導流墻對大跨度橋梁防撞設計的影響研究*

史春娟 王建強 彭澤友

(長安大學工程機械學院1) 西安 710064) (中交第一公路勘察設計研究院有限公司2) 西安 710075)(西安中交土木科技有限公司3) 西安 710075) (西安市橋梁安全技術及裝備工程實驗室4) 西安 710075)

導流墻對大跨度橋梁防撞設計的影響研究*

史春娟1,2,3)王建強2,3,4)彭澤友2,3,4)

(長安大學工程機械學院1)西安 710064) (中交第一公路勘察設計研究院有限公司2)西安 710075)(西安中交土木科技有限公司3)西安 710075) (西安市橋梁安全技術及裝備工程實驗室4)西安 710075)

為研究導流墻結構對大跨度橋梁防船撞設計的影響，以廣州省某跨越Ⅲ級航道的大跨度橋梁為研究對象，采用非線性分析軟件LS-DYNA對船舶撞擊裸墩及撞擊導流墻的撞擊力進行分析，并采用MIDAS/CIVIL對橋墩及導流墻結構的自身抗撞能力進行計算，提出由橋墩抗力與船撞力快速評價橋墩抗撞設計安全性的方法，分析了導流墻對船舶撞擊力和橋墩自身抗撞能力的影響.結果表明，對于該橋梁結構，導流墻結構隔離船舶撞擊墩柱，可減小9.5%的船舶撞擊力，導流墻發生彎曲變形后撞擊力傳遞到墩柱，與船舶直接撞擊橋墩時相比墩身受力減少了73.2%，設置導流墻結構可分別提高橋墩橫橋向和縱橋向抗撞設計安全系數1.6和2.7倍.

船撞橋；導流墻；撞擊力；橋墩抗力；有限元分析

0 引 言

漫水橋應盡量減小橋面和橋墩的阻水面積，其上部構造與墩臺的連接必須可靠，并應采取必要的措施使基礎不被沖毀[1].由于作用在橋墩上的流水壓力標準值與阻水面積成正比例關系，因此當橋梁軸線與水流夾角較大時，為了減少橋梁下部構造對水流的影響，通常采用導流墻結構來減少阻水面積，并對水流方向進行引導來增強水體流動.導流墻結構通常設置于橋墩處，當導流墻處于船舶撞擊區域時便會對橋梁抗撞產生影響.

本文以廣州省某跨越Ⅲ級航道的大跨度橋梁為研究對象，采用非線性顯示分析軟件LS-DYNA對船舶撞擊裸墩及撞擊導流墻的撞擊力進行分析，并采用Midas/Civil對橋墩及導流墻結構的自身抗撞能力進行計算，通過對比有無導流墻結構對船舶撞擊力及橋墩抗撞能力的變化，來明確導在橋梁防船撞設計中的影響，為橋梁抗撞設計提供依據.

1 工程概況

廣州省某大跨度橋梁軸線法線方向與水流流向交角為27°，主橋跨徑組合為(110 m+210 m+110 m)的預應力混凝土連續剛構，大橋通航孔設單孔雙向通航，通航孔橋墩間預留4 m防撞設施空間后的有效凈距為198 m，大橋的設計最高通航水位采用洪水重新期20年一遇洪水位為9.926 m，設計最低通航水位采用廣東省航道局統一頒布的最低通航設計水位成果為2.03 m.大橋跨越Ⅲ級航道修建，典型代表船型為內河1 000 t級散貨船，船舶尺度(長×寬×型深)為85 m×10.8 m×5.4 m，采用6 kn航速進行橋梁防船撞設計.

主橋橋型布置及主墩一般構造見圖1，通航孔承臺尺寸(長×寬×高)為35.75 m×17.0 m×5.0 m，墩身采用四肢薄壁墩，樁基為18根直徑為2.5 m的摩擦樁，承臺面標高均為-2.6 m(85高程，下同)，位于規劃航道底標高以下.為了減小橋墩對水流的阻礙作用，主墩設置圓弧形導流墻，導流墻與橋墩夾角為25°，導流墻頂面標高10.8 m.

圖1 廣州省某大跨度橋梁主橋型布置圖(尺寸單位：cm)

2 橋墩防撞參數計算

2.1 通航代表船型偏航可達性分析

根據各橋區通航論證報告，并結合橋型設計方案及規劃航道底標高及設計通航高、低水位，對典型通航代表船舶在偏航情況下，對橋墩進行船橋相遇分析，確定通航船舶可能撞擊的部位，為船撞橋墩撞擊力分析計算的依據，見表1.

表1 船撞橋可達性分析結果

由表1可知，本項目船舶滿載和空載時撞擊橋梁的部位及撞擊點高程均存在差異性.由于在相同撞擊速度作用下，滿載船舶載重量大于空載，其撞擊橋墩的作用力也較大；同時橋墩抗撞設計時應當以最不利工況進行分析計算，因此，橋墩防撞力標準應以滿載船舶來確定.

