廣東某橋船撞數(shù)值模擬與防撞設(shè)施設(shè)計(jì)

彭 聰

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州 510060）

0 引言

1993年，美國(guó)亞拉巴馬州CSX鐵路大橋被拖駁船隊(duì)嚴(yán)重撞擊造成橋梁坍塌，列車出軌，事件造成47 人喪生［1］。2002 年美國(guó)俄克拉荷馬州一艘拖輪頂著兩艘運(yùn)油的空駁船撞上有20年歷史的阿肯色河大橋，造成公路橋坍塌，死亡17 人［2］。在我國(guó)，長(zhǎng)江干線上已經(jīng)陸續(xù)發(fā)生了近300 起船撞橋事故，武漢長(zhǎng)江公鐵兩用橋自1958 年建成以來(lái)已發(fā)生70 多起船撞橋事故，其中直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)百萬(wàn)元的事故就超過(guò)10起［3］。南京長(zhǎng)江大橋自建成起已發(fā)生了約30起船撞橋事故，2013年5月12日，一艘載有12 539 t石灰石的貨船，在下行準(zhǔn)備通過(guò)南京長(zhǎng)江大橋過(guò)程中，突然大角度轉(zhuǎn)向，與橋墩發(fā)生碰擦，并導(dǎo)致船體破損進(jìn)水，最終貨船沉沒(méi)。2007年，廣東九江大橋因船撞擊橋墩而導(dǎo)致橋面整體垮塌，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)橋梁防撞進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)探討，周青［4］以廣州某跨江橋?yàn)槔?，介紹了施工期間橋梁防撞設(shè)計(jì)；安玉芳、譚巨良等人以具體橋梁實(shí)例介紹了橋墩防撞設(shè)計(jì)方法［5-6］，單成林等人提出圓端形夾層結(jié)構(gòu)橋墩防撞浮箱并對(duì)其進(jìn)行了碰撞性能分析［7］。顯然，橋梁的防撞設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及民生安全的重要課題，而新的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2015》［8］對(duì)橋梁防撞更是提出了強(qiáng)制性的要求，文獻(xiàn)［8］指出：“規(guī)劃航道內(nèi)可能遭受大型船舶撞擊作用的橋梁，應(yīng)根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置和外形、水流速度、水位變化、通航船舶類型和碰撞速度等因素作橋墩防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)”。

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)橹骺?18 m 的雙塔斜拉橋，主梁采用鋼箱梁與混凝土箱梁相結(jié)合的混合梁，主塔中心軸兩側(cè)22.1 m 范圍采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余部分為閉口鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土梁段采用鋼-混結(jié)合段連接。全橋共計(jì)48 根拉索，采用扇形單索面布置，錨固于鋼梁中間，主梁上索距8 m，塔上索距2 m。橋塔采用“水滴流線型”橋塔，兩橋塔沿跨中軸線反對(duì)稱布置，橋面以上主塔高63 m。橋塔采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主橋橋型立面布置如圖1所示。

橋區(qū)所處航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)：GB 50139—2014》，最終確定橋區(qū)通航控制性代表船型的主要尺度如表1所示。

表1 橋梁通航論證代表船型Tab.1 Bridge Navigability Demonstration Representative Ship Type

2 經(jīng)驗(yàn)公式船撞力計(jì)算

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船撞力是較為傳統(tǒng)的一種方式，包括我國(guó)在內(nèi)，世界上不同組織提出了數(shù)十種船舶船撞橋墩的碰撞力計(jì)算公式，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外較為典型的船撞力經(jīng)驗(yàn)公式介紹如下。

2.1 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2018》［8］

通航河流中的橋梁墩臺(tái)所受船只船撞力，可按漂流物船撞力計(jì)算。漂流物船撞力可按式⑴估算［4］：

式中：P為漂流物船撞力；W為漂流物重力，根據(jù)漂流物情況，按實(shí)際調(diào)查確定，取船舶總排水量；v為水流速度；t為船撞時(shí)間，應(yīng)根據(jù)實(shí)際資料估計(jì)，在無(wú)實(shí)際資料時(shí)，一般取1 s，保守地取0.8 s；g為重力加速度，其值為9.81 m/s2。

