鋼結(jié)構(gòu)防撞裝置的防撞性能對(duì)比分析研究

余 葵,陸旺敏

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

隨著跨江河橋梁的大量修建，通航船舶噸位逐漸增大，規(guī)模日益提高，加之橋區(qū)環(huán)境及人為因素等原因，船舶撞擊橋梁的事故屢見不鮮[1-2]。為保證跨江河橋梁的使用安全，促進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)步發(fā)展，各種類型的防撞結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，如人工島、防撞墩、集群樁等，而對(duì)于拱橋而言，前述防撞結(jié)構(gòu)均存在施工難度大、橋區(qū)水流影響大、施工成本昂貴、不適合拱橋防撞等缺點(diǎn)[3]。隨著建筑結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)以造價(jià)低，移動(dòng)靈活、抗震度好、延性好、塑性性能優(yōu)良、環(huán)保效果好、自重輕及產(chǎn)業(yè)化程度高等特點(diǎn)受到建筑行業(yè)的青睞。為適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)朝著多元方向發(fā)展，近年來涌現(xiàn)了一些新型的組合式鋼結(jié)構(gòu)，其中包括嵌套式全鋼結(jié)構(gòu)、部分填充鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)及異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等[4-8]，許多機(jī)場(chǎng)、橋梁、廠房、體育場(chǎng)及車站等大型公共設(shè)施都采用了組合式鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)[9]。

2016年李克強(qiáng)總理在《政府工作報(bào)告》中強(qiáng)調(diào)：積極推廣綠色建筑和建材，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)、裝配式建筑和新型建造方式，加大政策支持力度，提高建筑工程標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量，力爭(zhēng)用10 a左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%[10]。我國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部于2019年10月1日正式實(shí)施《裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，該規(guī)范的施行將促進(jìn)裝配式結(jié)構(gòu)的推廣與應(yīng)用[11]，在新時(shí)代的背景下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計(jì)、部件生產(chǎn)、施工安裝、工程驗(yàn)收、使用維護(hù)及管理方面提出了新的要求。2019年底，突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情以迅雷不及掩耳之勢(shì)火速蔓延，在黨中央、國務(wù)院的正確領(lǐng)導(dǎo)下，武漢市防疫指揮部臨危受命，決定再建1座雷神山醫(yī)院作為臨時(shí)應(yīng)急醫(yī)院，從設(shè)計(jì)到動(dòng)工，再到建立完成并開始接受患者，僅用時(shí)10 d。這座由中南建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的建筑，采用的是3種不同的裝配式結(jié)構(gòu)體系，采用輕型鋼結(jié)構(gòu)模塊化組合房屋，大大縮短了建成時(shí)間，為扼住疫情的蔓延贏得了寶貴的時(shí)間[12]?！堆b配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的正式施行推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐漸趨于體系化，在我國裝配式建筑的發(fā)展中具有重要的意義[13]。

本文以重慶萬州長(zhǎng)江公路大橋防撞工程為例，通過數(shù)值模擬，比較鋼—混組合結(jié)構(gòu)與全鋼結(jié)構(gòu)防的防撞性能，并與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行限值校核，分析鋼結(jié)構(gòu)在橋梁防撞結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為促進(jìn)橋梁安防及鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步提供參考依據(jù)。

1 工程概述

重慶萬州長(zhǎng)江大橋是連接萬州站和萬州汽車南站的交通要道，是位于連接滬蓉高速和銀百高速的G318線上的唯一一座大跨度上承式拱形橋梁，至今該橋已經(jīng)建成通車23 a，橋長(zhǎng)為856.12 m，主跨為 420 m，寬為24 m，是同期同類橋梁中大跨徑的鋼筋混凝土拱橋(如圖1所示)。

圖1 重慶萬州長(zhǎng)江大橋示意

拱形自浮式防撞裝置由防撞帶、浮筒、導(dǎo)向井等構(gòu)件組成，具有獨(dú)立式防撞、區(qū)域性防護(hù)、隨著水位升降、能適應(yīng)大水位差變化等特點(diǎn)，滿足拱形橋梁的防撞需求。在拱橋兩端的拱圈基座與橋墩立柱水域，各建起一個(gè)弧形、中空，并通過導(dǎo)向井固定的防撞帶，在水面畫出一個(gè)與拱橋獨(dú)立的弧形區(qū)域，并能借助重力和浮力隨水位變化自動(dòng)升降[14-15]。拱形自浮式防撞裝置平面布置如圖2～3所示。

