上海內(nèi)河跨航道橋梁防撞墩標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)探討

岳申舟 歐陽龍山

摘 要：增設(shè)防撞墩是減輕內(nèi)河跨航道橋梁安全隱患和提高橋梁防撞能力的一個(gè)主要工程措施。為批量解決內(nèi)河跨航道橋梁的防撞設(shè)計(jì)問題，本文結(jié)合橋梁防撞標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)防撞墩的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行探討和分析，提供標(biāo)準(zhǔn)化思路和相關(guān)設(shè)計(jì)成果，供相關(guān)工程參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河；跨航道橋梁；防撞墩；標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）6-0039-02

1 防撞墩標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)案例

1.1防撞標(biāo)準(zhǔn)

某內(nèi)河橋梁防撞工程所屬航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，根據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG/TJ08-2116-2012），該橋梁防撞標(biāo)準(zhǔn)為：90TEU集裝箱自航駁、撞擊速度4.2m/s。防撞代表船型參數(shù)如下表：

為盡量減小單座防撞墩的規(guī)格尺寸，避免過多的占用河道面積，根據(jù)已有工程案例和經(jīng)驗(yàn)，防撞墩在防撞標(biāo)準(zhǔn)作用下（滿載正撞）允許被撞壞，但要求船舶撞擊速度減小至零或反彈回去，從而確保船舶不繼續(xù)撞擊橋墩。

2防撞墩方案

滿足上述防撞標(biāo)準(zhǔn)的樁基防撞墩定為A型，分別考慮A1型和A2型兩種方案。

2.1 A1型

如圖2-1所示，防撞墩寬5.0m、長7.6m，墩臺(tái)頂標(biāo)高取4.8m，墩臺(tái)厚度取2.9m；墩臺(tái)迎撞面采用弧形尖頭設(shè)計(jì)，便于撥轉(zhuǎn)船頭；下部樁基由5根1000mm鋼管樁組成。防撞墩迎撞面設(shè)置復(fù)合防護(hù)材料，使船舶撞擊面相對(duì)柔軟，一定程度上減小撞擊面的破壞程度，延緩撞擊時(shí)間和減小撞擊力。

2.2 A2型

如圖2-2所示，與方案A1相比，主要區(qū)別在于方案A2樁基采用灌注樁，直徑取1.2m。防撞墩寬5.9m、長8.9m。

2.3 方案比較

A型防撞墩兩個(gè)方案技術(shù)上均可行，主要區(qū)別在于樁基類型不同。A1型防撞墩規(guī)格尺寸相對(duì)較小，撞壞后鋼管樁可以拔除，不會(huì)形成地下障礙物；但沉樁比較困難，傳統(tǒng)的專業(yè)沉樁船無法進(jìn)場(chǎng)，履帶吊（陸上或船載）+震動(dòng)錘的沉樁深度有限；目前較為成功的沉樁方法為雙拼平板駁+陸上打樁機(jī)，該方法一次沉樁長度15m左右，需要水上接樁和多次接樁，但雙拼平板駁占用的河道水域較多，對(duì)通航安全影響較大（可能需要封航），沉樁過程中的持續(xù)震動(dòng)對(duì)附近建筑物有一定影響，且要求沉樁水域上空的架空管線高度滿足打樁機(jī)富?？臻g要求。

A2型防撞墩規(guī)格尺寸略大，撞壞后灌注樁難以拔除，一般水下泥面切割處理，會(huì)形成地下障礙物，但灌注樁成樁工藝對(duì)施工設(shè)備要求較低，對(duì)通航環(huán)境影響也小，相對(duì)來講，成樁更具有可行性。