2.2 《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10002—2017》［9］

式中：F為撞擊力；γ為動(dòng)能折減系數(shù)，當(dāng)船只或排筏斜向撞擊墩臺(tái)（指船只或排筏駛近方向與撞擊點(diǎn)處墩臺(tái)面法線方向不一致）時(shí)可采用0.2，正向撞擊（指船只或排筏駛近方向與撞擊點(diǎn)墩臺(tái)面處法線方向一致）時(shí)可用0.3；V為船只或排筏撞擊墩臺(tái)時(shí)的速度，此項(xiàng)速度對(duì)于船只采用航運(yùn)部門提供的數(shù)據(jù)，對(duì)于排筏可采用筏運(yùn)期的水流速度；α為船只或排筏駛近方向與墩臺(tái)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，可采用α=20°；W為船只重或排筏重；C1、C2為船只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)圬工的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時(shí)可假定C1C2=0.000 5 m/kN。

2.3 美國(guó)規(guī)范：AASHTO 2009［10］

1991 年，AASHTO（American Association of State highway and Transportation Officials）在頒布其橋梁船舶船撞設(shè)計(jì)的指導(dǎo)規(guī)范（Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridge）時(shí)，綜合考慮了WOISIN、DORMBERG 等人的研究成果，規(guī)定船艏正碰時(shí)的設(shè)計(jì)船舶船撞力按式⑶計(jì)算［11］：

式中：P為等效靜態(tài)船撞力（MN）；DWT為船舶的載重噸位（t）；V為船舶的船撞速度（m/s）。

式⑶適用于油輪、貨輪、散貨船類型船舶的船頭正撞橋墩的情況。文獻(xiàn)［10］公式中計(jì)算出來(lái)的船撞力是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的平均船撞力。

2.4 索爾-諾特-格林那公式［12］

式中：Pmax為最大撞擊力；V為船速；Dact為撞擊時(shí)的排水量；Dmax為船只滿載排水量。

2.5 歐洲統(tǒng)一規(guī)范

1999 年歐洲統(tǒng)一規(guī)范Eurocode 1 的2.7 分冊(cè)規(guī)定，在橋梁的船撞設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用某種統(tǒng)計(jì)意義下的設(shè)計(jì)代表船舶，并按式⑸來(lái)計(jì)算船舶撞擊力［8］：

式中：V為碰撞體在撞擊時(shí)的速度；K為碰撞體的等效剛度；M為碰撞體的質(zhì)量。

Eurocode 1 的2.7 分冊(cè)規(guī)定，對(duì)于內(nèi)陸航道船舶，速度取3 m/s，K=5 MN/m；對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶，取V=3.0 m/s，K=15 MN/m。

2.6 船撞力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)橋梁建造前期調(diào)研成果，代表船型為1 000 t級(jí)內(nèi)河干貨船，滿載排水量約1 650 t，航速4.5 m/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出船舶的最大撞擊力，列于表2。

表2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船舶撞擊力Tab.2 Empirical formula to Calculate the Ship Impact Force

可以看出，文獻(xiàn)［9］、文獻(xiàn)［10］以及索爾-諾特-格林那公式的計(jì)算結(jié)果較為接近，文獻(xiàn)［8］按漂流物計(jì)算船撞力的結(jié)果遠(yuǎn)小于按其他規(guī)范或公式的計(jì)算值，僅為上述三者的1/3，而《歐洲統(tǒng)一規(guī)范》的計(jì)算值也偏小，其計(jì)算結(jié)果約為上述三者的1/2，基于保守原則，按文獻(xiàn)［8］以漂流物來(lái)計(jì)算船撞力是不可靠的，無(wú)法對(duì)防撞設(shè)施設(shè)計(jì)提供有力參考。