圖2 拱形自浮式防撞裝置平面布置示意

圖3 單側(cè)防撞裝置平面布置示意

2 數(shù)值模擬

2.1 鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶船撞數(shù)值模擬

混凝土建成的工程建筑物具有抗彎能力弱而軸向抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而鋼材料制成的鋼構(gòu)件有著塑、韌性好、抗彎能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而鋼—混組合結(jié)構(gòu)正是具備了鋼管和混凝土的優(yōu)良特性，使得鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶的抗撞承載能力得到大幅度提升?？紤]最不利情況，若來裝船舶為滿載船舶，其吃水必將大于船高的一半以上，此時(shí)船舶的航行速度并不快，但也有空載船舶來撞的可能，為防止來裝船舶爬越防撞帶而導(dǎo)致橋梁受到撞擊，數(shù)值模擬中防撞帶半浮以上高度取為2 m。鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶上部分為中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，下部分為鋼質(zhì)浮箱，其中鋼管采用Q345鋼材，中空夾層采用C35砼，其結(jié)構(gòu)斷面如圖4所示。

圖4 鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶斷面結(jié)構(gòu)示意

通過ABAQUS有限元軟件對(duì)鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶進(jìn)行有限元仿真分析，以5 000 t船舶為防撞模型的典型來撞船舶，當(dāng)該典型船舶撞擊鋼-混組合結(jié)構(gòu)防撞帶模型時(shí)，撞擊部位變形嚴(yán)重(見圖5)，撞擊點(diǎn)附近材料已超過Q345鋼材料的屈服極限(見圖6)，引起浮箱進(jìn)水而影響防撞帶整體的浮性狀態(tài)。從圖7可以看出，混凝土的壓應(yīng)力在20～38 MPa范圍，由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]可知，該應(yīng)力范圍表明已經(jīng)有大部分C35超過極限強(qiáng)度(23.4 MPa)，該區(qū)域的混凝土已經(jīng)發(fā)生破碎，在支座附近和撞擊部位附近的混凝土材料也超過了自身的極限拉應(yīng)力強(qiáng)度3.2 MPa。鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶的最大徑向位移量為1.47 m，整體曲率半徑為108 m，最大徑向位移是防撞帶曲率的1.36%。

圖5 典型船舶撞向鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶仿真模型示意

圖6 撞擊處外浮箱變形及組合結(jié)構(gòu)整體變形示意

圖7 鋼-混組合結(jié)構(gòu)防撞帶材料壓應(yīng)力及拉應(yīng)力示意

2.2 全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶船撞數(shù)值模擬

依托工程大橋防撞裝置的防撞帶采用了全鋼結(jié)構(gòu)，全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶斷面結(jié)構(gòu)如圖8所示，從圖8中可以看出，防撞帶采用了內(nèi)外鋼管嵌套組合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)外管之間通過縱格板焊接起來，其中外層鋼管N1厚度為16 mm，內(nèi)層鋼管N2厚度為12 mm，縱隔板N3厚度為12 mm，縱向加強(qiáng)肋N4厚度為16 mm，橫隔板N5厚度為12 mm。迎撞面占防撞帶全截面的2/5，其中水面以上占1/5，水面以下占1/5，防撞面與來撞船舶直接接觸，為了增強(qiáng)迎撞面的抗撞能力，需要沿管軸縱向加密縱向筋板。

圖8 全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶結(jié)構(gòu)斷面示意

圖9和圖10分別是典型船舶撞擊鋼結(jié)構(gòu)防撞帶有限元模型和全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶塑性應(yīng)變?cè)茍D，圖11是全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶應(yīng)力分布及破壞分布，計(jì)算表明，全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶在5 000 t船舶撞擊下僅是小范圍達(dá)到屈服極限和較大的塑性變形，其余位置未達(dá)到屈服極限，在撞擊點(diǎn)處發(fā)生局部大塑性變形，撞擊點(diǎn)處局部材料的抗拉強(qiáng)度在56.82～104.20 MPa,但未超過Q345鋼材的屈服極限；縱向鋼板變形比較明顯，防撞帶內(nèi)側(cè)也有局部進(jìn)入了屈服，防撞帶內(nèi)側(cè)要增加縱向筋板。

