某群樁套井基礎(chǔ)式大型跨海橋梁船撞設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究及抗撞性能分析

林佳漫，張焱焜

（1.廣東汕頭海灣大橋有限公司，廣東 汕頭 515041；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，航運(yùn)事業(yè)也蒸蒸日上。橋梁作為跨越航道的水上建筑物，對(duì)城市的發(fā)展、區(qū)域之間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)動(dòng)、居民的日常生活等方面有著不可或缺的作用。然而，通航船舶密度的增加給橋梁的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。近年來(lái)船舶撞擊橋梁的安全事故屢見不鮮，相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，橋梁遭受船舶撞擊是跨航道橋梁發(fā)生倒塌的重要原因之一[1]。因此，針對(duì)橋梁抗撞性能提升的研究近年來(lái)逐漸成為熱點(diǎn)，通過(guò)對(duì)橋區(qū)所在通航環(huán)境及抗撞性能進(jìn)行分析，進(jìn)而選取適宜的抗撞性能提升方案逐漸被橋梁工程設(shè)計(jì)人員所采用。黃飛龍等[2]在綜合考慮船撞角度、船撞速度等風(fēng)險(xiǎn)因素的情況下通過(guò)建立橋梁有限元模型分析了不同工況下的橋梁抗撞性能。陳巍等[3]基于“分層耗能”的優(yōu)化思想，通過(guò)系列分析研究對(duì)比了防撞設(shè)施不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的吸能效果。郭健等[4]提出了一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的船撞橋風(fēng)險(xiǎn)概率分析方法，并以實(shí)際工程案例分析了某大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)概率。劉偉慶等[5]同時(shí)對(duì)比了數(shù)值經(jīng)驗(yàn)公式以及有限元模擬仿真計(jì)算的船撞力大小，進(jìn)而開展了系列橋梁防船撞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。方海等[6]采用數(shù)值仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式針對(duì)某防船撞裝置進(jìn)行了性能分析。王紀(jì)鋒等[7]、王鵬等[8]利用有限元數(shù)值模擬軟件針對(duì)某大橋的抗撞性能進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)比分析了增設(shè)防撞設(shè)施后的船舶撞擊力。彭聰[9]通過(guò)比較國(guó)內(nèi)外船撞力計(jì)算公式，進(jìn)而對(duì)某斜拉橋的抗撞性能進(jìn)行了分析，同時(shí)探討了不同防撞設(shè)施的防護(hù)效果。馮佳佳等[10]通過(guò)建立有限元模型探尋了不同撞擊工況下橋梁結(jié)構(gòu)的最大受力部位。廖鴻鈞等[11]針對(duì)某大橋的船撞風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行了分析，并詳細(xì)分析了影響橋梁碰撞概率的敏感性參數(shù)。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)抗撞性能的分析已趨于成熟，但對(duì)于橋梁各涉水墩設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確立卻未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的抗撞性能分析結(jié)果。因此，本文采用JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》船撞風(fēng)險(xiǎn)概率分析方法，分析了某大型跨海橋梁的船撞風(fēng)險(xiǎn)概率并確定臨界標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)防代表船舶。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值仿真比較了船撞力數(shù)值大小，相關(guān)研究方法可供其他大型跨海橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及抗撞性能提升治理提供參考。

1 工程概況

某大型跨海橋梁全長(zhǎng)2 500 m，包括南、北兩側(cè)引橋。主橋?yàn)?54 m+452 m+154 m 的三跨雙鉸預(yù)應(yīng)力混凝土箱型加勁梁懸索橋。主塔采用上下游分離的群樁套井式基礎(chǔ)，分離的群樁套井基礎(chǔ)為單壁鋼殼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)11.0 m，寬7.0 m，高15.5～23.0 m，內(nèi)設(shè)6 根直徑2.2 m鉆孔樁，樁長(zhǎng)6～19 m，單壁套井封底混凝土厚5 m，承臺(tái)系梁高5 m。主塔為3 層門式框架結(jié)構(gòu)，承臺(tái)以上塔柱高95.10 m，塔柱為D 形空心截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 全橋總體布置圖

圖2 主塔立面圖

圖3 主通航孔有限元模型

全橋設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h；橋位區(qū)20 m 高處百年一遇10 min 平均最大風(fēng)速47.0 m/s；場(chǎng)地基巖地面最大水平地震系數(shù)取K＝0.222 9 g。大橋主橋橫跨一級(jí)航道榕江主航道，南側(cè)為主航道，供外海客貨進(jìn)出的通航凈寬不小于400 m，平均潮位以上凈高46 m，滿足5 萬(wàn)噸級(jí)海輪通航要求，北側(cè)次航道按1 000 t 貨輪考慮。