3 有限元數(shù)值仿真計(jì)算

船舶碰撞動(dòng)力數(shù)值模擬法是通過(guò)研究船舶碰撞的內(nèi)部機(jī)理、外部機(jī)理，建立船舶碰撞的動(dòng)力學(xué)模型，模擬船舶船撞橋墩的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，獲得船撞力、能量轉(zhuǎn)化、船舶破損長(zhǎng)度等結(jié)果，并可模擬分析防撞消能設(shè)施的實(shí)際消能過(guò)程，動(dòng)力數(shù)值模擬法考慮實(shí)際船舶船撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)特性、船舶周圍水動(dòng)力作用、橋墩剛度、形狀，結(jié)果更符合實(shí)際情況。

該大橋主橋橋墩存在撞擊風(fēng)險(xiǎn)，考慮到主橋橋墩屬于薄弱構(gòu)件，通過(guò)模擬最高、最低通航水位下船舶撞擊情況，確定橋梁最大設(shè)防船撞力。

船撞模型采用ABAQUS 進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算最高和最低兩種通航水位工況。

3.1 有限元數(shù)值仿真計(jì)算

最高通航水位計(jì)算模型如圖2 所示，橋墩主應(yīng)力云圖如圖3 所示，船艏有效應(yīng)力及變形云圖如圖4 所示，撞擊時(shí)程曲線如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果表明，船舶最大撞擊力15.8 MN，撞擊時(shí)長(zhǎng)1.5 s，船艏最大變形量約2 m。

3.2 最低通航水位

最低通航水位計(jì)算模型如圖6所示，橋墩主應(yīng)力云圖如圖7所示，船艏有效應(yīng)力及變形云圖如圖8所示，船撞時(shí)程曲線如圖9所示。

綜合以上兩個(gè)計(jì)算工況，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)而言，最不利工況為船舶滿載正撞橋墩，最大船撞力為15.8 MN，較文獻(xiàn)［8］公式計(jì)算出的7.4 MN高出113.5%，較文獻(xiàn)［8］公式計(jì)算出的24.5 MN低出35.5%，較文獻(xiàn)［10］公式計(jì)算出的21.9 MN 低出27.8%，與歐洲統(tǒng)一規(guī)范公式相接近。

4 防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)

針對(duì)該大橋的具體特點(diǎn)與要求，擬采取浮動(dòng)式結(jié)合固定式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施的形式，滿足大橋橋墩的防撞要求。

本設(shè)計(jì)方案在大橋Z14和Z17橋墩周圍設(shè)置浮動(dòng)式HYF-80 鋼覆復(fù)合材料防撞圈，如圖10?所示，在Z15 和Z16 橋墩外側(cè)設(shè)置固定式HYF-80 鋼覆復(fù)合材料防撞護(hù)舷，如圖10?所示。鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施厚0.8 m；防撞設(shè)施起輔助防撞作用，避免橋墩局部撞損。引橋橋墩防撞采用在承臺(tái)頂面設(shè)置警示桿方案。

浮動(dòng)式HYF-80鋼覆復(fù)合材料防撞圈采用工廠節(jié)段制造，現(xiàn)場(chǎng)采用M42不銹鋼螺栓把各防撞節(jié)段在橋墩周圍連接成消能防撞圈；固定式HYF-80 鋼覆復(fù)合材料防撞護(hù)舷采用工廠部件制造，現(xiàn)場(chǎng)采用M42螺栓固定安裝在橋墩外側(cè)。浮動(dòng)式防撞設(shè)施隨著江面（河道）水位的高低，依靠水的浮力沿著橋墩軸線上升或下降，防撞設(shè)施最大程度處于船舶的撞擊高度。在船撞橋發(fā)生時(shí)，防撞設(shè)施可通過(guò)緩沖削減撞擊力，卸載撞擊能量。鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施屬于柔性防撞設(shè)施，能夠最大限度地保障橋梁、船舶與船員的安全。當(dāng)船舶與防撞系統(tǒng)撞擊緊密接觸后，防撞設(shè)施系統(tǒng)本身能承受較大的撞擊力。鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施外殼為鋼覆復(fù)合材料板，其內(nèi)部填充的復(fù)合材料緩沖管抗剪強(qiáng)度高，緩沖能力強(qiáng)。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料防撞設(shè)施相比，鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施抗撞擊能力更強(qiáng)，整體性更好；與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)防撞設(shè)施相比，鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施克服了鋼材彈性模量大，耐腐蝕性不佳的缺陷。該型防撞設(shè)施結(jié)合了復(fù)合材料與鋼材的優(yōu)勢(shì)，因此可有效保護(hù)船舶和橋梁不至于局部受損。