圖9 典型船舶撞擊鋼結(jié)構(gòu)防撞帶有限元模型示意

圖10 全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶塑性應(yīng)變示意

圖11 全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶應(yīng)力分布及破壞分布示意

3 兩種結(jié)構(gòu)防撞帶的對(duì)比分析

3.1 鋼—混組合結(jié)構(gòu)分析

從鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶船撞有限元仿真分析可以得知，鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶雖然結(jié)合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)用在拱形自浮式水上升降防撞裝置時(shí)存在以下不足之處。

1) 就承載能力而言，目前的組合結(jié)構(gòu)防撞帶無法抵抗5 000 t船舶的撞擊，撞擊部位超過屈服極限，位于水下破壞缺口涌入水流而影響防撞帶浮態(tài)。

2) 若通過加厚混凝土厚度和鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來滿足5 000 t船舶的撞擊承載能力要求，則必然導(dǎo)致防撞帶重量增加，而通過計(jì)算，不加浮筒時(shí)，浮箱難以承受組合結(jié)構(gòu)的重量，所以這一措施不但增加巨大的經(jīng)濟(jì)成本，還無法滿足防撞帶的浮態(tài)要求。

3) 施工工藝難度較大，澆筑的密實(shí)度無法保證。

4) 鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶撞損后的維修難度大。

3.2 全鋼結(jié)構(gòu)分析

橋梁防撞裝置防撞帶采用全鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[15]，就全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶的承載性能而言，全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶僅局部達(dá)到屈服極限，因此，在內(nèi)外套管之間增加橫縱向的加勁肋可以大幅度增強(qiáng)全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶的防撞能力。其次，防撞帶半浮狀態(tài)下所能提供的豎向支持力超出防撞帶未加浮筒前自身重量約1.75倍，因此，防撞帶的浮性狀態(tài)尚且富余。再次，全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶的施工工藝簡(jiǎn)單，自重小，滿足浮態(tài)條件要求。

3.3 比較分析

通過對(duì)鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶和全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶進(jìn)行數(shù)值模擬，得出兩者各自的優(yōu)勢(shì)和不足，為防撞帶材質(zhì)選取提供了有價(jià)值的參考。全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶和鋼-混組合結(jié)構(gòu)防撞帶的性能比較如下。

3.3.1鋼—混組合結(jié)構(gòu)防撞帶

1) 防撞能力：① 撞擊部位水下、水上浮箱嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致水流涌入浮箱，影響防撞帶的浮動(dòng)特性；② 撞擊部位處，鋼管出現(xiàn)局部塑性變形，影響到鋼管—混凝土組合結(jié)構(gòu)防撞帶的整體性能；③ 混凝土應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)。

2) 施工難度：施工工藝難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，防撞帶內(nèi)部混凝土的密實(shí)度無法保證。

3) 維護(hù)難度：混凝土被撞損壞后失去防御作用，且修復(fù)難度極大。

3.3.2內(nèi)外鋼管嵌套全鋼結(jié)構(gòu)

1) 防撞能力：① 撞擊點(diǎn)處外層鋼管應(yīng)力小區(qū)域出現(xiàn)塑性變形；② 防撞帶最大徑向位移量達(dá)到0.81 m。

2) 施工難度：拼接工序簡(jiǎn)單快捷，極大縮短工期。

3) 維護(hù)難度：受撞后易于養(yǎng)護(hù)修復(fù)。

4 結(jié)語

鋼制材料通過焊接、螺栓或鉚釘連接而成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)被越來越普遍地使用在跨度大、超高及承載重的建筑結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)憑借著極限抗拉強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、塑韌性都好、質(zhì)料均勻、制造方便、施工工期短、密閉性好等優(yōu)點(diǎn)在建筑行業(yè)中成為不可取代的角色。經(jīng)過綜合對(duì)比，該依托工程防撞帶結(jié)構(gòu)選用全鋼結(jié)構(gòu)，全鋼結(jié)構(gòu)防撞帶從防撞能力、施工難度以及養(yǎng)護(hù)維修均優(yōu)于鋼—混組合結(jié)構(gòu)。