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(diǎn)，近年來(lái)一些橋梁與船舶不匹配的安全風(fēng)險(xiǎn)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(huì)發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，對(duì)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(jì)橋軸線采用直線跨過(guò)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(tái)平面尺寸為啞鈴型，尺寸為59.15 m×15.7 m(長(zhǎng)×寬)，通航孔跨徑為738 m，凈高30 m，本文主要對(duì)涉水通航橋跨的17號(hào)南主塔、16號(hào)北主塔和15號(hào)北過(guò)渡墩的抗撞性能進(jìn)行分析。肇云大橋橋梁立面圖見(jiàn)圖1。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源

根據(jù)海事部門提供，近5年來(lái)，發(fā)生“船碰橋”險(xiǎn)情6宗，由于處置及時(shí)，沒(méi)有發(fā)生船碰橋事故?？赡芤鸫芭鲎矘蛄旱娘L(fēng)險(xiǎn)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(shí)淡薄、沒(méi)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(guò)0.30 m/s的點(diǎn)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(duì)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(jì)算

肇云大橋所跨西江為Ⅰ級(jí)航道，通航船舶等級(jí)為3 000 t級(jí)，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，實(shí)際最大通航達(dá)5 000 t級(jí)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(jì)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(shí)，輪船撞擊力[3-4]設(shè)計(jì)值按下式計(jì)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(jì)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(shí)宜取0.1～0.3，側(cè)撞時(shí)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(jì)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(jì)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(zhǎng)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(jì)算。

表2 撞擊力計(jì)算工況表

2.2 計(jì)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(diǎn)碰撞法或強(qiáng)迫振動(dòng)方法計(jì)算，船撞計(jì)算模型與方法的選取應(yīng)滿足橋梁抗撞性能驗(yàn)算的要求[5-6]。本次分析采用規(guī)范推薦的強(qiáng)迫振動(dòng)方法計(jì)算，采用有限元軟件進(jìn)行，該有限元軟件可通過(guò)時(shí)程分析，添加時(shí)間-力的函數(shù)節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫振動(dòng)方法，并得到船撞的動(dòng)力效應(yīng)。橋梁主體結(jié)構(gòu)船撞效應(yīng)計(jì)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(jì)算按照結(jié)構(gòu)實(shí)際情況建立全橋有限元模型，采用梁?jiǎn)卧M(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(jí)。

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?yàn)閼宜鳂?，本次?yàn)算考慮運(yùn)營(yíng)風(fēng)荷載，故驗(yàn)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(yíng)風(fēng)荷載。

3 計(jì)算結(jié)果

1)工況一：17號(hào)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(jiàn)圖4。

b.順橋向撞擊效應(yīng)見(jiàn)圖5。

根據(jù)以上計(jì)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(jì)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(lái)計(jì)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(jì)算：

Vyd=φs(Vcd+Vwd+Vsd)

(5)

其中，Vyd為構(gòu)件的抗剪承載力設(shè)計(jì)值,kN；Vcd為混凝土部分的抗剪承載力設(shè)計(jì)值,kN；Vwd為箍筋部分的抗剪承載力設(shè)計(jì)值,kN；Vsd為鋼骨部分的抗剪承載力設(shè)計(jì)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(jì)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(jiàn)表3)。

表3 偶然組合下索塔、樁基抗彎及抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果表(工況一)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，采用5 000 t級(jí)的船舶撞擊索塔時(shí)，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(hào)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(jí)的船舶撞擊索塔時(shí)，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(hào)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(hào)南主塔結(jié)構(gòu)與受力形式與17號(hào)北主塔一致，受到的撞擊速度和撞擊力均小于17號(hào)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(hào)北過(guò)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(jí)的船舶撞擊過(guò)渡墩時(shí)，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(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研分析結(jié)合統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)確定了設(shè)防代表船型及船撞力的計(jì)算；通過(guò)規(guī)范推薦的強(qiáng)迫振動(dòng)法，考慮了船撞擊橋的動(dòng)力效應(yīng)，采用有限元軟件對(duì)肇云大橋抗撞性能進(jìn)行了驗(yàn)算分析，得到以下驗(yàn)算結(jié)論：1)在通航孔范圍內(nèi)，17號(hào)南主塔在5 000 t級(jí)船舶、航速3 m/s、撞擊力作用于高水位點(diǎn)工況作用時(shí)，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(hào)北過(guò)渡墩在3 000 t級(jí)船舶、航速1.5 m/s、撞擊力作用于高水位點(diǎn)工況作用時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)受力為最不利工況，15號(hào)過(guò)渡墩及樁基抗撞性能均滿足規(guī)范要求，過(guò)渡墩墩身截面最小安全系數(shù)1.95。