平衡溫差等因素產(chǎn)生的內(nèi)力。但對(duì)于跨航道橋梁，涉水橋墩存在船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)[2]。自身柔度較大的雙肢薄壁墩在受到船舶撞擊時(shí)發(fā)生損傷、破壞的風(fēng)險(xiǎn)更高，尤其是在單肢承受全部船撞力及船舶撞擊墩側(cè)的工況下，橋梁存在較大安全威脅?，F(xiàn)有船橋碰撞研究更多地關(guān)注船舶噸級(jí)、撞擊速度、偏航[3]及防撞設(shè)施[4]等因素對(duì)于撞擊力的影響，也有部分研究探討了不同截面形狀橋墩的船撞響應(yīng)[5]。對(duì)于雙肢薄壁墩的船撞性能研究及防船撞設(shè)計(jì)相對(duì)較少。

本文基于長沙香爐洲大橋，采用數(shù)值仿真方法對(duì)雙肢薄壁墩在船舶撞擊下的碰撞力進(jìn)行計(jì)算，將其與現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果的差異。此外，針對(duì)此種特殊橋墩形式，設(shè)計(jì)了一種防船撞裝置，使得橋墩在受到船舶撞擊時(shí)，兩肢可以協(xié)同受力，并對(duì)該防撞設(shè)施的耐撞性能進(jìn)行了分析。

1 船橋碰撞力影響參數(shù)

現(xiàn)有研究表明，船橋碰撞力大小主要受船舶噸級(jí)、船型、碰撞速度、碰撞角度及碰撞接觸面積影響。

1.1 橋墩主尺度

香爐洲大橋位于長沙市望城區(qū)，橫跨湘江，位于長沙樞紐庫區(qū)香爐洲洲頭。香爐洲大橋主橋東汊部分采用2×165 m連續(xù)剛構(gòu)。橋墩采用雙肢薄壁墩，橋墩形式如圖1所示。單肢橫橋向?qū)?8.1 m，順橋向?qū)?.6 m，兩肢間隔5 m。

圖1 橋墩一般構(gòu)造圖(單位： cm)

1.2 代表船型、船速與偏航角

本橋所處航道為規(guī)劃Ⅰ級(jí)航道，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[6]，Ⅰ級(jí)航道可通航3 000 t級(jí)以上船舶。橋址位于長沙樞紐庫區(qū)，通航條件良好，且考慮到未來船舶大型化發(fā)展趨勢，本文選用5 000 t級(jí)散貨船作為防船撞研究代表船型，其主尺度如表1所示。

表1 設(shè)防代表船型主尺度船舶噸級(jí)/t總長/m型寬/m型深/m設(shè)吃水/m滿載排水/t5 00097.015.87.55.96 756

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，船舶撞擊速度與船舶在航道內(nèi)正常航速及水流速度有關(guān)，如式(1)所示。

(1)

式中:V為船舶撞擊速度；VU為船舶在航道內(nèi)的正常行駛速度；VL為水域特征流速；x為橋墩中心線到航道中心線距離；xC為航道中心線至航道邊線的距離；xL為航道中心線至3倍船長處的距離。

該橋橋址位于長沙樞紐庫區(qū)，水流速度較為穩(wěn)定，20 a一遇洪水位時(shí)最大流速<1.6 m/s，考慮到橋墩阻水會(huì)使橋墩附近水流產(chǎn)生局部增大，因此取水流速度2 m/s。橋址附近通航船舶正常航速均在8節(jié)(4.12 m/s)以內(nèi)。因此，計(jì)算可得船舶撞擊速度為3.98 m/s。

船橋碰撞時(shí)偏航角越大，碰撞力在順橋向分量越大，對(duì)于橋梁安全威脅也就越大?，F(xiàn)有研究表明，船舶撞擊橋墩時(shí)偏航角一般不超過20°，與我國《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]的建議值一致。因此，本文選取船橋碰撞偏航角為20°。

2 船橋碰撞數(shù)值仿真分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA建立船舶與橋墩的有限元模型，圖2為船橋碰撞有限元模型。其中對(duì)于船體采用Shell163單元模擬，船舶骨材采用Beam161單元模擬，通過實(shí)常數(shù)控制板材厚度及骨材截面形式。船艏為參與碰撞主要部位，建模時(shí)需細(xì)化該部分網(wǎng)格，船艏部分網(wǎng)格大小控制在0.3 m左右，船身部分不直接參與碰撞，為減小計(jì)算量，該部分網(wǎng)格可適當(dāng)增大，網(wǎng)格尺寸控制在2 m左右。全船共計(jì)129245個(gè)單元。

圖2 船橋碰撞有限元模型

船體主要材料為Q235鋼，采用隨動(dòng)塑性材料模型模擬，主要參數(shù)如表2所示。雙肢薄壁墩雖為柔性橋墩，但其剛度仍顯著高于船舶剛度，碰撞過程中變形吸能較小，因此建模時(shí)采用剛性材料模擬橋墩。

表2 鋼材參數(shù)表密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比屈服強(qiáng)度/MPa7 8502100.3235切線模量/GPaCPε1.1840.450.34

當(dāng)船舶正向撞擊橋墩一肢時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最大橫橋向碰撞力；當(dāng)船舶以最大偏航角斜向撞擊橋墩一肢時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最大順橋向分力。因此，本文選取的計(jì)算控制工況為這2種最危險(xiǎn)工況。

2.2 結(jié)果分析

圖3為2種工況下船橋碰撞力時(shí)程曲線。船橋正撞時(shí)碰撞力峰值為44.66 MN，峰值出現(xiàn)時(shí)刻在0.53 s；船舶以20°偏航角斜向撞擊橋墩時(shí)，橫橋向碰撞力峰值為48.11 MN，順橋向碰撞力峰值為20.64 MN，峰值分別出現(xiàn)在0.58 s與0.59 s。整個(gè)碰撞過程均在2 s內(nèi)完成。

