株洲湘江八橋防船撞設施設計及仿真計算分析

顧民杰，伏耀華，王君杰

[1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.上海船舶運輸科學研究所有限公司，上海市 200135；3.同濟大學，上海市 200092]

0 引言

株洲湘江八橋（清水塘大橋）為跨越湘江的特大型橋梁工程，主橋為跨徑100 m+408 m+100 m中承式鋼桁拱橋。橋面按人車上下分離式布置，上層為雙向6車道城市主干路，下層布置慢行系統(tǒng)，其下層梁體通過吊桿下掛于上層主梁結構。大橋為國家重點推進項目——清水塘老工業(yè)區(qū)改造的配套基礎設施工程，其建設對改善現(xiàn)狀交通、加強兩岸聯(lián)動、推動片區(qū)轉型、促進片區(qū)發(fā)展具有里程碑式意義。

湘江是長江七大支流之一，也是湖南境內最大的河流，下游連通長江黃金水道，具有通江達海的優(yōu)越水運自然條件。湘江八橋橋位屬湘江長沙綜合樞紐庫區(qū)Ⅱ級航道，橋區(qū)跨越湘江水道，通橋區(qū)航道船舶較多，且橋位毗鄰銅塘灣港區(qū)碼頭，通航環(huán)境較為復雜，橋梁存在被船舶撞擊的風險。因此，設計一個合理、經(jīng)濟的橋梁防船撞結構設施，化解船撞風險，是大橋設計中的一個重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)港口航道規(guī)劃，大橋橋區(qū)最大通航船型為3 000噸級船舶，基于該防船撞等級，根據(jù)前期船舶撞擊風險分析的結果，設計了一種可行的防撞設施來保護橋墩。為驗證防撞設施的設防效果，本文基于有限元分析技術[1]，利用MSC-Dytran仿真模擬了一艘3 000噸級貨船以4.42 m/s的速度分別撞擊橋墩和防撞設施的工況，計算分析在設防工況下的船舶撞擊影響。同時仿真模擬了2 000噸級船舶在失控狀態(tài)下以漂流狀態(tài)撞擊橋梁時桅桿和大橋下層主梁碰撞的工況，計算桅桿撞擊力大小，確定警示攔截方案，以減小對大橋的撞擊力，最大程度地保護橋梁的安全。

1 橋梁防撞方案

橋梁的防撞體系分為主動防撞和被動防撞。主動防撞結合橋區(qū)水域實際情況和通航環(huán)境，通過完善助、導航設施，建立橋區(qū)主動防撞預警系統(tǒng)，對過往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實施有效監(jiān)控，防止船撞橋事件的發(fā)生?？紤]到本工程毗鄰港區(qū)，無法通過主動防撞預警降低港區(qū)船舶失控漂流撞橋風險，故被動防撞設施尤為重要。

被動防撞方案的形式多種多樣，有釋能附體防撞系統(tǒng)、群樁防撞系統(tǒng)、人工島防撞系統(tǒng)等。根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩位置、橋墩外形、水流速度、水位變化情況、通航條件、碰撞速度等因素綜合分析，本項目擬采用浮式釋能附體系統(tǒng)作為被動防撞設施。

釋能附體防撞設施具有諸多優(yōu)點：占用航道空間少；易于制造、安裝和維護；對撞擊船舶的能量（動能）進行消能緩沖，使船舶結構不能直接撞擊橋墩結構；在各種水位條件和各種船舶的裝載狀態(tài)下，撞擊的船舶結構不能直接觸到墩壁，水下的球艏部分不能直接撞到墩身；結構形式和結構布置合理，使船撞事故發(fā)生后，通過防撞結構的變形、壓潰和撕裂，撥動船頭方向，讓碰撞船舶帶走更多能量，減少橋梁吸收的能量，降低船撞力；一旦發(fā)生船撞，結構易損，但拆除更換較容易。綜上，釋能附體防撞設施具有很好的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。

浮式防撞設施內部通過型材、板材、肘板等組成骨架，外部焊接鋼板，內外層間填充吸能材料，形成一個整體后附著在承臺外側。防撞設施外部設計成流線形，以改善波流力，同時在船撞時可以有效調撥船首，使撞擊船舶的能量大部分保留在船舶上，最大限度地減少橋墩、船舶和防撞設施的損傷。

主墩浮式釋能附體防撞設施總長45.7 m，型寬13.2 m，型深3.8 m。根據(jù)防撞功能的不同采用變截面的形式，主迎撞側厚4.5 m，次迎撞側厚2.0 m。為減輕結構重量和減小波流力的影響，釋能附體外板開有減輕孔。釋能附體外部安裝護舷，小型船舶撞擊時，護舷起到初期緩沖和消能的作用，同時可對船舶加以保護。圖1、圖2分別為防撞設施平面和立面示意圖。

圖1 主墩釋能附體防撞設施平面示意圖（單位：cm）

圖2 主墩釋能附體防撞設施立面示意圖（單位：cm）

2 有限元仿真分析

利用Patran建立船橋碰撞有限元模型，定義模型材料屬性、載荷、速度、約束等條件，利用MSC.Dytran進行仿真計算[2]，驗證防撞設施的吸能效果。

2.1 有限元模型

有限元模型中，撞擊船的船體后半段采用剛性板單元模擬，船艏部采用可變形的彈塑性板單元模擬。對碰撞區(qū)內的船體結構，計算模型做了比較精細的描述，對于遠離碰撞區(qū)的結構，由于在碰撞中基本上不發(fā)生變形，因此為了減小模型規(guī)模、提高計算效率，簡化為由船體外板和甲板組成的剛性模型，船艏和后半段中間采用了過渡單元連接[3]。大橋橋墩采用剛性板單元模擬，防撞鋼套箱采用彈塑性板單元模擬。有限元模型如圖3至圖6所示。

