對(duì)于南京棲霞山長(zhǎng)江大橋橋梁防碰撞性能的分析

吳鵬飛

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210000）

0 前言

隨著我國(guó)公路、鐵路等運(yùn)輸基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，跨江航道的橋梁數(shù)量日益增加，加之船舶大型化的發(fā)展，使得船舶發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)也日益增加。根據(jù)航道分段標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一要求，急需提出各船型、船隊(duì)的具體實(shí)施范圍，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)隱患自查評(píng)估。為響應(yīng)交通部、江蘇省交通運(yùn)輸廳、南京市交通運(yùn)輸局等主管部門的政策，南京公路發(fā)展（集團(tuán)）有限公司針對(duì)南京棲霞山長(zhǎng)江大橋，即南京長(zhǎng)江四橋開(kāi)展通航安全風(fēng)險(xiǎn)及抗撞性能綜合評(píng)估[1]。

1 工程概況

1.1 工程位置

南京棲霞山長(zhǎng)江大橋位于長(zhǎng)江江蘇南京區(qū)段內(nèi)，在南京長(zhǎng)江第二大橋下游約10 km處，距離長(zhǎng)江入?？诩s320 km。

1.2 橋型方案

棲霞山長(zhǎng)江南京主橋總長(zhǎng)28.996 km。其中，長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)5.448 km，南接段21.86 km，主跨1 418 m三車道吊懸索橋，全部按六車道的標(biāo)準(zhǔn)施工。設(shè)計(jì)時(shí)速100 km。2012年，棲霞山長(zhǎng)江南京大橋在2012年12月24日正式開(kāi)通。

1.2.1 橋型布置

該方案主橋主跨1 418 m，橋跨布置為575+1 418+483=2 476 m（主梁：409+1 418+364=2 191 m)。北側(cè)錨碇I.P.樁號(hào)AK16+629.785，南側(cè)錨碇I.P.樁號(hào)AK19+105.785，北塔中心線樁號(hào)AK17+204.785，南橋塔中心線樁號(hào)AK18+622.785.

在兩岸各錨碇間的凈間距為2 440 m，所有的錨碇都設(shè)在了堤壩之外，為保證橋體的安全提供了一定的空間。該橋的主跨處和兩側(cè)的側(cè)向跨越幾乎涵蓋了全部的河道，并將上下兩條航道布置在主要的航道中。

1.2.2 主體結(jié)構(gòu)

橋梁的索塔為復(fù)合式。剛構(gòu)式索塔的結(jié)構(gòu)形式為拱門式，拱塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上下橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，拱梁和豎桿采用鋼結(jié)構(gòu)。

塔底的設(shè)計(jì)高度為7.000 m，塔頂設(shè)計(jì)高為236.400 m，塔冠頂高度為230.600 m。在高聳的頂部，左、右兩根中軸線的間距為34 m，而在底部和右側(cè)的中間線的間距為45.5 m。

按索塔的主纜線間距和加勁梁的寬度計(jì)算，兩座塔柱橫橋均呈內(nèi)傾狀態(tài)，其傾角為1/38.92。塔柱順橋的橫向?qū)挾葟乃綐?biāo)高93.000 m，從12.0 m沿拱形過(guò)渡到8.8 m，其曲線半徑2 312.1 m；標(biāo)高93.000 m到頂部8.8 m。橫橋從塔底到塔高48.000 m，從9.0 m沿拱形過(guò)渡到6.5 m，塔柱外圓弧形半徑674.7 m，塔柱內(nèi)部曲線半徑672.6 m；從標(biāo)高48.000 m到頂部都是6.5 m。橋梁總體布置圖如圖1。

圖1 橋梁總體布置圖

1.3 橋位處船舶通航流量情況

根據(jù)交通主管部門提供的船舶流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及我單位在現(xiàn)場(chǎng)得到的船舶流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，南京棲霞山長(zhǎng)江大橋橋位處船舶流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

南京棲霞山長(zhǎng)江大橋橋位處日均通行船舶流量為866.2艘；峰值通行流量為66～72艘/h；平均載重噸位為10 380 t；最大噸位為120 000 t（巴拿馬貨船GREEN SAPPHIRE；船型尺度240×37×12.50 m）；累 積頻率85%、90%、95%的船舶噸位分別為18 970 t、20 480 t、24 360 t[2]。南京棲霞山長(zhǎng)江大橋通過(guò)船舶載重量分布規(guī)律如表1。

表1 南京棲霞山長(zhǎng)江大橋通過(guò)船舶載重量分布規(guī)律

進(jìn)一步分析，通過(guò)南京棲霞山長(zhǎng)江大橋橋區(qū)的船舶以貨船、油輪為主，兩種類型船舶占比分別為86.4%、11.6%。經(jīng)分析可知，南京棲霞山長(zhǎng)江大橋橋位處船舶基本沿著主輔通航孔通行，通航秩序良好。主航道的維修水深為12.5 m，航寬500 m，是一條可用于大船實(shí)際吃水4.5 m或50 m的航程。橋位為深水道以北200 m航寬推薦航路，可用于低空吃水4.5 m以下、船長(zhǎng)小于50 m的小型船只；南部向下的所有小艇都在向下航行，并盡量沿著紅色浮標(biāo)連接的一邊向下游航行。但是，在大橋的棲霞山港口，以及金陵石油化工1～8號(hào)的船只將會(huì)從大橋的南端向下游移動(dòng)。

