忠州長(zhǎng)江大橋浮式消能防撞裝置防護(hù)性能研究

王 鵬，劉國貴，陶小蘭

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.海南博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)開發(fā)建設(shè)有限公司，海南 瓊海 571435)

我國江河和海灣眾多，內(nèi)河航道里程已達(dá)12.73萬km[1]，隨著水陸交通高速發(fā)展，我國興建了大量跨航道橋梁。其中跨越Ⅰ～Ⅶ級(jí)航道橋梁共約1.72萬座，跨越Ⅴ級(jí)及以上內(nèi)河航道橋梁共計(jì)4 715座，跨越沿海航道橋梁共計(jì)94座[2]。長(zhǎng)江干線平均約20 km即架設(shè)1座橋梁，尤其在重慶、武漢、南京主城區(qū)，已形成橋群河段，平均每3 km～4 km就有1座跨江大橋。航道橋梁數(shù)量激增、船舶密度增加及大型化，造成船撞橋事故頻發(fā)。重慶白沙沱長(zhǎng)江大橋、武漢長(zhǎng)江大橋和南京長(zhǎng)江大橋自建成以來，船撞事故分別發(fā)生了100起以上、70起(直接經(jīng)濟(jì)損失超過百萬的大事故超過10起)和30起[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅發(fā)生在中國長(zhǎng)江、珠江、黑龍江三大水系干流上的船撞橋事件就達(dá)到300起以上，造成了上億元的經(jīng)濟(jì)損失[3]。當(dāng)前針對(duì)抗撞能力不足、船撞風(fēng)險(xiǎn)較高的橋墩防護(hù)處置仍較為滯后，長(zhǎng)江干線橋梁已設(shè)置橋墩防撞裝置的有23座，僅占需要處置橋梁數(shù)的27.7%。而美國交通部門統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示：大型橋梁通航運(yùn)營(yíng)期間，約10%會(huì)因船撞而垮塌，若不重視預(yù)防，甚至?xí)_(dá)到50%以上[4]。為此，迫切需要開展相關(guān)研究，提出合理的防撞裝置提升橋墩防撞需求。

防撞裝置種類繁多，橋梁所處水文環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式各異，使得防撞保護(hù)處置極具個(gè)性化，需根據(jù)實(shí)際情況綜合擬定。如重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋[5]采用復(fù)合材料防撞護(hù)舷裝置沿高水位至低水位布置在橋墩兩側(cè)，重慶涪陵烏江大橋[6]則采用了混凝土格柵外掛復(fù)合材料護(hù)舷的方式，對(duì)大橋兩側(cè)拱腳進(jìn)行了隔離。本文針對(duì)忠州長(zhǎng)江大橋P9過渡墩抗撞能力不足的問題，基于已有研究成果，提出了一種鋼結(jié)構(gòu)浮式消能防撞裝置，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)該防撞裝置的防護(hù)性能進(jìn)行了分析，以期為工程順利實(shí)施提供指導(dǎo)。

1 工程概況

忠州長(zhǎng)江大橋位于忠縣縣城上游8 km處，是滬蓉國道主干線支線分水嶺(鄂渝界)至忠縣高速公路的關(guān)鍵性控制工程，東起康家沱，跨越馬糞磧及長(zhǎng)江主航道。大橋主跨為460 m斜拉橋，居國內(nèi)同類橋梁第三，橋型布置見圖1。主塔墩高247.5 m，居同類橋梁第二，僅低于蘇通長(zhǎng)江大橋。通航航道劃分2個(gè)輔航道，一個(gè)主航道，設(shè)計(jì)最高、最低通航水位分別為174.7 m和143.78 m。單孔單向通航凈寬不小于160 m，單孔雙向通航凈寬不小于320 m，通航凈高不小于18 m。

單位：cm圖1 橋型布置Fig.1 Bridge layout

忠縣長(zhǎng)江大橋位于三峽水庫上游回水段，常年通航3 000 DWT～5 000 DWT的干散貨船。橋區(qū)位于鄧家沱彎道，下游接王家沱彎道。汛期彎道處水流速度較快，橫流較大。此外，橋區(qū)淺灘分布較多，航行條件復(fù)雜，已經(jīng)歷了幾起船舶或漂流物撞擊事故。特別是2019年7月24日凌晨，一艘4 000 t危險(xiǎn)品貨船撞擊大橋橋墩，導(dǎo)致表面混凝土脫落，橫、縱向損傷寬度達(dá)到70 cm和30 cm。因此，需選用合適的防撞裝置對(duì)橋墩進(jìn)行保護(hù)。

2 防撞方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《忠州長(zhǎng)江大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)專題研究》[7]，大橋P9過渡墩抗撞能力不滿足需求，抗力差為16%，抗力需求見表1。

