王紀(jì)鋒　關(guān)梁超　葛晶　沈燕

摘 要：隨著河南省沙潁河逍遙至漯河段航運(yùn)開發(fā)工程的推進(jìn)，航道通航等級(jí)提升為IV級(jí)，通航船舶噸位和數(shù)量的增多對(duì)既有橋梁的安全構(gòu)成嚴(yán)重的影響。本文以京港澳高速沙河大橋3#-4#橋墩為研究對(duì)象，通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)防撞分析，確定大橋設(shè)防船撞力為4.6MN。進(jìn)而根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，通過(guò)核算橋墩截面實(shí)際能承受的水平撞擊力，確定了該大橋在500噸級(jí)船舶撞擊下自身抗撞能力不足。根據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)和通航橋區(qū)情況，設(shè)計(jì)了自浮式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，通過(guò)有限元防撞校核表明，安裝防撞設(shè)施后船舶撞擊力下降至3.4MN，可有效提高橋墩自身抗撞能力，從而有效保證橋墩結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：橋梁防撞;防撞設(shè)施;有限元;船舶撞擊力;鋼覆復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：U698? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）10-0062-05

1概述

沙潁河航道流經(jīng)河南省境內(nèi)414公里，是國(guó)家規(guī)劃水運(yùn)主通道“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”中“一縱”的重要組成部分。隨著沙潁河逍遙至漯河段航運(yùn)開發(fā)工程的推進(jìn)，漯河段航道通航等級(jí)提升至IV級(jí)。然后，由于沙潁河已斷航30余年，沿線既有橋梁普遍存在設(shè)防等級(jí)不足的情況。因此，亟需對(duì)既有橋梁的設(shè)防抗撞能力進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估情況，對(duì)設(shè)防能力不足、被撞概率較高的橋梁設(shè)計(jì)相應(yīng)的防撞設(shè)施。

京港澳高速沙河大橋是漯河地區(qū)較早的一座跨沙河大橋，1993年3月動(dòng)工，1995年12月竣工，2015年12月大橋完成8車道拓寬。大橋最高通航水位為+60.32m，最低通航水位為+56.0m。該橋上部結(jié)構(gòu)采用18×30m預(yù)應(yīng)力砼T梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。伸縮縫處設(shè)置D80伸縮裝置;結(jié)構(gòu)連續(xù)處每梁梁端設(shè)GJZ-350×400×57mm支座。

該橋半幅雙柱式橋墩，橋墩蓋梁高3m，寬2.2m，材料為C30混凝土。橋墩柱采用直徑1.8m的圓形截面，墩柱間距4.52m，墩柱采用處C30混凝土。橋墩基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。3#、4#橋墩截面示意見圖2，各橋墩標(biāo)高見表1。

本文對(duì)大橋的3#、4#橋墩進(jìn)行設(shè)防抗撞能力評(píng)估。采用瞬態(tài)有限元計(jì)算軟件Ls-Dyna，模擬代表船型撞擊橋墩，獲得

橋墩的設(shè)防船撞力[2，4]。進(jìn)而根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，通過(guò)核算橋墩截面實(shí)際能承受的水平撞擊力，對(duì)橋墩的安全性進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)上述研究結(jié)果設(shè)計(jì)適合本橋的防撞設(shè)施方案。

2 大橋設(shè)防撞擊力計(jì)算

2.1 有限元建模

本文根據(jù)設(shè)防橋墩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，其中代表船型選擇500噸級(jí)船舶（滿載排水量720噸），船舶設(shè)防撞擊速度取約束航速6節(jié)（3.08m/s）。

墩頂主要承受混凝土主梁的重力作用，模型中近似去豎向約束，橋墩結(jié)構(gòu)采用常規(guī)混凝土材料建模，橋墩材料為C30混凝土，彈性模量取30000MPa。船舶由船艏和船身兩部分組成，由于碰撞中主要是船艏變形，因此模型中將船身設(shè)置為剛體，僅提供剛度和質(zhì)量，不發(fā)生變形;船艏則考慮鋼材的應(yīng)變率的影響，采用Coeper-Symonds本構(gòu)方程，考慮到Ls-Dyna模擬計(jì)算中材料的失效模擬很復(fù)雜，一般通過(guò)最大塑性失效準(zhǔn)則來(lái)定義材料失效。此外，在船舶與橋墩接觸摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)的變化也很復(fù)雜，所以采用簡(jiǎn)化處理，將靜、動(dòng)摩擦系數(shù)均取0.1。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)該橋?qū)嶋H情況，選取最高通航水位下船撞撞擊為最不利工況，因此本文進(jìn)行了2種工況的有限元模擬，即：工況一，最高通航水位下船舶與3#橋墩滿載正撞;工況二，最高通航水位下船舶與3#橋墩中部滿載側(cè)橋向15°撞擊橋墩。2種工況下的船-橋碰撞應(yīng)力見圖5，船撞力計(jì)算結(jié)果見表5。

仿真計(jì)算結(jié)果表明，在工況一的情況下，船—橋碰撞力達(dá)4.6MN，工況二的情況下，船—橋碰撞力達(dá)2.8MN。通過(guò)與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》、美國(guó)AASHTO規(guī)范公式[3]的計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，有限元計(jì)算結(jié)果高于鐵路規(guī)范，低于美國(guó)AASHTO規(guī)范。因此，本橋設(shè)防船撞力取4.6MN。