2 抗撞性能驗(yàn)算

2.1 抗撞性能標(biāo)準(zhǔn)

按照《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T3360—02—20）（下文簡(jiǎn)稱《抗撞規(guī)范》），按船舶碰撞重要性等級(jí)和碰撞作用設(shè)防程度來(lái)決定該橋墩的抗船撞設(shè)防指標(biāo)。經(jīng)分析，南京棲霞山長(zhǎng)江大橋的抗船撞性能等級(jí)為JX1；橋梁抗船撞性能要求達(dá)到橋梁被防撞船型撞擊后支座可以保持正常功能。

2.2 設(shè)防代表船型確定

根據(jù)交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航務(wù)管理局《長(zhǎng)江局關(guān)于印發(fā)長(zhǎng)江干線船舶碰撞橋梁隱患治理自查評(píng)估區(qū)段通航代表船型船隊(duì)的通知》（長(zhǎng)航函道〔2021〕84號(hào)），橋位處設(shè)防代表船型為50 000 t海輪，同時(shí)兼顧100 000 t海輪（減載至70 000 t）[2]。

2.3 船舶可達(dá)性分析

北塔附近的水下地形高程在-5.3～-4.3 m之間，在最高通航水位7.98 m下，水深為12.28～13.28 m，最大可達(dá)50 000 t貨船。

南塔附近的水下地形高程在-14.6～-17.3 m之間，在最高通航水位7.98 m下，水深為22.58～25.28 m，可滿足50 000 t貨船和100 000 t貨船（減載至70 000萬(wàn) t）通行。

2.4 有限元模型建立

使用Midas Civil有限元軟件對(duì)整體橋梁進(jìn)行建模，單元性質(zhì)使用實(shí)體單元（墩臺(tái)）加梁?jiǎn)卧痘┠M建模，模型考慮樁土作用，使用節(jié)點(diǎn)彈性支承建立土彈簧以模擬樁土效應(yīng)。如圖2所示。

圖2 有限元模型建立

2.5 計(jì)算條件

2.5.1 船舶排水量

根據(jù)規(guī)范，船舶排水量和船舶載重量可按下式計(jì)算：

散貨船：DWT=0.75-0.85*M。

因此，經(jīng)換算，船舶排水量取70 000/0.75=93 333.3 t。

2.5.2 撞擊船速

根據(jù)前文分析，該報(bào)告計(jì)算船速取不利值，即25 km/h。

計(jì)算質(zhì)量為93 333.3 t，換算航速為6.94 m/s，根據(jù)規(guī)范得到70 000 t級(jí)代表載重船舶撞擊力時(shí)程曲線如圖3。

圖3 撞擊力時(shí)程曲線

2.6 撞擊墩臺(tái)應(yīng)力驗(yàn)算

70 000 t代表船型撞擊工況下，橋墩單元應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 撞擊墩臺(tái)截面應(yīng)力分布圖（整體坐標(biāo)系）

從圖4中可以看出，在撞擊向（整體單元坐標(biāo)系Y向），墩臺(tái)撞擊截面最大壓應(yīng)力位于撞擊點(diǎn)位置，最大壓應(yīng)力11.11 MPa，整個(gè)構(gòu)筑物上最大拉應(yīng)力為4.52 MPa；從XY向應(yīng)力分布可以看出，壓應(yīng)力與拉應(yīng)力呈間隔分布，最大拉應(yīng)力3.95 MPa，最大壓應(yīng)力2.78 MPa。按C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（19.1 MPa）、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1.71 MPa）進(jìn)行控制，撞擊點(diǎn)處墩臺(tái)發(fā)生局部混凝土拉裂破壞，開(kāi)裂深度較50 000 t代表船型工況有所增加，承臺(tái)混凝土開(kāi)裂深度約3.4 m左右。

3 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示：

（1）在70 000 t船舶船型撞擊工況下，墩臺(tái)、承臺(tái)下部基樁頂部均未開(kāi)裂；橋墩各構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、橋墩最大位移等指標(biāo)均滿足JX1級(jí)防撞要求。

（2）鋼套箱受撞擊截面受到的壓應(yīng)力均小于抗壓強(qiáng)度，但拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，局部混凝土受拉開(kāi)裂。但開(kāi)裂比例較小，各截面開(kāi)裂比例為0.14%～0.68%，開(kāi)裂部位位于撞擊鋼套箱處局部區(qū)域，未擴(kuò)散至橋墩，不影響橋墩的結(jié)構(gòu)性能，且損傷可修復(fù)。經(jīng)評(píng)價(jià)，橋墩的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、位移等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）綜上，在現(xiàn)有的防撞鋼套箱結(jié)構(gòu)體系下，南京棲霞山長(zhǎng)江大橋受到7 0 000 t級(jí)船舶的撞擊能滿足JX1級(jí)的防撞性能要求。