圖3 3 000噸級船舶有限元模型

圖4 主墩有限元模型

圖5 主墩與鋼套箱有限元模型

圖6 船與鋼套箱碰撞有限元模型

2.2 防撞計算工況

撞擊工況根據(jù)AASHTO規(guī)范給出的建議選取，防撞船型根據(jù)規(guī)劃考慮3 000噸級貨船滿載高水位以4.42 m/s的速度分別正面撞擊橋墩和鋼套箱防撞設施，并對防撞效果進行分析（見表1）。

表1 設計防撞計算工況表

2.3 船和防撞鋼套箱碰撞有限元模擬計算結果

非線性動態(tài)有限元模擬技術可以對結構細節(jié)和碰撞時間歷程給出良好的仿真效果[4]，且較為精確地計算碰撞力。3 000噸級貨船以4.42 m/s的速度正面撞擊橋梁主墩防撞鋼套箱時碰撞力及碰撞體響應的計算結果見圖7至圖13。

圖7 碰撞力時程曲線

圖8 船舶速度時程曲線

圖9 船舶位移時程曲線

圖13 1.0 s時鋼套箱變形及等效應力分布圖

通過計算分析可得，3 000噸級貨船在滿載狀態(tài)下以4.42 m/s的速度正面撞擊橋墩防撞鋼套箱，最大碰撞力為27.7 MN,設防前的最大碰撞力為37.1 MN，主墩的船舶撞擊力降低了約25.3%。

圖10 船首和套箱吸能時程曲線

圖11 1.0 s時碰撞變形及等效應力分布圖

圖12 1.0 s時船艏變形及等效應力分布圖

主墩采用釋能附體防撞設施后，船橋碰撞過程有了緩沖區(qū)域。船舶撞擊后，艏部與防撞設施直接碰撞，碰撞區(qū)域內的釋能附體局部產(chǎn)生重大壓潰和變形。在防撞套箱的各構件中，外鋼板吸收能量最多，內鋼板吸收的能量次之。水平筋板的設置對系統(tǒng)各部分沖擊力、沖擊深度和吸收能的影響大于豎向筋板[5]。碰撞過程的總能量是44.9 MJ，防撞設施吸收的能量為12.7 MJ，防撞設施的釋能效率為28.2%。同時，船艏較設防前破損范圍有所減小，防撞設施起到了較好的緩沖和消能作用。

3 船舶桅桿撞擊橋梁計算分析

3.1 船舶桅桿撞擊下層橋面情況分析

根據(jù)《內河通航標準》規(guī)定，Ⅱ級航道過河建筑物通航凈空高度不小于10.0 m。主橋邊跨為2 000噸級內河船舶通航孔，吃水線以上高度為12.0 m，因而在最高通航水位時，存在桅桿撞擊下層慢行系統(tǒng)橋面的風險，如圖14所示。

圖14 桅桿撞擊橋梁人非道示意圖

3.2 桅桿撞擊工況有限元模擬

采用有限元模擬船舶桅桿和橋梁碰撞區(qū)域主梁，設定對應的邊界條件，進行有限元仿真計算分析（見圖15）。

圖15 2 000噸級船舶桅桿撞擊鋼梁結構的計算模型

3.3 桅桿撞擊工況

由于2 000噸級船舶僅在失控狀態(tài)下有撞擊橋梁的可能，因此選取漂流狀態(tài)進行計算。計算工況見表2。

表2 桅桿撞擊橋梁計算工況表

3.4 計算結果

船舶撞擊力及桅桿破損響應結果如圖16~18所示，可知若船舶在失控情況下以漂流速度撞擊大橋下層橋面，在碰撞過程中，隨著碰撞時間的進程，桅桿變形逐步增大，碰撞力也逐步增加，最后桅桿破損吸能。

圖16 船舶撞擊力時程曲線（設防前）

圖17 桅桿破損吸能曲線（設防前）

圖18 3 s時桅桿破損變形應力云圖（設防前）

根據(jù)計算結果（見表3）可知，設防前若2 000噸級船舶漂流撞擊大橋下層橋面，最大撞擊力為0.38 MN，警示攔截設防后，船舶撞擊速度降低，2 000噸級船舶漂流撞擊橫梁最大撞擊力降為0.24 MN，撞擊力降低約37%，因此警示攔截設防十分必要。

表3 桅桿撞擊橋梁計算結果

4 結語

（1）結合橋位處航道、船型、橋墩結構等實際情況，對主墩采用釋能附體防撞方案，不僅具有良好的防撞性能，還兼具經(jīng)濟性和易維護性。

（2）通過有限元分析和對比研究，主墩采用釋能鋼套箱防船撞設施。該設計防撞釋能效率可以達到28.2%。此防撞設計方案具有較好的設防效果，對橋梁和船舶起到了很好的保護作用。

（3）對通航水域的橋梁，需注意通航凈空高度和船舶實際吃水線以上高度的關系，若非通航孔通航凈高不滿足規(guī)范要求，需按規(guī)定設置明顯的警示標志，并采取防止船舶碰撞的保護措施，加強通航監(jiān)管，防止船舶的桅桿撞擊大橋主梁，造成經(jīng)濟損失。

（4）在本項目中首次采用有限元分析的方法模擬了船舶桅桿撞擊大橋主梁的情況，精準計算出撞擊力大小，為設防設施的選擇提供了可靠的理論基礎，保障了大橋和船舶的安全。