2 橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)概率分析方法

目前，國(guó)際范圍內(nèi)在對(duì)橋梁進(jìn)行船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析過(guò)程中，應(yīng)用較多的主要有3 類模型：AASHTO 模型、KUNZI 模型和歐洲規(guī)范模型。其中AASHTO 模型由于理論方法較為完善且計(jì)算方式較為簡(jiǎn)單，使得其被多國(guó)所采納[11]，然而該模型并未考慮一些強(qiáng)制的停船措施，使得其計(jì)算結(jié)果不能合理反映實(shí)際的船舶碰撞概率；KUNZI 模型雖考慮了人為因素在船舶碰撞橋梁過(guò)程中的影響，但未考慮通航船舶在橋區(qū)所在航道橫向分布的影響；而歐洲規(guī)范模型同時(shí)考慮了船舶橫向分布、橋區(qū)所在航道單位航程碰撞事故率等因素的影響，理論推導(dǎo)更為嚴(yán)謹(jǐn)，然而該模型缺乏定量表達(dá)式，使其并未被大范圍采用。針對(duì)上述分析模型的不足，我國(guó)于2020 年頒布的JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]提出了三參數(shù)概率積分路徑模型，即同時(shí)考慮不同水位分布概率、通航船舶航跡橫向分布密度、船舶單位航行距離的失誤概率以及人為因素影響下的停船概率，使得分析模型更為符合實(shí)際。

2.2 船撞力計(jì)算方法

根據(jù)JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.4 條的規(guī)定，船舶撞擊力計(jì)算公式如下

式中：F 為輪船撞擊力設(shè)計(jì)值（MN）；a 為輪船撞擊力系數(shù)，取0.33；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)；M 為滿載排水量（t）；ΔH 為被撞體厚度，Hs為船艏高度，β 為統(tǒng)計(jì)系數(shù)取4.0；θ 為船舶軸線與碰撞面法線夾角；a0、b0參數(shù)參考JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.1.3 取值。

2.3 橋梁抗力計(jì)算有限元模型

采用Midas Civil 建立全橋有限元模型，并采用“m法”考慮土-基礎(chǔ)的相互作用?？棺残阅茯?yàn)算時(shí)所采用的荷載組合為：自重+二期恒載+車輛+船撞力。為確保本次分析是基于橋梁目前的結(jié)構(gòu)特性，建模時(shí)采用了定期檢測(cè)報(bào)告的檢測(cè)索力。由于施加水平力的作用點(diǎn)位置不同，結(jié)構(gòu)自身的極限船撞力也不相同。計(jì)算結(jié)構(gòu)抗力時(shí)選取組合荷載作用下的最不利工況，最不利驗(yàn)算截面選為：墩頂截面、墩底截面、樁基截面。

3 計(jì)算分析結(jié)果

3.1 全橋設(shè)防代表船型計(jì)算

由于設(shè)防代表船型以及設(shè)防船撞力的大小與橋梁可接受風(fēng)險(xiǎn)選取有關(guān)，因此，為得到該跨海大橋主通航孔滿足可接受風(fēng)險(xiǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)防船撞力，計(jì)算了不同設(shè)防船撞力下的橋梁倒塌概率，并選取1.0×10-4為可接受臨界風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)而得到橋梁年倒塌風(fēng)險(xiǎn)隨橋墩設(shè)防船撞力變化的曲線如圖4 所示。

圖5 船舶撞擊橋墩數(shù)值仿真模型

圖6 船舶撞擊工況及船頭變形

圖7 船舶撞擊力時(shí)程曲線

圖4 中A、B、C、D、E 分別代表各涉水墩的一組抗力，單位為MN，具體取值見表1。

表1 各涉水墩抗力鄧值表MN

計(jì)算結(jié)果表明，隨著各橋墩設(shè)防船撞力不斷增大，全橋的船撞年倒塌風(fēng)險(xiǎn)呈逐步減小。當(dāng)大橋各涉水橋墩設(shè)防船撞力為C 組時(shí)，全橋的年倒塌頻率可降低至可接受風(fēng)險(xiǎn)1×10-4/a。此時(shí)，主塔設(shè)防船撞力為26 MN。進(jìn)一步根據(jù)設(shè)防船撞力，反算得到各涉水墩的設(shè)防代表船型以及船舶撞擊速度見表2。

