鄧皓天，劉憲慶*，余葵，周強(qiáng)，唐亮

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 2.國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 3.山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

近年來(lái)，上海大治河橋、湖南平江大橋、上海斜塘大橋、廣州洪奇瀝大橋和珠海蓮溪大橋相繼遭受到不同船舶撞擊，造成了不同程度的損失[1]。2021年1月，交通運(yùn)輸部印發(fā)《關(guān)于深化防范化解安全生產(chǎn)重大風(fēng)險(xiǎn)工作的意見(jiàn)》(交安監(jiān)發(fā)〔2021〕2號(hào))，給出《交通運(yùn)輸安全生產(chǎn)重大風(fēng)險(xiǎn)清單》，并將船舶碰撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)列入交通運(yùn)輸領(lǐng)域安全生產(chǎn)重大風(fēng)險(xiǎn)清單中。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尤為重要。

耿波[2]建立了一個(gè)橋船安全評(píng)估系統(tǒng)，并利用此系統(tǒng)對(duì)兩座長(zhǎng)江大橋進(jìn)行安全評(píng)估。趙君黎等[3]將中國(guó)橋梁防撞規(guī)范與美國(guó)、歐洲等規(guī)范進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)差異較大。鄭植等[4]對(duì)通明海特大橋橋墩在不同水位下的抗力水平進(jìn)行分析，并對(duì)通明海特大橋的防護(hù)裝置進(jìn)行研究。張星星等[5]基于美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)(American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO)模型，對(duì)橋間距、橋位以及能見(jiàn)度進(jìn)行修正計(jì)算，并對(duì)典型橋型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算，結(jié)果表明風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)較為合理。唐勇等[6]將AASHTO模型、KUNZI模型和改進(jìn)的KUNZI模型進(jìn)行比較分析，建議選用前兩者的較大數(shù)值作為橋墩的碰撞概率。彭可可[7]對(duì)AASHTO模型進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)雙塔雙索面斜拉橋船的動(dòng)態(tài)偏航概率、年撞擊頻率進(jìn)行計(jì)算。邵偉峰等[8]對(duì)AASHTO模型進(jìn)行改進(jìn)，提出動(dòng)態(tài)橋梁碰撞概率，對(duì)白居寺長(zhǎng)江大橋進(jìn)行了船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。付旭輝等[9]利用有限元法與AASHTO模型計(jì)算對(duì)比，對(duì)珠海淇澳大橋進(jìn)行船撞能力評(píng)估。

現(xiàn)有的防撞設(shè)施有拱形自浮式水上升降防撞裝置[10]、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)防撞浮箱[11]、新型裝配超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)防撞裝置[12]、框架結(jié)構(gòu)新型防撞裝置[13]等防撞設(shè)施，但是加裝防撞設(shè)施后仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)，如2020年6月9日，西江大橋的防撞浮箱船舶側(cè)向撞擊后損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失900萬(wàn)元，次生安全隱患明顯。

目前對(duì)于大跨度斜拉橋船撞風(fēng)險(xiǎn)研究還不夠完善[14]。斜拉橋是大跨度橋梁最主要的橋型，因此現(xiàn)以長(zhǎng)江某斜拉橋?yàn)槔?，基于AASHTO模型對(duì)其涉水橋墩進(jìn)行船撞風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)自身抗撞能力、船舶撞擊力以及橋梁年撞擊概率和年撞損概率進(jìn)行計(jì)算，確定橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)，并提出合理化建議。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

算例橋?yàn)?36 m雙塔雙索面斜拉橋。主橋橋長(zhǎng)879 m，橋跨組合為主橋(35.5+186+436) m雙塔斜拉橋，全橋長(zhǎng)度1 198.94 m。該斜拉橋的整體布置圖見(jiàn)圖1。

