鰲江特大橋主塔墩鋼套箱防撞設(shè)計(jì)及分析

張海偉，嚴(yán)偉飛，徐雅娟

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112;2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006)

0 引言

船撞安全是橋梁設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題，鰲江特大橋采用有限元模擬方法研究船撞安全以及主塔墩防撞設(shè)施的有效性，為其主塔墩下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防撞套箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 工程概況

鰲江特大橋位于甬臺(tái)溫高速公路復(fù)線溫州瑞安至蒼南段工程，跨越溫州鰲江口處，距甌南大橋約6 km。主橋采用雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，跨徑為52+88+320+88+52=600 m的疊合梁斜拉橋。主梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，梁高為3 m，中心距31.7 m。主橋橋塔采用H型門(mén)式橋塔，塔柱頂高程107.40 m，承臺(tái)頂高程5.00 m，索塔總高102.40 m;橋塔基礎(chǔ)采用對(duì)水流適應(yīng)性較強(qiáng)的帶倒圓六邊形承臺(tái)，承臺(tái)外形尺寸62.9 m×27.6 m，承臺(tái)厚6.0 m。承臺(tái)下設(shè)38根直徑為2.5 m的鉆孔灌注樁，設(shè)2個(gè)備用孔。鋼套箱寬度1.6～2.2 m，水線長(zhǎng)67.3 m，型寬30.8 m，型深8.3 m。

1.1 代表船型及無(wú)船舶防撞措施下的設(shè)計(jì)防撞力概況

目前鰲江兩岸?？看暗拇a頭設(shè)計(jì)噸級(jí)是1000 t級(jí)，往往?？?000 t的散貨船。這些散貨船船長(zhǎng)多在90 m左右、船寬13.2 m左右，吃水5 m左右，空載水線以上高度在21 m左右。根據(jù)《鰲江特大橋船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)及防撞方案研究》的結(jié)論，在沒(méi)有鋼套箱的防護(hù)下，由動(dòng)力模擬計(jì)算方法、AASHTO規(guī)范及瞬態(tài)非有限元仿真的計(jì)算結(jié)果的綜合分析，主塔墩在1000 t船舶按照5 m/s撞擊速度作用下，其橫橋向設(shè)計(jì)防撞力為16.8 MN。

1.2 設(shè)計(jì)通航水位及通航凈空

鰲江特大橋處的設(shè)計(jì)代表船型為1000 t級(jí)海輪，橋梁采取單孔雙向布置通航孔，通航凈空為274 m×23.5m。設(shè)計(jì)最高通航水位4.59 m(1985高程，下同)，設(shè)計(jì)最低通航水位－3.5 m(理論值，船舶需趁潮進(jìn)港)。

2 主塔墩防撞設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算工況

根據(jù)《溫州港航道與錨地專項(xiàng)規(guī)劃》以及《通航論證》，主塔墩處的防撞控制船舶如表1所示?？紤]船艏結(jié)構(gòu)形式對(duì)撞擊結(jié)果的影響，分別建立對(duì)工況A和工況B有限元模型用于主塔墩鋼套箱的船舶撞擊仿真模擬計(jì)算。為精確模擬撞擊中船艏結(jié)構(gòu)的大變形、屈服等力學(xué)行為，船艏結(jié)構(gòu)按實(shí)際建模。

表1 代表船型尺度表

主塔墩、塔座采用C50混凝土，承臺(tái)、樁基礎(chǔ)采用C35混凝土。計(jì)算中，混凝土材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系，密度為2500 kg/m3，泊松比為0.167。主塔墩、承臺(tái)采用實(shí)體單元，六面體劃分，橋墩與船舶的MSC Patran有限元模型見(jiàn)圖1。鋼套箱采用板單元。

圖1 工況A和工況B船艏正撞主塔墩有限元模型

2.2 主塔墩防撞設(shè)計(jì)