表2 各涉水墩設(shè)防代表船型

3.2 船撞風(fēng)險(xiǎn)分析

在詳細(xì)收集橋區(qū)現(xiàn)階段通航密度、通航船舶船速、水流速度、不同水位分布密度及橋梁各涉水墩自身抗力等基礎(chǔ)上，適當(dāng)考慮遠(yuǎn)期通航密度的增加后計(jì)算得到該跨海大橋遠(yuǎn)期各涉水墩的年碰撞概率以及年倒塌概率見表3。

表3 大橋各涉水墩年碰撞概率以及倒塌概率

計(jì)算結(jié)果表明，根據(jù)規(guī)范方法的計(jì)算結(jié)果，大橋在遠(yuǎn)期通航密度下的年碰撞頻率約為0.284 次/a；年倒塌頻率為3.73×10-7，低于可接受風(fēng)險(xiǎn)1.0×10-4/a。全橋年倒塌概率的風(fēng)險(xiǎn)值主要來(lái)源于南側(cè)主塔。

4 船撞數(shù)值仿真分析

4.1 數(shù)值仿真模型的建立

基于上述研究可知，雖然該跨海大橋抗撞性能滿足現(xiàn)階段通航需求，但橋區(qū)所在航道航密度較大，船撞風(fēng)險(xiǎn)較高。為針對(duì)性地開展抗撞性能提升工作并確?？棺残阅芊治鼋Y(jié)果偏于保守，研究團(tuán)隊(duì)利用LS-DYNA軟件針對(duì)該橋橋塔遭受5 000 噸級(jí)船舶3 m/s 的撞擊工況開展了動(dòng)力數(shù)值仿真分析并分析得到船舶撞擊力，以進(jìn)一步探尋原橋結(jié)構(gòu)的抗撞性能是否滿足抗撞性能要求。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)采用數(shù)值仿真軟件針對(duì)5 000噸級(jí)船舶3 m/s 的速度撞擊橋墩時(shí)，船舶撞擊力在撞擊發(fā)生后的第0.7s 到達(dá)峰值29.93 MN，撞擊力大小略高于JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算的數(shù)值大小26 MN，此后撞擊力逐漸降低，直至撞擊發(fā)生后的第1.7 s 降至為0。數(shù)值仿真撞擊力略微高于規(guī)范公示數(shù)值大小原因可能是由于群樁套井式基礎(chǔ)剛度大抗力高所致。

4.2 結(jié)構(gòu)自身抗撞性能計(jì)算

綜合比較數(shù)值仿真方法計(jì)算得到的船撞力及JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到船撞力數(shù)值大小之后，從偏于保守的角度選取較大者，并將其以節(jié)點(diǎn)力的方式加載到通過(guò)Midas Civil建立得到的橋梁有限元模型對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)而得到橋梁結(jié)構(gòu)最大受力部位，并進(jìn)一步針對(duì)最不利控制截面進(jìn)行M-φ 曲線分析以判斷橋梁結(jié)構(gòu)抗撞性能是否滿足相應(yīng)要求。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各工況下橋墩抗撞性能驗(yàn)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，在5 000 噸級(jí)船舶以3 m/s 的速度撞擊下，北橋塔安全系數(shù)低于南橋塔為1.37，但總體而言，原橋主塔結(jié)構(gòu)抗撞性能滿足要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某跨海大橋進(jìn)行了抗撞性能以及船撞風(fēng)險(xiǎn)分析，并分析比較了數(shù)值仿真與規(guī)范公式計(jì)算的船撞力大小，主要結(jié)論如下。

5 000 噸級(jí)船舶3 m/s 速度撞擊工況下，數(shù)值仿真計(jì)算的船撞力略高于JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的公式計(jì)算結(jié)果。

在遠(yuǎn)期通航密度下，該跨海大橋年碰撞概率為0.287 次/a，全橋年倒塌概率為3.73×10-7，遠(yuǎn)低于規(guī)范限值1×10-4/a，原橋結(jié)構(gòu)抗撞性能滿足設(shè)防代表船舶的撞擊工況，但由于全橋年碰撞概率較高，建議增設(shè)柔性防撞設(shè)施避免船舶撞擊工況下混凝土表面發(fā)生損傷。