7#～12#表示橋墩編號(hào)圖1 斜拉橋整體布置圖Fig.1 Overall layout of cable-stayed bridge

1.2 橋區(qū)水域情況

通過(guò)調(diào)查，距離工程最近的水工建筑物主要有某危險(xiǎn)品碼頭、某航道基地躉船和天然氣管道穿越工程以及某油碼頭。

1.3 橋區(qū)河段水流條件

橋梁在長(zhǎng)江干流上，河道呈“U”形，水流條件見(jiàn)表1。

表1 橋區(qū)河段水流條件Table 1 River flow conditions in bridge area

從表1可以看出，低水期橋區(qū)河段水流流速較?。桓咚诤拥乐兴髁魉佥^大且橋區(qū)河段河道彎曲，規(guī)劃航道中心線與水流流向的夾角較大，相對(duì)橫向流速較大。由于水面寬度較大，工程河段整體較平順，主流平面流速變化較均勻。選取的低水位、高水位和洪水位的流速分別是1.5、4、5.5 m/s。

1.4 可達(dá)性分析

船舶在最高通航水位(198.05 m)、洪水位(203.06 m)之間水位通航時(shí)，9#～12#墩都會(huì)發(fā)生船撞的風(fēng)險(xiǎn)，其中9#、10#墩位于主航道區(qū)域；船舶在最低通航水位(175.70 m)通航時(shí)，僅10#墩會(huì)發(fā)生船撞的風(fēng)險(xiǎn)。

2 橋梁自身抗撞能力分析

2.1 模型建立

在船撞力的作用下，墩柱在墩底處產(chǎn)生最大彎矩和剪力，樁基在樁頂處產(chǎn)生最大彎矩和剪力，一般情況下，可以將墩柱底截面和樁頂截面作為最危險(xiǎn)控制截面進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)Xtract軟件進(jìn)行橋墩最危險(xiǎn)截面處彎矩-曲率曲線的模擬計(jì)算。在截面分析軟件Xtract中輸入材料參數(shù)，按照實(shí)際截面尺寸和配筋建模，網(wǎng)格的劃分根據(jù)截面尺寸和分析效果進(jìn)行劃分，得出彎矩-曲率曲線。彎矩-曲率分析一般分兩個(gè)階段分析，分別是混凝土開(kāi)裂、鋼筋屈服兩個(gè)階段，該墩柱具有正常配筋率，受拉鋼筋首先屈服，取鋼筋屈服時(shí)的彎矩作為截面的極限彎矩。

建立的極限彎矩計(jì)算模型各控制截面的截面形狀及網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖2。為了確定該斜拉橋主橋自身內(nèi)力，通過(guò)MIDAS建立橋梁整體模型，如圖3所示。

圖3 主墩及輔墩有限元內(nèi)力計(jì)算模型Fig.3 Finite element internal force calculation model of main pier and auxiliary pier

2.2 橋墩自身抗撞能力計(jì)算

參考文獻(xiàn)[15]中指出，當(dāng)橋墩受到大小為P的船撞力作用時(shí)，船撞力在各橋處產(chǎn)生的內(nèi)力F′計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：F′為船撞力在橋產(chǎn)生的內(nèi)力，此處為極限彎矩，kN·m；P為船撞力，kN；F為橋墩施加1 000 kN船撞力得到的橋墩內(nèi)力，此處為截面彎矩，kN·m。反之，則可以得到船撞力P，即橋墩自身抗撞能力，按式(2)計(jì)算。

(2)

在MIDAS軟件計(jì)算中，對(duì)橋墩施加1 000 kN的單位荷載，作用在墩底和樁頂以上2 m位置中點(diǎn)處[16]，荷載類型為節(jié)點(diǎn)荷載(船只或漂浮物的撞擊力)，角度為水平方向橫橋向正撞(0°)，從而得到橋墩內(nèi)力，即截面彎矩。由式(2)得到主墩及輔墩在不同水位下的橋墩抗力。截面彎矩、極限彎矩、橋墩自身抗撞能力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 斜拉橋墩自身抗撞能力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of self-collision capacity of cable-stayed bridge pier

3 船舶撞擊力計(jì)算

3.1 代表船型及通航量預(yù)測(cè)