使用主塔墩防撞設(shè)施是防止船舶撞擊橋墩時(shí)發(fā)生橋墩整體或局部破壞，有時(shí)甚至?xí)绊懙綐蛄褐黧w。通過(guò)對(duì)主塔墩增設(shè)防撞設(shè)施，可以阻止船舶直接撞擊橋墩，利用其緩沖消能的作用減小船舶撞擊力，起到保護(hù)橋梁安全作用。鰲江特大橋防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)與承臺(tái)施工相結(jié)合，即作為防船舶撞擊的設(shè)施，又作為施工時(shí)的鋼套箱。該防撞設(shè)施主要利用與設(shè)計(jì)代表船舶船體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)變形、破損來(lái)消耗船舶沖擊能量。船舶撞擊時(shí)，設(shè)施破損消能，減少對(duì)橋墩的撞擊力及破損長(zhǎng)度，避免船舶前伸部分觸及橋墩上部結(jié)構(gòu)，同時(shí)加長(zhǎng)防撞設(shè)施保護(hù)樁基。鋼結(jié)構(gòu)材料性能穩(wěn)定，單位質(zhì)量材料破損時(shí)消耗能量最大。在防撞設(shè)施外壁開(kāi)設(shè)消坡孔，在水位較低時(shí)消波可明顯減少波浪對(duì)設(shè)施的沖擊力。

2.2.1 鋼套箱防撞設(shè)施保護(hù)下工況A計(jì)算結(jié)果

圖2 工況A作用下船撞力時(shí)程曲線和船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時(shí)程曲線

圖3 工況A作用下0.6 s時(shí)鋼套箱和船艏變形及等效應(yīng)應(yīng)力分布圖

圖4 0.6 s時(shí)船舶和主塔墩撞擊變形在工況A船舶撞擊模擬

分析中，船撞力及船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時(shí)程曲線如圖2，船舶最大撞擊力為11.42 MN，最大值出現(xiàn)在0.6 s附近。由鋼套箱和船艏變形及等效應(yīng)應(yīng)力分布圖3和主塔墩撞擊變形圖4可知，主塔墩在船舶撞擊造成的破壞可能性較小，承臺(tái)變形較小，船舶撞擊力小于承臺(tái)抗撞力。

2.2.2 鋼套箱防撞設(shè)施保護(hù)下工況B計(jì)算結(jié)果

圖5 工況B作用下碰撞力時(shí)程曲線和船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時(shí)程曲線

圖6 工況B作用下0.9s時(shí)鋼套箱和船艏變形及等效應(yīng)應(yīng)力分布圖

圖7 0.9s時(shí)船舶和主塔墩撞擊變形

在工況B船舶撞擊模擬分析中，船撞力及船舶結(jié)構(gòu)破損吸能時(shí)程曲線如圖5，船舶最大撞擊力為15.20 MN，最大值出現(xiàn)在0.9 s附近。由鋼套箱和船艏變形及等效應(yīng)應(yīng)力分布圖6和主塔墩撞擊變形圖7可知，主塔墩在船舶撞擊造成的破壞可能性較小，承臺(tái)變形較小，船舶撞擊力小于承臺(tái)抗撞力。結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 有限元計(jì)算結(jié)果

由有限元豎直模擬計(jì)算表明，防撞設(shè)施具有一定的消能效果，主塔墩的防撞鋼套箱相比原船舶撞擊力16.8 MN，峰值消減了12.0%，同時(shí)在鋼套箱防撞設(shè)施的有效保護(hù)下，主塔墩處不會(huì)受到設(shè)計(jì)船舶的撞擊。

3 結(jié)語(yǔ)

采用撞擊有限元數(shù)值模擬的方法研究了鰲江特大橋在船舶撞擊下的性能，防撞設(shè)施主要利用與設(shè)計(jì)代表船舶船體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)的變形、破損來(lái)消耗船舶沖擊能量。防撞鋼套箱設(shè)施消減了主塔墩船舶撞擊力峰值，具有明顯的消能效果，同時(shí)有效保護(hù)了樁基和承臺(tái)，避免受船舶的直接撞擊而造成局部損壞。

[1]浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.鰲江特大橋設(shè)計(jì)圖紙[K].杭州:浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2013.

[2]上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所.船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)及防撞方案研究[K].上海:上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，2013.

[3]王君杰，陳誠(chéng)，盧永成.上海長(zhǎng)江大橋船舶船撞安全性能的數(shù)值模擬研究[J].世界橋梁，2009，(S1):78－81.