王 鵬， 油川洲

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067； 2.青海省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 西寧 810008)

2017年，廣東洪奇瀝大橋、蓮溪大橋、斗門大橋與磨刀門大橋相繼遭受船舶撞擊，造成了巨大損失[1]，船舶撞擊是跨航道橋梁倒塌的主因之一。近年來，有關(guān)船橋碰撞風(fēng)險概率評價[2-4]及碰撞機理[5-7]的研究得到越來越多的關(guān)注?！吨貞c市三峽庫區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計指南》根據(jù)船撞橋事故發(fā)生前船與橋墩的相互位置為基礎(chǔ)，提出了一個具有三概率參數(shù)的計算船橋碰撞概率的積分路徑方法[8]。該方法考慮了水位變化頻率、船舶橫向分布(幾何分布)對碰撞概率的影響，使模型更加符合實際情況，在重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋、涪陵烏江大橋復(fù)線橋等多個工程上得到應(yīng)用[9-10]。

本文針對某跨海鋼箱梁斜拉橋，采用三概率參數(shù)路徑積分方法對大橋船撞風(fēng)險進(jìn)行了分析，計算了典型水位下橋梁自身抗撞能力，并通過數(shù)值模擬研究了主要橋墩的船舶撞擊力，所得結(jié)論可為工程順利實施提供指導(dǎo)。

1 工程概況

鋼箱梁斜拉橋主橋為(146+338+146) m雙塔3跨雙索面組合梁斜拉橋，設(shè)計最高通航水位為6.714 m，最低通航水位為-1.206 m。采用單孔雙向通航方案，主橋通航孔跨徑338 m，通航凈寬不小于270 m，凈高不小于28 m，側(cè)高與凈高一致，橋型布置、主梁、主塔斷面見圖1～圖3。

2 橋梁自身抗撞能力分析

2.1 橋梁極限抗船撞能力的計算方法

根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[11]4.4.1條的規(guī)定，內(nèi)河船舶的撞擊作用點，假定為計算通航水位線以上2 m的橋墩寬度或長度的中點，內(nèi)河船舶對橋梁墩臺的撞擊作用可以按“靜力法”來計算。

采用Midas Civil軟件，將橫橋向的水平船撞力施加到水位線以上2 m的地方，計算橋墩或樁基的最不利內(nèi)力，確定控制截面；對橋墩或樁基的控制截面進(jìn)行M-φ分析，進(jìn)而得到控制截面等效屈服彎矩；調(diào)整水平船撞力大小，比較控制截面最大彎矩和等效屈服彎矩。當(dāng)控制截面最大彎矩達(dá)到等效屈服彎矩時，對應(yīng)的水平船撞力，即為橋墩在該水位下的極限船撞抗力。

2.2 抗力計算有限元模型

該鋼箱梁斜拉橋主橋自身抗撞能力計算按照實際設(shè)計情況建立橋梁模型。

模型中，橋塔為C50混凝土，過渡墩墩身為C40混凝土，樁基與承臺為C30混凝土，混凝土材料彈性模量分別為34.5 GPa、32.5 GPa、30 GPa，密度 2 500 kg/m3。

斜拉索材料為Wire1770鋼絞線，彈性模量205 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。主梁為Q345鋼材，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。

單位：cm

單位：cm

(a) 正立面

主梁與拉索采用剛性連接，樁土效應(yīng)采用m法計算各層土的等效剛度。根據(jù)鉆孔資料，碰撞范圍內(nèi)各橋墩土層分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、中砂、粗砂，m值分別取1 000 kN/m4、2 000 kN/m4、4 000 kN/m4、5 000 kN/m4、6 000 kN/m4。荷載組合為恒載+汽車+人群+船撞力。計算模型見圖4。

圖4 抗力計算模型

2.3 計算結(jié)果

選取不同水位下分別計算主橋主墩、過渡墩抗撞能力，計算結(jié)果如表1所示。分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)大橋抗力均按樁基抗彎控制，且隨撞擊水位下降，抗力逐漸增大。

表1 橋墩抗撞能力

3 橋梁船撞風(fēng)險分析

3.1 橋梁船撞概率安全評估方法

根據(jù)文獻(xiàn)[2,8]提出的具有三概率參數(shù)(航跡分布、偏航分布、停船距離分布)計算船橋碰撞頻率的積分路徑方法，其積分路徑模型的積分式為：

(1)

式中：PC為橋梁的年碰撞概率；αi為第i種水位出現(xiàn)的頻率；Pwi為第i種水位下的年碰撞頻率；Nj為第j種船舶的年通航量；λ(s)為船舶單位航行距離的失誤概率。

公式(1)考慮了年水位變化對橋墩船撞頻率的影響，式中的角度θ1、θ2由圖5確定。由圖5可以看出，航跡分布、偏航分布、停船距離分布3種參數(shù)均服從正態(tài)分布。圖5中，A點為船舶偏航的初始位置，D、E點為橋墩角點，θ1～θ2為偏航撞擊橋墩范圍的上下臨界碰撞范圍，通過三重積分即可得到在第i種水位的碰撞概率，考慮全年水位疊加可得到橋梁年碰撞概率。

圖5 三參數(shù)概率積分模型

3.2 風(fēng)險分析參數(shù)

