清云高速肇云大橋抗撞性能分析★

馮佳佳，朱登遠(yuǎn)，雷艷紅，吳 華

(1.西藏大學(xué)工學(xué)院,西藏 拉薩 850000； 2.西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩 850000； 3.肇慶市公路發(fā)展有限公司，廣東 肇慶 526040)

1 工程基本情況

跨越航道橋梁是鐵路、公路、城市道路、水路等交通運(yùn)輸通道的咽喉節(jié)點，近年來一些橋梁與船舶不匹配的安全風(fēng)險凸顯，多次發(fā)生船舶碰撞橋梁的事故，直接影響到交通運(yùn)輸?shù)陌踩蜁惩?，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民群眾生命財產(chǎn)安全，因此，對橋梁的抗撞性能進(jìn)行分析顯得尤為重要[1]。

1.1 橋梁基本情況

清云高速肇云大橋設(shè)計橋軸線采用直線跨過西江，橋軸線法線方向與水流流向交角約11°。橋梁通航孔設(shè)單孔雙向通航，主橋跨徑組合為(300+738+212) m。主墩承臺平面尺寸為啞鈴型，尺寸為59.15 m×15.7 m(長×寬)，通航孔跨徑為738 m，凈高30 m，本文主要對涉水通航橋跨的17號南主塔、16號北主塔和15號北過渡墩的抗撞性能進(jìn)行分析。肇云大橋橋梁立面圖見圖1。

1.2 風(fēng)險來源

根據(jù)海事部門提供，近5年來，發(fā)生“船碰橋”險情6宗，由于處置及時，沒有發(fā)生船碰橋事故?？赡芤鸫芭鲎矘蛄旱娘L(fēng)險因素有橫流、氣象條件(雷雨大風(fēng)、大霧等)、船舶習(xí)慣航路、駕駛員安全意識淡薄、沒有按駕駛技術(shù)操縱、不了解通航環(huán)境等。

1.3 水流條件

橋址最高通航水位為17.63 m，最低通航水位為0.73 m。橋軸線法線方向與水流流向交角約11°，最高通航水位工況下，橋區(qū)最大橫向流速約0.34 m/s。這些流速超過0.30 m/s的點都離開橋墩位置約10 m，且橫流在法線方向上衰減較快，通航孔中絕大部分區(qū)域橫向流速較小。橋墩引起的橫向流速在20 m范圍之外對船舶的正常航行影響較小。在洪水期，受水中橋墩阻水作用影響，通航孔局部水域易產(chǎn)生橫流，增加了船舶駕駛和操縱的難度，可能引起船舶碰撞橋梁事故。

1.4 通航條件

綜合橋區(qū)航道條件、通航凈空尺度、涉水橋墩通航影響等方面分析，橋區(qū)航道條件與橋墩布置相適應(yīng)，通航凈空尺度滿足現(xiàn)狀及區(qū)段通航代表船型通航要求，在洪水期，受水中橋墩阻水作用影響，通航孔局部水域易產(chǎn)生橫流，增加了船舶駕駛和操縱的難度，可能引起船舶碰撞橋梁事故，其中通航孔左墩發(fā)生船舶碰撞事故概率大于通航孔右墩。

2 抗撞性能仿真分析

2.1 船撞力作用計算

肇云大橋所跨西江為Ⅰ級航道，通航船舶等級為3 000 t級，但根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，實際最大通航達(dá)5 000 t級船舶，根據(jù)航道整治代表船型、現(xiàn)狀調(diào)查代表船型和珠江航務(wù)管理局函告代表船型的統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)[2]，本次仿真代表船型尺寸如表1所示。

表1 設(shè)防代表船型尺寸表

與橋梁碰撞時，輪船撞擊力[3-4]設(shè)計值按下式計算：

F=α×η×γ×V×[(1+CM)×M]0.62

(1)

(2)

(3)

其中，F(xiàn)為輪船撞擊力設(shè)計值，MN；α為輪船撞擊力系數(shù)，取0.033；η為幾何尺寸的修正系數(shù)；γ為撞擊角度的修正系數(shù)；V為船舶撞擊速度,m/s；CM為附連水質(zhì)量系數(shù)，船艄正撞時宜取0.1～0.3，側(cè)撞時宜取0.5～4.5；M為滿載排水量，t；ΔH為被撞體厚度，m；HS為船艄高度,m；β為統(tǒng)計系數(shù)，取4.0；θ為船舶軸線與碰撞面法線夾角，0°≤θ≤45°；α0,b0均為參數(shù)，按照規(guī)范取值。

船舶撞擊速度按圖2速度曲線采用以下公式計算。

(4)

其中，V為船舶撞擊速度，m/s；VU為船舶在航道內(nèi)的正常行駛速度,m/s；VL為水域特征流速；x為橋墩中心線至航道中心線的距離,m；xC為航道中心線至航道邊緣的距離,m；xL為航道中心線至3倍船長處的距離,m。

根據(jù)所選用的設(shè)防代表船型，結(jié)合此橋梁的通航情況以及不同噸位船舶可能到達(dá)的橋墩、撞擊速度及撞擊水位，本次分析采用如表2所示的工況進(jìn)行計算。

表2 撞擊力計算工況表

2.2 計算方法與模型

橋梁主體結(jié)構(gòu)船撞效應(yīng)宜采用質(zhì)點碰撞法或強(qiáng)迫振動方法計算，船撞計算模型與方法的選取應(yīng)滿足橋梁抗撞性能驗算的要求[5-6]。本次分析采用規(guī)范推薦的強(qiáng)迫振動方法計算，采用有限元軟件進(jìn)行，該有限元軟件可通過時程分析，添加時間-力的函數(shù)節(jié)點動力荷載，從而實現(xiàn)強(qiáng)迫振動方法，并得到船撞的動力效應(yīng)。橋梁主體結(jié)構(gòu)船撞效應(yīng)計算應(yīng)采用全橋結(jié)構(gòu)分析模型，并考慮土-基礎(chǔ)的相互作用，根據(jù)橋址附近地質(zhì)情況，采用m法模擬樁基土彈簧作用。

