靈江特大橋防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

楊建福

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

由于跨航道橋梁的大量建設(shè)，有時(shí)候不可避免的形成水中落墩，加之船舶運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展和內(nèi)河航道的改造升級(jí)，航道內(nèi)可能通航較大噸位船舶，各種類型的船舶在復(fù)雜的水文和氣象條件下，發(fā)生船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)較大。橋梁防船撞設(shè)計(jì)屬于橋梁附屬設(shè)計(jì)中的重要組成部分，需要綜合考慮橋位規(guī)劃、通航船舶、通航條件、船撞力等因素，將橋墩自身抗撞能力和防撞設(shè)施相結(jié)合，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的防撞設(shè)施。

1 工程概況

靈江特大橋是頭門港鐵路支線跨越靈江IV航道的一座橋梁，位于臨海市境內(nèi)椒江河口區(qū)段，跨越臺(tái)金高速匝道、靈江、省道 S327 及多條鄉(xiāng)村道路，與下游臺(tái)金高速公路靈江特大橋相鄰邊線距離約30 m，橋址處為沿江平原，地勢開闊。橋梁軸線與航道中心線的夾角為 82°，采用半圓柱式墩身，主橋上部結(jié)構(gòu)采用(92.8+3×152+92.8)m 連續(xù)梁—拱結(jié)構(gòu)，為三孔單向通航。其中，63#、64#橋墩，64#、65#橋墩及65#、66#橋墩之間的橋跨作為通航孔，與下游臺(tái)金高速公路靈江特大橋?qū)撞贾谩?/p>

2 阻尼消能防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 防撞系統(tǒng)工作原理

防撞系統(tǒng)通過內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)和最外側(cè)防撞阻尼元件，形成一種二元的阻尼消能多艙室浮式防撞系統(tǒng)。當(dāng)船舶撞擊接近防撞系統(tǒng)時(shí)，船舶首先會(huì)撞擊最外側(cè)的阻尼元件，阻尼元件通過自身的變形吸收一部分撞擊動(dòng)能。接著，當(dāng)船撞力超出阻尼元件承載能力，會(huì)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變形，鋼結(jié)構(gòu)撞擊變形會(huì)吸收碰撞能量，使傳遞至橋墩的撞擊力和撞擊速度降低。同時(shí)由于防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形和船舶與防撞系統(tǒng)之間的相互作用，船頭會(huì)改變撞擊方向，降低船舶與橋墩之間的能量交換[1]。因此，橋梁配加防撞設(shè)施后在保護(hù)橋梁免受損傷的同時(shí)，最大限度地降低了船舶的損傷，保護(hù)了船舶的安全[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靈江特大橋鐵路橋水中63#～66#橋墩均采用鋼質(zhì)浮式橋墩防撞設(shè)施。

2.2.1 外形尺寸設(shè)計(jì)

外形尺寸設(shè)計(jì)主要考慮防撞系統(tǒng)的長、寬、高和厚度等參數(shù)。長度參數(shù)確定時(shí)，需要根據(jù)橋墩的外形和船舶撞擊深度來確定。靈江特大橋通航孔橋墩均為半圓柱式墩身，所以防撞體內(nèi)圈和外圈采用半圓柱結(jié)構(gòu)；正面考慮船舶正撞時(shí)撞擊力較大引起的撞擊深度較深，應(yīng)將外圈的厚度適度增加。寬度參數(shù)確定時(shí)，需要根據(jù)橋墩的外形和船舶側(cè)面撞擊深度來確定。船舶側(cè)撞時(shí)，撞擊深度較正撞時(shí)變小，所以，一般防撞系統(tǒng)側(cè)面厚度較窄。高度參數(shù)確定時(shí)，主要考慮航道內(nèi)代表船型的撞擊范圍，保證船舶撞擊防撞設(shè)施后其上部結(jié)構(gòu)不能接觸墩身。根據(jù)航道代表船型(3 000 t級(jí)貨船)的撞擊范圍，確定防撞設(shè)施高度為3 m。防撞設(shè)施外形尺寸見圖1。

圖1 防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2.2 內(nèi)部板架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼浮體主體的結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外圍壁，甲板，平臺(tái)板，底板，縱、橫艙壁等板架構(gòu)件組成，每個(gè)系統(tǒng)主體由鋼板形成若干個(gè)水密艙室和非水密艙室，如圖1、圖2所示。為方便陸路運(yùn)輸，防撞設(shè)施可分為若干個(gè)獨(dú)立的分段，分段之間采用螺栓速連接方式，降低了設(shè)施安裝難度[3]。同時(shí)，節(jié)段之間具有獨(dú)立性，船舶發(fā)生撞擊后，變形或破損節(jié)段容易維修或更換，保證防撞裝置正常使用。防撞設(shè)施外表面采用復(fù)合材料涂裝防腐，內(nèi)表面采用油漆防腐，在水中長期浸泡結(jié)構(gòu)不會(huì)生銹，保證使用壽命[4]。

圖2 防撞設(shè)施內(nèi)部艙室 圖3 防撞設(shè)施三維效果

防撞設(shè)施和橋墩相對(duì)位置三維效果如圖3所示。防撞設(shè)施內(nèi)部加入壓載水，能夠自適應(yīng)通航水位的變化，保證船舶撞擊范圍在可控范圍內(nèi)，不會(huì)使船舶上部結(jié)構(gòu)直接撞擊橋墩。

2.3 阻尼消能防撞系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)