3防撞計(jì)算

3.1 靜力學(xué)方法

關(guān)于橋梁防撞設(shè)計(jì)，目前可供參考的規(guī)范有公路行業(yè)、鐵路行業(yè)相關(guān)規(guī)范。

3.1.1 撞擊力計(jì)算

（1）公路行業(yè)規(guī)范?，F(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）關(guān)于船舶對(duì)橋墩撞擊力的規(guī)定中，沒有1000噸級(jí)船舶撞擊力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表，撞擊力大小可采用規(guī)范中關(guān)于漂浮物的撞擊作用計(jì)算公式：

式中，W — 漂浮物重量，取19920kN；V — 撞擊速度，取4.2m/s；T — 撞擊時(shí)間，應(yīng)根據(jù)實(shí)際資料估計(jì)，無資料時(shí)取1s；g — 重力加速度，取值9.81 m/s2。

根據(jù)計(jì)算公式，船舶對(duì)橋墩撞擊力計(jì)算結(jié)果影響較大的參數(shù)是撞擊時(shí)間，結(jié)合規(guī)范取值及后文有限元?jiǎng)討B(tài)模擬計(jì)算結(jié)果，取1.0～2.0s。經(jīng)計(jì)算，船舶撞擊力約為4264～8528kN。

（2）鐵路行業(yè)規(guī)范。《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB100002.1-2005）關(guān)于承臺(tái)承受船舶及排筏撞擊力計(jì)算公式，如下：

式中，γ — 動(dòng)能折減系數(shù)，當(dāng)船舶或排筏斜向撞擊墩臺(tái)時(shí)可取0.2，正向撞擊時(shí)可取0.3；W — 船只或排筏重量，取19920kN；V — 撞擊速度，取4.2m/s；α — 撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角，應(yīng)根據(jù)具體情況確定，如有困難，可取α=20°；C1、C2 — 船只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時(shí)可假定C1+C2=0.0005m/kN。

根據(jù)計(jì)算公式及上述取值，船舶對(duì)橋墩正向、斜向撞擊力分別約為2726kN、1818kN。

3.1.2 靜態(tài)計(jì)算方法存在的問題

根據(jù)上述兩本規(guī)范計(jì)算出的船舶撞擊力大小，差異很大，撞擊力取值是一大難點(diǎn)。根據(jù)本次橋梁防撞設(shè)計(jì)理念，防撞墩在撞擊力作用下（滿載正撞）允許被撞壞，采用靜力方法是無法解決其結(jié)構(gòu)計(jì)算問題，需采用有限元?jiǎng)討B(tài)模擬方法。規(guī)范方法計(jì)算出的撞擊力值可作為驗(yàn)證模型的參考。

3.2 有限元?jiǎng)討B(tài)模擬法

3.2.1 計(jì)算方法

采用Ansys/LS-Dyna軟件，進(jìn)行有限元模擬。

3.2.2 計(jì)算條件

（1）船型：90TEU集裝箱自航駁，滿載排水量為1992t，附連水系數(shù)取0.05；

（2）撞擊速度：取4.2m/s；

（3）撞擊水位：取設(shè)計(jì)最高通航水位3.75m；

（4）撞擊方向：正撞。

3.2.3計(jì)算內(nèi)容：船撞力大小、撞擊能量、撞擊時(shí)間、撞擊速度、防撞墩位移等

3.2.4有限元建模

（1）撞擊船舶。撞擊船由船艏和船身兩部分組成，均采用shell163殼單元模擬。船艏是主要撞擊區(qū)域，其有限元模型包括外板、各層甲板、橫向艙壁等細(xì)部構(gòu)件。撞擊過程中船身并不發(fā)生變形，僅對(duì)撞擊船的剛度和質(zhì)量有影響，將其處理成剛性。船艏撞擊區(qū)材料考慮了材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變速率對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響。船艏的材料模型選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，用改進(jìn)后的Cowper-Symonds本構(gòu)方程表征應(yīng)變率對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響。有關(guān)參數(shù)為：密度7.85×10-9 t/mm3，彈性模量2.10×105MPa，硬化模量1.18×103MPa，屈服應(yīng)力2.35×103MPa，泊松比0.3，硬化參數(shù)0，失效應(yīng)變0.34，應(yīng)變率參數(shù)C=40，P=50。由于船體中后部因遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域，實(shí)際不發(fā)生任何變形，僅提供剛度和質(zhì)量的影響，用剛性實(shí)體單元簡化模擬。