4.1 主要性能指標(biāo)

鋼覆復(fù)合材料性能應(yīng)符合表3要求。

4.2 制作工藝及原則要求

⑴復(fù)合材料力學(xué)性能應(yīng)符合《纖維增強(qiáng)塑料性能測(cè)試方法總匯：GB 1446—2005》的要求。

⑵復(fù)合材料耐腐蝕性能應(yīng)符合《玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料耐化學(xué)介質(zhì)性能試驗(yàn)方法：GB/T 3857—2017》的要求。

⑶復(fù)合材料吸水性能應(yīng)符合《夾層結(jié)構(gòu)或芯子吸水性試驗(yàn)方法：GB/T 14207—93》的要求。

⑷鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施生產(chǎn)工藝：真空導(dǎo)入（VIP）一次成型工藝。

⑸鋼板表面防腐層采用復(fù)合材料噴射成型工藝。

4.3 制作工藝及原則要求

4.3.1 鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施成型工藝

鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施采用真空導(dǎo)入一次成型，利用真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓將樹脂從容器中吸出，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流布將樹脂浸入纖維材料，當(dāng)樹脂浸滿整個(gè)內(nèi)部空間時(shí)，空間內(nèi)的樹脂與玻璃纖維材料在固化后就形成增強(qiáng)型復(fù)合材料。

工藝流程如下：大型鋼制模具的設(shè)施及制作→玻璃纖維材料裁剪/耗能閉孔材料→模具清理→鋪設(shè)輔材→樹脂準(zhǔn)備→真空導(dǎo)入→固化成型→脫?！獗砻鎳娚鋸?fù)合材料防腐層→成品檢驗(yàn)→包裝待發(fā)。

4.3.2 鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施的安裝工藝

防撞護(hù)舷安裝工藝：部件運(yùn)輸→焊接固定螺栓→防撞護(hù)舷吊裝就位→擰緊螺母→機(jī)具、船舶及人員撤離。

防撞圈安裝工藝：節(jié)段運(yùn)輸→節(jié)段組裝→防撞設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)安裝（直線段及U 型段）→自浮→機(jī)具、船舶及人員撤離。

4.3.3 安裝方案

⑴ 部件和節(jié)段運(yùn)輸

鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施在工廠內(nèi)分件分段制作，出廠前應(yīng)進(jìn)行試拼裝，檢查無(wú)誤后，確保設(shè)施總體幾何尺寸的形位公差控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，同時(shí)也應(yīng)在工廠內(nèi)完成相應(yīng)配套導(dǎo)向滑軌（防撞圈節(jié)段）的安裝，然后再由廠家用平板車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

⑵ 防撞圈節(jié)段組裝

為方便快捷安裝，縮短占用航道時(shí)間，減小施工周期，預(yù)先應(yīng)在安裝橋梁附近水域?qū)⒎雷苍O(shè)施節(jié)段組裝成2個(gè)獨(dú)立的單元體，其中1個(gè)單元體是由1個(gè)節(jié)段①和2 個(gè)節(jié)段②組成的“U”型段，另外1 個(gè)單元體是1個(gè)節(jié)段①。防撞設(shè)施各節(jié)段之間采用M42不銹鋼螺栓連接。