橋區(qū)航道維護(hù)水深為1.0 m，航寬100 m，彎曲半徑500 m，可通航3 000噸級船舶。大橋設(shè)計最高通航水位采用當(dāng)?shù)貧v史最高潮位，為6.714 m；設(shè)計最低通航水位采用低潮累積頻率為90%的潮位計算，最低通航水位為-1.206 m。根據(jù)硇洲島的實測資料統(tǒng)計，本海區(qū)屬日潮不等的不規(guī)則半日潮型，平均高潮位為2.88 m，平均低潮位為1.15 m，平均潮差為1.74 m，平均海平面為1.90 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，并結(jié)合橋位處的潮汐情況，選取了6個典型水位，如表2所示。計算船撞風(fēng)險時，考慮到全年的水位變化，先計算出不同水位下橋墩以及全橋的船撞風(fēng)險，然后再按照不同水位出現(xiàn)的概率進(jìn)行加權(quán)求和。大橋橋區(qū)船舶年通航密度預(yù)測如表3所示。船舶的上下行典型航速分別為4 m/s和5 m/s。根據(jù)DBJ/T 50-106—2010《重慶市三峽庫區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計指南》[8]對重要橋梁可接受風(fēng)險的要求，大橋的可接受風(fēng)險以10-4作為參考。

3.3 風(fēng)險分析

大橋在近期、中期和遠(yuǎn)期通航密度下船撞風(fēng)險分析結(jié)果見圖6。

由圖6可知，全橋年倒塌頻率均逐漸增加，在2016年、2025年、2050年的預(yù)測通航密度下，年倒塌頻率分別為3.79×10-5/年、1.08×10-4/年、1.61×10-4/年，風(fēng)險臨界年限為2024年，即從2024年開始，船撞風(fēng)險將高于可接受風(fēng)險10-4/年。

為確定橋梁船撞設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，分別選取了不同的橋墩抗力進(jìn)行計算，得到了橋梁在2050年通航密度下船撞風(fēng)險隨橋墩抗力變化的曲線，見圖7。

表2 典型水位參數(shù)

表3 船舶年通航密度預(yù)測

圖6 船撞風(fēng)險變化趨勢

圖7 船撞風(fēng)險-抗力曲線

由圖7可知，隨著抗力的增加，全橋風(fēng)險逐漸降低，C組抗力水平下，橋梁風(fēng)險正好處于可接受的臨界風(fēng)險。此時C組抗力即為大橋各橋墩的設(shè)防船撞力，大橋主墩設(shè)防船撞力為25 MN，過渡墩為15 MN。根據(jù)船舶偏航撞擊各橋墩的撞擊速度反推可得到大橋各橋墩設(shè)防代表船舶，如表4所示。

表4 橋梁設(shè)防船舶

由表4可知，大橋采用梯次設(shè)防，靠近航道的主墩按3 000 DWT設(shè)防，遠(yuǎn)離航道的過渡墩按2 000 DWT設(shè)防。

4 船撞橋墩數(shù)值模擬

采用基于顯式算法的LS-DYNA對船橋碰撞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，橋梁精細(xì)化有限元模型見圖8，相撞結(jié)構(gòu)物之間的碰撞作用采用接觸算法來完成[12]。在船艏內(nèi)部定義自動單面接觸，船、橋之間定義自動面面接觸，摩擦因數(shù)取0.25[13-14]。橋墩墩身、承臺、樁基采用實體單元進(jìn)行劃分，主梁采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。拉索與主塔、主梁間的連接采用rigid body固接。土彈簧剛度根據(jù)文獻(xiàn)[15]確定，通過Ls-dyna材料庫的*MAT_SPRING_ELASTIC[16]模型模擬。

圖8 橋梁有限元模型

橋墩在不利工況下最大撞擊力如表5所示。在最高通航水位6.714 m水位下，3 000 DWT船舶空載，以3.49 m/s 的速度撞擊主墩最大船撞力為15.6 MN；平均海平面1.9 m下，3 000 DWT船舶滿載撞擊最大船撞力為23.8 MN，均小于橋梁自身抗力，主墩抗撞能力滿足要求。過渡墩在最高通航水位與平均水位下，2 000 DWT船舶撞擊最大船撞力分別為4.7 MN、10.4 MN，過渡墩自身抗力為7 MN，最高水位下過渡墩抗撞能力不滿足要求，抗力差為33%。工況2、工況4橋墩受撞擊損傷應(yīng)力示意見圖9。對于主墩受船舶撞擊下，承臺出現(xiàn)局部輕微損傷；過渡墩墩身與樁基均出現(xiàn)較大損傷，混凝土主拉應(yīng)力最大達(dá)到9.8 MPa。

表5 不利工況計算結(jié)果

(a) 主塔

5 結(jié)論

1) 在2016年、2025年和2050年的預(yù)測通航密度下，大橋年倒塌頻率分別為3.79×10-5/年、1.08×10-4/年、1.61×10-4/年，風(fēng)險臨界年限為2024年。

2) 大橋采用梯次設(shè)防，主墩設(shè)防代表船舶為 3 000 噸級，過渡墩設(shè)防代表船舶為2 000噸級。

3) 主墩與過渡墩設(shè)防船撞力分別為23.8 MN、10.4 MN，6.714 m水位下橋墩自身抗力分別36 MN、7 MN，過渡墩不滿足防撞要求。

4) 為避免橋墩受撞出現(xiàn)損壞，同時降低碰撞事故中的船舶損傷，建議在主墩承臺處增設(shè)柔性復(fù)合材料防撞護(hù)板，過渡墩設(shè)置復(fù)合材料防撞套箱。