該斜拉橋工程河段代表船型按5000 t級(jí)干散貨船考慮[17]。高水期可通行更大噸位船舶，驗(yàn)算中主墩(9#、10#)的撞擊船舶按7 000 t級(jí)干散貨船考慮，輔墩(11#、12#)的撞擊船舶按2 000 t級(jí)干散貨船考慮。根據(jù)2014—2017年的實(shí)測(cè)年通航量，預(yù)測(cè)2025年、2030年和2035年的船舶通航量分別為18 250、22 265和23 360艘。主要船型參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 工程河段船型尺度表Table 3 Ship type scale table of engineering reach

3.2 偏航撞擊速度

橋區(qū)河段航行船舶(隊(duì))的航速參數(shù)：船舶上行航速為12 km/h，下行航速為20 km/h。綜合考慮安全因素以及河道里程綜合影響后，采用《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]公式計(jì)算得到船舶通過(guò)各涉水橋墩時(shí)的撞擊速度，計(jì)算公式見(jiàn)式(3)，船舶撞擊速度曲線圖見(jiàn)圖4。

圖4 船舶撞擊速度曲線Fig.4 Ship impact velocity curve

(3)

式(3)中：V為設(shè)計(jì)船舶撞擊速度，m/s；VT為船舶的正常航行速度，m/s；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距離，m；XL為航道中心線至3倍船長(zhǎng)的距離，m；VL為水域特征流速，m/s；Vmin為船舶最小設(shè)計(jì)撞擊速度，m/s。

船舶通過(guò)各涉水橋墩時(shí)的撞擊速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。在綜合考慮安全因素后將撞擊速度取為航道內(nèi)正常行駛速度，即船舶通過(guò)9#主墩時(shí)撞擊速度為5.5 m/s(船舶上行)，10#主墩時(shí)撞擊速度為8.5 m/s(船舶下行)。11#、12#橋墩僅考慮洪水位時(shí)船舶失控撞向11#、12#橋墩的情況，取5.5 m/s(船舶下行)。

表4 船撞速度計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of ship collision velocity

3.3 船撞力計(jì)算

為了更為真實(shí)地預(yù)測(cè)船撞力，采用AASHTO規(guī)范公式、《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》公式與有限元仿真結(jié)果對(duì)比分析確定船撞力。

3.3.1 AASHTO規(guī)范公式

依據(jù)AASHTO規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，船撞力計(jì)算公式為

(4)

式(4)中：P為船舶最大撞擊力，N；M為船舶載重量，t；v為船舶撞擊速度，m/s。

3.3.2 《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》公式

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，和橋梁撞擊時(shí)，按式(5)計(jì)算，即

F=0.015M0.7V

(5)

式(5)中：M為滿載排水量，t；V為船舶撞擊速度，m/s。

3.3.3 有限元仿真模擬

采用ABAQUS建立7 000 t級(jí)和2 000 t級(jí)干散貨船有限元模型分別撞擊斜拉橋主墩和輔墩。全船采用殼單元進(jìn)行建模，對(duì)主墩及輔墩在3種工況水位(最低、最高通航水位和洪水位)情況下進(jìn)行船撞力計(jì)算。船舶有限元模型如圖5所示。由于船撞發(fā)生時(shí)間極短，且撞擊力的大小主要和船艏及墩的構(gòu)造相關(guān)，受上部結(jié)構(gòu)的影響較小，該部分粗略化建模。橋墩撞擊計(jì)算模型平面視圖見(jiàn)圖6。

圖5 船舶有限元模型Fig.5 Ship finite element model

圖6 橋墩撞擊計(jì)算模型平面視圖Fig.6 Plane view of pier impact calculation model

3種船撞力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出，有限元仿真結(jié)果與AASHTO規(guī)范及公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果有一定的差異。

表5 船撞力計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of ship collision force

9#與10#橋墩在各個(gè)水位時(shí)，公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范與AASHTO規(guī)范的船撞力計(jì)算結(jié)果較為接近。其中10#橋墩在198.05 m水位時(shí)，有限元仿真結(jié)果與AASHTO規(guī)范的船撞力計(jì)算結(jié)果差異最大。11#與12#橋墩在各個(gè)水位時(shí)，AASHTO規(guī)范計(jì)算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果較為接近。其中11#與12#橋墩在198.05 m水位時(shí)，公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范與AASHTO規(guī)范的船撞力計(jì)算結(jié)果差異最大。產(chǎn)生差異的原因可能是各個(gè)規(guī)范的公式計(jì)算側(cè)重點(diǎn)不一樣，以及實(shí)際船舶與有限元模型的差異。