3.2 豎向力計(jì)算

豎向載荷包括恒載+活載，其中，恒載包括上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量、瀝青鋪裝、護(hù)欄等，活載包括豎向活載及縱向活載產(chǎn)生的偏心彎矩。計(jì)算結(jié)果如表6所示：

3.3橋墩外力荷載組合匯總

承載力計(jì)算組合分為基本組合和偶然組合，因船撞力在水平荷載中占很大比例，因此基本組合不控制橋墩受力計(jì)算，本橋僅采用偶然組合對(duì)橋墩進(jìn)行驗(yàn)算。

偶然組合中，偶然作用組合系數(shù)為1，其余同作用組合系數(shù)同基本組合。

3.4 橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，橋墩正截面抗壓承載力按照沿周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，可得橋墩危險(xiǎn)截面的抗力如下表所示[1]。計(jì)算結(jié)果表明，橋墩彎矩MR=9766KN*m<11118.8KN*m。橋墩無(wú)法抵抗船舶撞力計(jì)的作用，需加裝一定的防撞設(shè)施。

4防船撞方案研究

4.1 防船撞設(shè)施設(shè)計(jì)方案

根據(jù)橋墩的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自浮式D-430型鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施。防撞設(shè)施整體呈筒形，直徑4.3m，高度1.5m。防撞設(shè)施整體“套”在設(shè)防橋墩上，可隨著水位上下浮動(dòng)，始終處于船舶的撞擊位置。

鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施主要由高性能復(fù)合材料、鋼材、緩沖耗能材料組成。防撞設(shè)施整體為加勁鋼桁架，具有良好的整體強(qiáng)度。防撞設(shè)施外部包覆了高性能復(fù)合材料層，復(fù)合材料耐候性能極佳，在水中不易腐蝕，可有效解決防撞設(shè)施長(zhǎng)期使用易腐蝕的難題。同時(shí)，防撞設(shè)施內(nèi)部填充閉孔耗能材料，沖擊時(shí)可有效延長(zhǎng)撞擊時(shí)間，削減撞擊力。防撞設(shè)施與橋墩接觸部分設(shè)計(jì)了橡膠阻力元件，可避免防撞設(shè)施在波浪作用下與橋墩發(fā)生“硬接觸”。

防撞設(shè)施施工整體采用真空導(dǎo)入一次成型工藝。先制作相應(yīng)的鋼制加勁結(jié)構(gòu)，再見閉孔耗能材料切割成相應(yīng)的模塊，包覆軸向纖維布后填充滿整個(gè)鋼制加勁結(jié)構(gòu)中。再通過(guò)抽氣口抽調(diào)鋼制加勁結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣，使其形成負(fù)壓，真空導(dǎo)入樹脂在負(fù)壓的作用下導(dǎo)入鋼制加勁結(jié)構(gòu)，最后固話、成型。真空導(dǎo)入完成后，在鋼制加勁結(jié)構(gòu)外部通過(guò)復(fù)合材料積層工藝，在外表面包覆3mm厚的復(fù)合材料層。

4.2 防船撞設(shè)施消能效果

防撞設(shè)施整體的彈性模量介于橋墩剛度和船艏剛度之間，通過(guò)合理優(yōu)化防撞設(shè)施內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置，使得船-防撞設(shè)施-橋墩三者剛度獲得良好的匹配。在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)軟件Ls-Dyan中模擬安裝防撞設(shè)施的情況下船撞橋的情況。計(jì)算結(jié)果表明，在相同的邊界條件下，船舶撞擊力由4.6MN降低為3.4MN，有效削減船舶撞擊力26%，可滿足橋梁設(shè)防的要求。

5 結(jié)論

本文以京港澳高速沙河大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，論述了橋梁船撞能力評(píng)估的基本流程，首先采用有限元法計(jì)算船撞橋的實(shí)際船撞力，再根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)橋墩的抗撞設(shè)防能力進(jìn)行校驗(yàn)，確定橋梁的抗船撞能力。主要得出以下結(jié)論

（1）采用瞬態(tài)有限元模擬仿真，計(jì)算出橋梁在最高通航水下的設(shè)防船撞力達(dá)4.6MN;

（2）根據(jù)京港澳高速沙河大橋橋墩實(shí)際尺寸及配筋計(jì)算得出在設(shè)防船撞力下大橋抗撞能力不滿足要求;

（3）根據(jù)大橋情況，設(shè)計(jì)了自浮式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，經(jīng)有限元校核計(jì)算，最大船撞力可降低26%，可有效保護(hù)橋梁安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳剛，葉建龍，何為，等.內(nèi)河樁柱式橋墩抗船撞能力分析[J].橋梁建設(shè)，2010，（2）：14-17

[2]潘晉，吳衛(wèi)國(guó)，王德禹，等.船-橋墩防護(hù)裝置碰撞的有限元仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2005，（4）：178-181.

[3]美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（AASHTO）2009：公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南（第二版）上海海洋鋼結(jié)構(gòu)研究所、寧波大學(xué)、重慶交通大學(xué)等譯

[4]楊黎明，呂忠達(dá)，王禮力，等.橋梁抗船撞柔性防護(hù)方法及實(shí)船撞擊實(shí)驗(yàn)[C].武漢：第二十屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下），2012：948-954.

基金項(xiàng)目：河南省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目（2017J3）;常州市科技支撐計(jì)劃（工業(yè)）（CE20180015）