表1 P9過渡墩抗力需求Table 1 Crash resistance requirements of P9

由于橋區(qū)水位落差高達(dá)33 m，為保障大橋安全運(yùn)營(yíng)，擬采用浮式消能防撞裝置保護(hù)橋墩。該型防撞裝置主要由多個(gè)板梁結(jié)構(gòu)的密封艙室，桁架支撐結(jié)構(gòu)以及鼓型橡膠構(gòu)成，頂板、底板以及各橫縱壁板板厚均為8 mm，強(qiáng)肋和水平桁為290 mm×120 mm×8 mm(h×b×t)的T型鋼，弱肋為80 mm×50 mm×6 mm的L型鋼，內(nèi)部桁架為200 mm×150 mm×10 mm的工字鋼。所有型鋼和鋼板均采用Q235鋼材。為防止與橋墩發(fā)生硬性接觸，在裝置內(nèi)側(cè)設(shè)置鼓型橡膠，同時(shí)在與橋墩表面接觸處設(shè)置滑動(dòng)滾輪以滿足隨水位變動(dòng)而自由浮動(dòng)。整個(gè)防撞裝置長(zhǎng)為36.3 m，寬15.2 m，高3.3 m，防撞方案平面布置見圖2。

3 碰撞系統(tǒng)有限元模型

根據(jù)船撞事故統(tǒng)計(jì)顯示，橋梁受船舶撞擊均發(fā)生在橋墩部位，為此，計(jì)算模型中橋墩與承臺(tái)均采用實(shí)體單元、樁基采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行劃分。為縮短計(jì)算時(shí)間，其他不與船舶發(fā)生直接接觸的部分采用尺寸較大的實(shí)體單元。土彈簧剛度根據(jù)規(guī)范[8]確定，取值見表2，并通過ls-dyna材料庫的*MAT_SPRING_ELASTIC[9]模型模擬。

單位：mm圖2 浮式消能防撞裝置方案平面布置Fig.2 Plane layout of floating energy dissipation anti-collision device scheme

表2 土彈簧剛度Table 2 Stiffness of soil spring

防撞裝置頂?shù)装?、壁板、縱橫向加勁板均采用殼單元模擬，T型鋼、L型鋼、工字鋼均采用梁?jiǎn)卧?，鼓型橡膠采用實(shí)體單元模擬，接觸碰撞部位網(wǎng)格尺寸為100 mm，以便與船艏單元尺寸匹配，防撞裝置劃分共計(jì)52 884個(gè)單元。

船舶模型選取具有代表性的內(nèi)河5 000 DWT散貨船，該型船舶總長(zhǎng)100 m，型寬16.8 m，型深7.8 m，設(shè)計(jì)吃水6.1 m，滿載排水量6 700 t。全船采用殼單元?jiǎng)澐?，為精確反映碰撞過程，同時(shí)提高計(jì)算效率，船艏單元尺寸控制在100 mm以內(nèi)，向船身過渡的網(wǎng)格劃分逐漸稀疏，單元尺寸控制在400 mm以內(nèi)。整船有限元模型共計(jì)90 291個(gè)單元，其中船艏部分52 798個(gè)單元。碰撞系統(tǒng)中殼單元算法選用缺省的Belytschko-Tsay單點(diǎn)積分，該算法在處理大應(yīng)變問題中具有更高的精度與計(jì)算效率。同時(shí)為獲得良好單元以保持?jǐn)?shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性，控制四邊形單元翹曲角不大于15°。梁?jiǎn)卧惴ㄟx用3號(hào)Truss積分，實(shí)體單元算法選用缺省的Constant stress積分。碰撞系統(tǒng)有限元模型見圖3。

(a) 船舶 (b) 橋墩 (c) 防撞裝置

4 碰撞邊界條件

4.1 材料本構(gòu)模型

船舶與防撞裝置所用鋼材采用Cowper-Symonds本構(gòu)模型描述受應(yīng)變率影響的塑性行為，通過定義關(guān)鍵字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC實(shí)現(xiàn)[9]。Q235鋼材料參數(shù)見表3。船身中后部遠(yuǎn)離碰撞接觸區(qū)，幾乎不發(fā)生變形，為提高計(jì)算效率，采用剛體模型，通過定義關(guān)鍵字*MAT_RIGID實(shí)現(xiàn)。

表3 Q235鋼材料參數(shù)[10]Table 3 Material parameters of Q235 steel

橋墩混凝土材料采用連續(xù)蓋帽本構(gòu)模型模擬，通過關(guān)鍵字*MAT_CSCM實(shí)現(xiàn)。CSC模型常被用于低速?zèng)_擊模擬，能夠準(zhǔn)確估計(jì)RC構(gòu)件的沖擊響應(yīng)[11-12]。詳細(xì)參數(shù)取值見表4。