（2）防撞墩。在建立承臺(tái)及樁基礎(chǔ)的有限元模型時(shí)，采用solid164實(shí)體單元模擬，由于該工程覆蓋層較深，覆蓋層均為粘土，樁土相互作用的處理方法根據(jù)實(shí)際運(yùn)算經(jīng)驗(yàn)以及文獻(xiàn)資料[3]，近似取沖刷線下4～6倍樁徑處的位置進(jìn)行固結(jié)處理。采用塑性隨動(dòng)模型來模擬防撞墩，有關(guān)參數(shù)為：密度2.50×10-9t/mm3，彈性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，屈服應(yīng)力40MPa。

（3）復(fù)合材料。復(fù)合防護(hù)材料由復(fù)合材料面層、復(fù)合材料格構(gòu)腹板及聚氨酯閉孔芯材組成。復(fù)合材料面層及復(fù)合材料格構(gòu)腹板采用殼單元模擬，耗能材料采用實(shí)體單元模擬，不考慮界面剝離。復(fù)合材料面層采用線彈性材料*MAT_ELASTIC本構(gòu)，密度為1.8×10-9 t/mm3，彈性模量1×104MPa，泊松比0.25；耗能材料采用彈塑性*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本構(gòu)，密度為4×10-11 t/mm3，彈性模量48.54MPa，泊松比0.03。防撞設(shè)施厚度80cm，固定在防撞墩上。

4、計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果可知，在90TEU集裝箱自航駁滿載正撞、撞擊速度4.2m/s情況下，防撞墩兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案均可使船舶速度降到0，無多余能量撞擊橋梁，從而保護(hù)橋梁安全。在這個(gè)過程中，防撞墩被撞壞，但橋梁免受撞擊。

根據(jù)上述防撞墩方案設(shè)計(jì)和有限元?jiǎng)討B(tài)模擬計(jì)算結(jié)果，A型防撞墩兩個(gè)方案均滿足上海內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道上跨橋梁的防撞設(shè)計(jì)要求，且正撞工況下，不需利用橋梁自身抗撞能力，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

5 結(jié)論

（1）適合內(nèi)河跨航道橋梁防撞的防撞設(shè)施主要有固定或浮式防撞裝置和樁基防撞墩等兩種類型；其中固定或浮式防撞裝置設(shè)計(jì)需要利用橋梁自身的抗撞能力，需要“一橋一專題”進(jìn)行研究，難以脫離橋梁予以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

（2）除水域較為寬闊的跨航道大橋（如黃浦江）外，其他內(nèi)河跨航道橋梁的自身結(jié)構(gòu)抗撞能力一般較弱，如增設(shè)樁基防撞墩，可考慮船舶正面撞擊后不繼續(xù)撞擊橋墩，船舶正面撞擊能量均由防撞墩承受。

（3）橋梁防撞標(biāo)準(zhǔn)包括代表船舶噸級(jí)、撞擊速度；從設(shè)計(jì)的角度來講，樁基防撞墩的規(guī)格可根據(jù)防撞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“定制”，僅與航道等級(jí)有關(guān)系。

（4）實(shí)際工程案例表明，防撞墩標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果可有效地解決成批內(nèi)河跨航道橋梁的防撞設(shè)計(jì)問題，較大地提高實(shí)際設(shè)計(jì)工作的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祝露， 劉偉慶， 方海. 內(nèi)河橋梁用新型復(fù)合材料防船撞護(hù)舷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料. 2015，（7）：63-68

[2]DG/TJ08-2116-2012，內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]中國船級(jí)社. 海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范. 人民交通出版社，1992.