本次計算按照結(jié)構(gòu)實際情況建立全橋有限元模型，采用梁單元進(jìn)行模擬。有限元模型如圖3所示。

2.3 荷載與組合

1)恒載：結(jié)構(gòu)重力(包括結(jié)構(gòu)附加重力)、橋面鋪裝、人行道及欄桿、防撞護(hù)欄等。

2)活載：公路-Ⅰ級。

3)碰撞力：碰撞力按上節(jié)要求的荷載數(shù)值，縱向撞擊力取橫向撞擊力的0.5倍。

由于肇云大橋為懸索橋，本次驗算考慮運(yùn)營風(fēng)荷載，故驗算采用的荷載組合為：1.0×恒載+0.4×汽車荷載+1.0×船舶撞擊作用+1.0×運(yùn)營風(fēng)荷載。

3 計算結(jié)果

1)工況一：17號南主塔，5 000 t，撞擊速度2.8 m/s，撞擊水位25.13 m。

a.橫橋向撞擊效應(yīng)見圖4。

b.順橋向撞擊效應(yīng)見圖5。

根據(jù)以上計算效應(yīng)可以看出，索塔受力最不利位置為塔底截面，樁基礎(chǔ)為樁頂截面，并根據(jù)計算結(jié)果確定船舶的撞擊效應(yīng)。

c.截面抗力。

根據(jù)原竣工圖，索塔塔底截面、樁基礎(chǔ)截面尺寸及配筋圖來計算截面抗力，其中鋼筋和鋼骨混凝土構(gòu)件的抗剪承載力按式(5)計算：

Vyd=φs(Vcd+Vwd+Vsd)

(5)

其中，Vyd為構(gòu)件的抗剪承載力設(shè)計值,kN；Vcd為混凝土部分的抗剪承載力設(shè)計值,kN；Vwd為箍筋部分的抗剪承載力設(shè)計值,kN；Vsd為鋼骨部分的抗剪承載力設(shè)計值,kN；φs為抗剪沖擊效應(yīng)折減系數(shù)，取0.7。

構(gòu)件的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)采用理想彈塑性模型描述,將構(gòu)件截面的彎矩界限值作為等效屈服彎矩值，采用截面分析軟件計算橋墩及樁基截面的等效屈服彎矩作為截面極限抗彎承載力(見表3)。

表3 偶然組合下索塔、樁基抗彎及抗剪承載能力驗算結(jié)果表(工況一)

根據(jù)以上計算結(jié)果，采用5 000 t級的船舶撞擊索塔時，偶然組合作用下，橋梁索塔和樁基截面抗彎及抗剪承載力均滿足規(guī)范[7]要求，索塔截面最小安全系數(shù)為1.43。因此在此情況下，橋梁受到船舶撞擊處于安全狀態(tài)。

2)工況二：17號南主塔，5 000 t，撞擊速度2.8 m/s，撞擊水位-2 m:采用5 000 t級的船舶撞擊索塔時，偶然組合作用下，索塔受力最不利位置為下橫梁塔柱截面，樁基礎(chǔ)為樁頂截面，在最不利位置處的橋梁索塔和樁基截面抗彎及抗剪承載力均滿足規(guī)范要求，低水位撞擊工況最小安全系數(shù)為6.82，因此在此情況下，橋梁受到船舶撞擊處于安全狀態(tài)。

3)工況三：16號南主塔，5 000 t，撞擊速度1.5 m/s，撞擊水位25.13 m：由于16號南主塔結(jié)構(gòu)與受力形式與17號北主塔一致，受到的撞擊速度和撞擊力均小于17號北主塔，因此在此工況下該索塔與樁基一定是穩(wěn)定的。

4)工況四：15號北過渡墩，3 000 t，撞擊速度1.5 m/s，撞擊水位25.13 m：采用3 000 t級的船舶撞擊過渡墩時，偶然組合作用下，橋墩受力最不利位置為墩底截面，樁基礎(chǔ)為樁頂截面，在最不利位置處的過渡墩墩身和樁基截面抗彎及抗剪承載力均滿足規(guī)范要求，墩身截面最小安全系數(shù)為1.95。因此在此情況下，橋梁受到船舶撞擊處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本論文通過現(xiàn)場實地調(diào)研分析結(jié)合統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)確定了設(shè)防代表船型及船撞力的計算；通過規(guī)范推薦的強(qiáng)迫振動法，考慮了船撞擊橋的動力效應(yīng)，采用有限元軟件對肇云大橋抗撞性能進(jìn)行了驗算分析，得到以下驗算結(jié)論：1)在通航孔范圍內(nèi)，17號南主塔在5 000 t級船舶、航速3 m/s、撞擊力作用于高水位點工況作用時，橋梁結(jié)構(gòu)受力為最不利工況，橋梁索塔及樁基抗撞性能均滿足規(guī)范要求，索塔截面最小安全系數(shù)1.43。2)在非通航孔范圍內(nèi)，15號北過渡墩在3 000 t級船舶、航速1.5 m/s、撞擊力作用于高水位點工況作用時，橋梁結(jié)構(gòu)受力為最不利工況，15號過渡墩及樁基抗撞性能均滿足規(guī)范要求，過渡墩墩身截面最小安全系數(shù)1.95。