表4 CSC模型本構(gòu)參數(shù)[13]Table 4 CSC constitutive parameters

橡膠材料采用不可壓縮Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，通過定義關(guān)鍵字*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER實(shí)現(xiàn)。橡膠材料密度1 138 kg/m3，泊松比0.49，常數(shù)A=3.97×105Pa，B=9.9×104Pa[14]。

4.2 接觸定義

為模擬撞擊過程中碰撞系統(tǒng)各部分受力行為，通過*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE分別定義船艏內(nèi)部、防撞裝置內(nèi)部自接觸；通過*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE定義船、防撞裝置、橋墩之間自動(dòng)面面接觸。船-防撞裝置、防撞裝置-橋墩間的摩擦系數(shù)分別取0.3、0.25[15]。

4.3 碰撞工況

撞擊船舶為5 000 DWT散貨船滿載以3.9 m/s速度撞擊，選取了3個(gè)代表性撞擊位置，見圖4。其中位置1為船舶沿橋墩中軸線方向正撞；位置2為船舶平行于橋墩中軸線方向撞擊側(cè)邊中點(diǎn)；位置3為30°斜撞防撞裝置薄弱點(diǎn)。

圖4 船舶撞擊橋墩位置點(diǎn)Fig.4 Impact location

5 動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果分析

船舶以3.9 m/s速度沿橋墩中軸線方向正撞防撞裝置，碰撞能量為51 MJ。撞擊過程中的能量轉(zhuǎn)化曲線見圖5。系統(tǒng)總能量基本守恒，沙漏能占比10%以內(nèi)，可認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果可靠。碰撞中動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為船舶和防撞裝置內(nèi)能、界面滑移能、沙漏能。由于船艏、防撞裝置與橋墩間存在相互摩擦，因此界面滑移能不完全為零。

圖5 撞擊位置1能量時(shí)程曲線Fig.5 Energy time history curve of impact at position 1

不同撞擊位置下，有/無防撞裝置的船撞力時(shí)程曲線對(duì)比見圖6。從圖6可知，撞擊位置1為防撞設(shè)計(jì)的最不利撞擊工況，無防護(hù)下船撞力峰值約為33 MN，有防護(hù)下撞擊力峰值為15.8 MN，折減了52%。位置2平行于橋墩中軸線方向撞擊裝置側(cè)邊中點(diǎn)，無防護(hù)下峰值力為29.7 MN，有防護(hù)下為13.7 MN，船撞力折減率達(dá)到54%。撞擊裝置薄弱處時(shí)船撞力折減率降低到27%。

(a) 位置1

橋墩受撞擊其易受損部位為樁基，此時(shí)樁基主

要表現(xiàn)為受彎破壞。有/無防護(hù)的樁頂彎矩對(duì)比見圖7。由圖7可知，在設(shè)置防撞裝置后，樁基受彎程度得到了大幅降低，最高可達(dá)78%。撞擊過程中的墩頂最大位移對(duì)比見表5，位移折減率最高可達(dá)到60%。從表5可知，設(shè)置浮式消能防撞裝置后，其撞擊力遠(yuǎn)小于橋墩抗力，可有效保護(hù)橋墩。

(a) 位置1

表5 墩頂最大位移Table 5 Maximum displacement of pier top

各撞擊位置下防撞裝置與船艏的最大變形見圖8、圖9。由于防撞裝置以薄鋼板制作而成，碰撞中通過不可恢復(fù)的塑性變形吸收撞擊能量，因此防撞裝置均產(chǎn)生較為嚴(yán)重變形，但節(jié)段間未發(fā)生脫落，仍緊密連接。大部分碰撞能量由防撞裝置吸收，船艏變形得到了很好的抑制，說明該防撞裝置能有效保護(hù)橋梁與船舶。但船舶無法導(dǎo)向駛出橋區(qū)，被防撞裝置鑲住。

圖8 防撞裝置最大變形

圖9 船艏最大變形

6 結(jié)論

1) 在P9過渡墩設(shè)置浮式消能防撞裝置可有效保障大橋安全運(yùn)營(yíng)，最不利撞擊工況下船撞力折減率達(dá)52%，墩頂位移折減率達(dá)60%，遠(yuǎn)小于橋墩抗力，此時(shí)橋墩具有足夠的安全儲(chǔ)備。

2) 防撞裝置主要通過鋼材塑性變形吸收撞擊能量，船艏變形得到了很好的抑制，但無法撥轉(zhuǎn)船舶，其能量交換率較高，防撞裝置破壞較為嚴(yán)重。