由于AASHTO規(guī)范的船撞擊計(jì)算結(jié)果都大于公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果，為了偏于安全考慮，船撞力都采用AASHTO規(guī)范計(jì)算結(jié)果。

4 橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 年撞擊概率

涉水橋墩年撞擊頻率可按式(6)計(jì)算。

Fimp=NPAPG

(6)

式(6)中：N為可撞損橋墩的分類船舶年通航量；PA為船舶偏航概率；PG為船舶與橋墩撞擊的幾何概率。

根據(jù)代表船型及通航量預(yù)測(cè)，計(jì)算得到該斜拉橋在最低通航水位、最高通航水位和洪水位時(shí)船舶撞擊大橋的年撞擊概率，見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 175.70 m水位時(shí)船舶年撞擊頻率分布Fig.7 Distribution of annual impact frequency of ship at 175.70 m water level

圖8 198.05 m水位時(shí)船舶年撞擊頻率分布Fig.8 Distribution of annual impact frequency of ship at 198.05 m water level

圖9 203.06 m水位時(shí)船舶年撞擊頻率分布Fig.9 Distribution of annual impact frequency of ship at 203.06 m water level

4.2 年撞損概率

橋墩年撞損概率與橋梁自身抗撞能力和船舶撞擊力有關(guān)，可按照式(7)計(jì)算。

(7)

式(7)中：PC為橋墩受船舶一次撞擊的撞損率；H為橋墩抗撞能力，N；P為船舶最大撞擊力，N。

結(jié)合前文計(jì)算的橋梁自身抗撞能力和船舶撞擊力，得到年撞損概率，見(jiàn)圖10～圖12。

圖10 175.70 m水位時(shí)年撞損頻率分布Fig.10 Distribution of annual damage probability at 175.70 m water level

圖11 198.05 m水位時(shí)年撞損頻率分布Fig.11 Distribution of annual damage probability at 198.05 m water level

圖12 203.06 m水位時(shí)年撞損頻率分布Fig.12 Distribution of annual damage probability at 203.06 m water level

4.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

依據(jù)AASHTO規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，編制如圖13所示的評(píng)估矩陣，對(duì)于關(guān)鍵性橋梁，其年撞損頻率小于10-4，對(duì)于一般性橋梁，其年撞損頻率小于10-3被認(rèn)為是可以接受的。

y為計(jì)算得到的風(fēng)險(xiǎn)概率圖13 橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣Fig.13 Bridge-ship collision risk assessment matrix

由圖7～圖12可知，隨著船舶流量的增加，全橋年撞擊頻率和年撞損概率逐年增加，由圖13船撞風(fēng)險(xiǎn)的概率水平分級(jí)，大橋撞擊概率發(fā)生在10-4～10-3區(qū)間，風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)為C級(jí)(較難發(fā)生)；撞損概率低于10-6，風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)為A級(jí)(不可能發(fā)生)，因此，該橋墩的年撞擊概率及撞損概率都在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

(1)按照2025年、2030年與2035年通航量，175.70、198.05和203.06 m水位時(shí)，船舶撞擊9#～12#橋墩的年撞擊概率和年撞損概率均在可接受風(fēng)險(xiǎn)值內(nèi)。

(2)由于該橋位于長(zhǎng)江干流上，為關(guān)鍵性橋梁，考慮到橋墩混凝土局部損傷，難以修復(fù)，同時(shí)為防止船舶發(fā)生海損事故，建議9#、10#墩增設(shè)附著于橋墩的變截面防撞浮箱結(jié)構(gòu)。

(3)11#、12#墩有一定的撞損概率，建議增設(shè)相應(yīng)的防撞設(shè)施，設(shè)置警示標(biāo)牌和禁止通航標(biāo)，并準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。