4.3.4 雨季及特殊情況施工

現(xiàn)場(chǎng)安裝要求快捷，持續(xù)作業(yè)時(shí)間可相對(duì)縮短，計(jì)劃6 d 完成一個(gè)橋墩的防撞設(shè)施圍護(hù)安裝，對(duì)航道通行影響時(shí)間較短。同時(shí)應(yīng)及時(shí)掌握天氣情況，盡量選擇在晴朗、風(fēng)力較小的天氣進(jìn)行安裝施工，遇到雨季及特殊情況則停止作業(yè)。

4.3.5 安全防護(hù)措施

此次安裝作業(yè)地點(diǎn)位于北江水域內(nèi)，過(guò)往船舶多，應(yīng)加強(qiáng)水上安全管理，確保施工船舶的安全極為重要，結(jié)合本工程特點(diǎn)和國(guó)家有關(guān)要求，擬采取以下主要安全防護(hù)措施：

⑴ 嚴(yán)格執(zhí)行“中華人民共和國(guó)內(nèi)河交通安全管理?xiàng)l例”，保證船舶航行及施工安全。

⑵加強(qiáng)施工船舶的管理，所有船舶須證照齊全，配足船員，不得使用“三無(wú)”船舶。

⑶確定施工水域與范圍，提前與海事部門聯(lián)系，必要時(shí)在橋墩的周圍設(shè)立警示或航標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)吊裝作業(yè)時(shí)，在橋墩的上、下游方向各安排一艘交通艇進(jìn)行值班巡邏，對(duì)過(guò)往船舶進(jìn)行交通疏導(dǎo)及告誡，確保作業(yè)區(qū)域的安全。

⑷船舶消防安全、救生設(shè)施完好，各種燈、號(hào)、旗、通訊設(shè)備完好適用，所有水上作業(yè)人員必須正確佩戴救生衣。

⑸嚴(yán)格遵守航行、停泊及船舶調(diào)遷規(guī)定，船舶作業(yè)時(shí)，盡量少占用通行航道，減少對(duì)航運(yùn)的干擾。

4.4 養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和使用壽命

鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施耐候性好，使用壽命30年，養(yǎng)護(hù)較為簡(jiǎn)便。

⑴ 每年檢查一次防撞裝置與橋梁連接是否緊固，若發(fā)生連接松動(dòng)的情況，可在生產(chǎn)商的指導(dǎo)下打開檢修孔，緊固連接螺栓。

⑵如果發(fā)生小的船舶碰撞或損傷，可在不拆卸護(hù)舷的情況下對(duì)護(hù)舷表面進(jìn)行修補(bǔ)；

⑶如果發(fā)生大的船舶碰撞或損傷，如現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法修復(fù)，則需要吊裝起受撞擊的分段返回廠內(nèi)進(jìn)行修復(fù)和制作，等修復(fù)完畢之后，再拖回現(xiàn)場(chǎng)安裝。

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了計(jì)算船撞力的經(jīng)驗(yàn)公式，以某大橋主橋?yàn)槔?，?duì)橋墩船舶撞擊力進(jìn)行了計(jì)算和數(shù)值模擬，并根據(jù)該大橋特點(diǎn)完成了橋墩防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

⑴文獻(xiàn)［8］按漂流物計(jì)算船撞力結(jié)果遠(yuǎn)小于按其他規(guī)范或公式的計(jì)算值，基于保守原則，按文獻(xiàn)［8］以漂流物來(lái)計(jì)算船撞力并不可靠，無(wú)法為防撞設(shè)施設(shè)計(jì)提供有力參考。

⑵有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果與歐洲規(guī)范較為接近，小于文獻(xiàn)［9］、文獻(xiàn)［10］以及索爾-諾特-格林那公式。

⑶根據(jù)該大橋的特點(diǎn)，設(shè)置浮動(dòng)式結(jié)合固定式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，與傳統(tǒng)防撞設(shè)施相比，緩沖能力強(qiáng)，能承受更大的撞擊力，耐久性更強(qiáng)，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。