圖3 碰撞力時(shí)程曲線

綜上可知，正撞與斜撞的碰撞力峰值出現(xiàn)時(shí)刻接近，船舶存在偏航角時(shí)，碰撞力峰值出現(xiàn)時(shí)刻略微滯后于船橋正撞工況。斜撞計(jì)算工況的橫橋向碰撞力略高于正撞工況，是由于墩身迎撞面存在一45°角分水尖，船舶在20°角偏航斜向撞擊墩身時(shí)，船速方向與接觸面法向夾角小于正撞工況，因此計(jì)算所得撞擊力更大。

跟據(jù)我國《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]提供的船橋碰撞力計(jì)算公式，可計(jì)算得到該橋橫橋向碰撞力為34.8 MN。可見規(guī)范計(jì)算結(jié)果小于動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果峰值。由該橋設(shè)計(jì)資料可知，該橋橫橋向抗力為31 MN，順橋向抗力為12 MN，根據(jù)動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果，2個(gè)方向船舶撞擊力均高于橋墩抗力，因此有必要對(duì)橋梁進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。

3 橋墩防船撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

3.1 防船撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要設(shè)防的橋墩處高低水位落差較大，選用自浮式防撞設(shè)施可較好地適應(yīng)水位變化。因雙肢薄壁墩橋墩形式特殊，在進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)時(shí)增加了兩肢之間的橫向隔艙部分(見圖4)，可以使橋墩在受到船舶撞擊時(shí)兩肢共同受力，提高橋墩受到船舶撞擊時(shí)的安全性能。防撞設(shè)施總長29.8 m，型寬13.4m，型深5 m，內(nèi)部通過X型和Y型隔板形成獨(dú)立隔艙。防撞設(shè)施與墩身接觸面設(shè)置阻尼元件，在碰撞過程中起到緩沖作用。

圖4 防撞裝置構(gòu)造(單位： mm)

3.2 防撞結(jié)構(gòu)性能分析

采用ANSYS/LS-DYNA建立防撞裝置數(shù)值模型，如圖5所示。防撞設(shè)施板材采用Shell163單元模擬，桁材采用Beam161單元模擬。防撞設(shè)施主體材料為Q235鋼，材料參數(shù)與船體材料一致?；诖?、橋墩和防撞裝置數(shù)值模型，對(duì)設(shè)防后船橋碰撞進(jìn)行動(dòng)力分析。

圖5 防撞設(shè)施有限元模型

表3為設(shè)防后船橋碰撞力峰值計(jì)算結(jié)果。由表可知，對(duì)于正撞工況，設(shè)防后橫橋向碰撞力峰值為29.58 MN，防撞設(shè)施對(duì)于碰撞力削減達(dá)到33.77%；對(duì)于20°斜撞工況，設(shè)防后橫、順橋向碰撞力峰值分別為28.32 MN與10.36 MN，防撞設(shè)施對(duì)于碰撞力的削減分別達(dá)到41.13%與49.81%。由此可見，防撞設(shè)施可以很好地起到緩沖吸能效果。

表3 船橋碰撞力峰值計(jì)算結(jié)果工況碰撞角度/(°)碰撞速度/(m·s-1)碰撞力峰值/MN橫橋向順橋向103.9829.58—2203.9828.3210.36

圖6為設(shè)防后碰撞力時(shí)程曲線。加設(shè)防撞設(shè)施后，2種計(jì)算工況碰撞歷時(shí)均在2.6 s左右，與船舶直接撞擊橋墩相比，碰撞歷時(shí)增加30%左右。根據(jù)動(dòng)量守恒定理，在初始碰撞動(dòng)能想同條件下，碰撞持時(shí)越長，碰撞力越小。

圖6 設(shè)防后橋墩船撞力時(shí)程曲線

圖7為設(shè)防后碰撞力峰值出現(xiàn)時(shí)刻船艏及防撞裝置應(yīng)力云圖。加設(shè)防撞設(shè)施后船艏損傷變形較小，因此，防撞設(shè)施除能有效保護(hù)橋梁外，還能起到保護(hù)船舶的作用。防撞設(shè)施在迎撞面發(fā)生較大損傷變形，可吸收碰撞過程中大部分動(dòng)能。

圖7 船艏及防撞設(shè)施應(yīng)力云圖(單位: Pa)

4 結(jié)論

以長沙香爐洲大橋?yàn)楸尘?，采用ANSYS/LS-DYNA對(duì)連續(xù)剛構(gòu)雙肢薄壁墩在船舶撞擊下的安全性能進(jìn)行分析。針對(duì)橋墩特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可使兩肢協(xié)同受力的防撞裝置，主要得到如下結(jié)論：

1)與規(guī)范公式的碰撞力計(jì)算結(jié)果相比，采用數(shù)值仿真方法計(jì)算所得碰撞力更大。而雙肢薄壁墩因自身柔度相對(duì)較大，在受到船舶撞擊時(shí)損傷破壞風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，對(duì)于雙肢薄壁墩防船撞設(shè)計(jì)建議采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行計(jì)算。

2)設(shè)計(jì)了一種可使雙肢薄壁墩在受到船舶撞擊時(shí)兩肢協(xié)同受力的防撞裝置。經(jīng)數(shù)值模擬分析，該防撞設(shè)施可有效吸收碰撞時(shí)船舶動(dòng)能，對(duì)碰撞力削減可達(dá)30%以上，有效保護(hù)了橋梁及船舶安全。