(1)防撞系統(tǒng)對(duì)于小型碰撞，鋼浮體只有局部損傷，表面的橡膠護(hù)弦緩沖消能，剛性護(hù)舷破損消能。

對(duì)于大型碰撞，部分艙室破損消能，減少船舶碰撞力，確保橋墩、承臺(tái)不受損。采用模塊化設(shè)計(jì)，防撞系統(tǒng)在碰撞后部分破損模塊可進(jìn)行更換，更換后整體可繼續(xù)使用。

(2)在各種水位條件下，對(duì)各種裝載狀態(tài)的船舶撞擊，船舶都不能直接觸及墩壁，水下的球艏不能直接撞擊承臺(tái)。

(3)防撞裝置制造成本適中，防撞功能可靠，使用壽命30 a，便于維護(hù)和修理。在使用期內(nèi)，防撞系統(tǒng)本身有合適的強(qiáng)度，并能耐受潮水的長期沖擊和海水的腐蝕。

(4)合理設(shè)計(jì)緩沖消能系統(tǒng)，確保橋梁安全的同時(shí)，減少撞擊船舶的損傷，符合“三不壞”設(shè)計(jì)原則。

(5)本防撞裝置占用的航道寬度相對(duì)較小，符合航道凈寬的要求。

3 碰撞過程防撞設(shè)施有限元分析

目前，已經(jīng)發(fā)展出多種船—橋碰撞計(jì)算方法，用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中測算船—橋碰撞力和能量吸收，現(xiàn)有的碰撞分析主要可以分為近似公式方法和非線性有限元方法[5]。完全的非線性有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)破壞分析是很有用的工具，單元大小和破裂應(yīng)變的組合取的適當(dāng)，可得到正確的結(jié)果。顯式非線性有限元方法側(cè)重結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和碰撞時(shí)間歷程的計(jì)算，因此，防撞系統(tǒng)計(jì)算采用顯式非線性有限元分析方法[6]。

考慮到該航道的實(shí)際情況、船舶現(xiàn)狀及未來發(fā)展?fàn)顩r，在船撞橋撞擊力的分析中，選取靈江特大橋航道內(nèi)3 000 t級(jí)的貨船為代表船型，并以正撞方式分別撞擊橋墩和防撞設(shè)施。建立代表船型的船舶、橋墩及防撞設(shè)施的碰撞精細(xì)化有限元模型(見圖4)，計(jì)算代表船型對(duì)橋墩安裝防撞設(shè)施前后的撞擊力[7]，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表1。

圖4 有限元模型

由表1可知，以3 000 t級(jí)貨船為代表船型，船舶直接撞擊橋墩的最大船撞力為22.1 MN；當(dāng)橋墩采用阻尼消能防撞系統(tǒng)后，最大船撞力為16.8 MN，降低幅度24%，防撞系統(tǒng)能有效減小船舶的最大撞擊力。相比船舶直接撞擊橋墩，船舶撞擊防撞設(shè)施時(shí)船艏破損長度增加，導(dǎo)致船舶形變增加，從而實(shí)現(xiàn)變形吸能目的，使防撞設(shè)施達(dá)到設(shè)計(jì)防護(hù)效能。

表1 船撞橋墩、防撞設(shè)施計(jì)算結(jié)果

4 防撞設(shè)施運(yùn)輸和安裝

防撞設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)尺寸為20 742 mm×12 442 mm×3 000 mm，屬于超大構(gòu)件，需合理安排運(yùn)輸方案，確保構(gòu)件及時(shí)安全到達(dá)橋位。綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，防撞設(shè)施節(jié)段通過汽車運(yùn)輸至橋位附近，再采用水上運(yùn)輸至橋墩周圍。根據(jù)防撞設(shè)施分段情況，將防撞設(shè)施分為6個(gè)節(jié)段運(yùn)輸，其中一種節(jié)段尺寸為9.045 m×4.228 m×3.0 m，另一種節(jié)段尺寸為7.678 m×4.5 m×3.0 m?，F(xiàn)場工況如圖5、圖6所示。

圖5 防撞設(shè)施運(yùn)輸至現(xiàn)場吊裝 圖6 設(shè)施安裝完成

防撞設(shè)施安裝時(shí)，防撞系統(tǒng)在使用過程中要通過壓載水保持一定的浮態(tài)。為了調(diào)整防撞系統(tǒng)浮態(tài)，內(nèi)部預(yù)裝壓載水，整個(gè)防撞設(shè)施可隨水位變化而上下浮動(dòng)。在蒸發(fā)作用下壓載水會(huì)逐漸蒸發(fā)，使得防撞系統(tǒng)浮態(tài)發(fā)生變化，安裝完成后運(yùn)營部門需要定期檢查防撞系統(tǒng)浮態(tài)變化情況，及時(shí)在各艙室內(nèi)補(bǔ)充壓載水。

5 結(jié)束語

橋梁防撞設(shè)施不僅保護(hù)了橋梁，對(duì)于降低碰撞船舶的損壞程度和減小有毒有害物質(zhì)的水域污染都具有極其明顯的社會(huì)效益。阻尼消能鋼浮體防撞最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，采用模塊化設(shè)計(jì)，形成一種二元防撞結(jié)構(gòu)，整體防撞效果好，可有效降低傳遞至橋墩的船撞力；同時(shí)，其可對(duì)橋梁船舶形成雙向保護(hù)，且不占用太多航道空間，拆除后不遺留任何殘積物，易于制造和維護(hù)。