2.2 船舶撞擊速度

船舶的設計撞擊速度是根據船舶在航道內的正常行駛速度、航道中心線至橋墩的距離以及船舶長度確定的[2].本文確定船舶設計撞擊速度的方法為：在航道范圍內，船舶以正常速度行駛；在航道中心線至三倍船長以外處，船舶以水流速度漂流，水流速度可按航道所在處的多年平均流速確定；此兩者之間的區域，設計船速按直線內插確定.

以設計通航孔為準，采用1 000 t船舶沿航道中心線進行偏航確定主橋船舶撞擊速度分布曲線見圖2，圖中V為設計船舶撞擊速度；VT為船舶在航道內的正常行駛速度；Vmin為船舶最小設計撞擊速度，可由所在水域的多年平均流速確定；X為橋墩中心線至航道中心線的距離；XC為航道中心線至航道邊緣的距離；XL為航道中心線至三倍船長處的距離.根據通航條件影響評價報告中模擬的工程橋位處航道中心處的流速，中水落潮流速作為多年平均流速，確定大橋船舶最小設計撞擊速度取0.85 m/s，船舶通航速度為6 kn航速，計算得到船舶撞擊主墩的速度見表2.

圖2 船舶撞擊速度分布曲線(尺寸單位：cm)

表2 船舶撞擊速度

3 導流墻對船舶撞擊力的影響

橋梁抗撞設計的關鍵參數是船舶撞擊力，船撞橋是一個復雜的動態力學過程.船舶撞擊力的計算有許多方法，目前得到最多工程應用的包括經驗公式計算和有限元瞬態動力分析方法[3-5].

從應力波傳播理論來看，撞擊界面的動態載荷是由撞擊物與被撞擊物互相耦合的波傳播過程共同決定的，而波傳播的具體過程則又視船舶、橋墩和防護設施的結構與材料的不同，以及初始邊界條件等的不同而有明顯差異.從這個意義上來說，很難要求用一個簡化公式來描述這么復雜的沖擊動力學問題.因此，采用動態有限元方法對這一問題進行數值模擬分析可以較好的反映船撞橋過程.

3.1 船舶撞擊裸墩數值模擬計算

采用有限元動態仿真分析方法不考慮計算橋梁的響應而僅需碰撞力數據時，可以將橋墩承臺作為剛性建模，節省計算成本且計算結果非常接近[6].因此本文建立橋墩模型時不考慮橋墩的剛度及樁-土之間的耦合作用，墩身采用剛性單元，樁底固結.船舶模型的建立按照真實尺寸進行，由帶質量的節點和板、梁單元組成，并通過在船舶底部添加彈簧單元的方式，來模擬浮力和重力對船舶的共同作用，避免使用復雜的流固耦合操作，在保證計算精度的情況下可有效縮短計算時間，船撞橋墩的模型及撞擊效果見圖3.

圖3 船舶撞擊裸墩效果

圖4為滿載船舶撞擊橋墩過程的能量變化曲線和船橋撞擊力時程曲線.從計算結果可知，撞擊過程能量守恒，船舶的動能轉化為結構變形內能.船舶撞擊墩柱的最大撞擊力為9.98 MN，船橋撞擊作用時間持續1 s左右.

圖4 船舶撞擊橋墩曲線

3.2 船舶撞擊導流墻數值模擬計算

導流墻設置于承臺處，導流墻結構可以看作為半圓環形和矩形的組合截面，與墩柱的夾角為25°.為了研究導流墻鋼筋混凝土結構的船撞過程中的變形效果，采用分類方式建模，鋼筋采用Beam單元，混凝土采用Solid單元，為加快計算速度，對于船舶撞擊范圍以外的導流墻結構和橋墩建模方法一致，采用剛性單元模型，船撞導流墻的整體橋墩模型在Ansys中建立，采用LS-DYNA進行顯示計算及后處理分析，得到不同時刻導流墻的撞擊效果見圖5.

圖5 船舶撞擊導流墻效果

圖6為船舶撞擊導流墻撞擊力時程曲線.結果顯示，1 000 t船舶撞擊橋墩導流墻結構時，船舶與導流墻的接觸力峰值為9.03 MN，船橋撞擊作用時間持續1.4 s左右，導流墻與墩身的接觸力峰值為2.67 MN.

圖6 船舶撞擊導流墻撞擊力時程曲線

3.3 導流墻對防撞力的影響分析

圖7為有無導流墻船舶撞擊力時程曲線對比，可知船撞裸墩時的撞擊力峰值為9.98 MN，船撞導流墻時的撞擊力峰值為9.03 MN，橋墩整體作用力峰值消減了9.5%，起到了減小并延長作用時間.

圖7 有無導流墻船撞力時程曲線對比

根據圖7的計算結果，船舶撞擊裸墩時，墩身的撞擊力峰值為9.98 MN，船舶撞擊導流墻時，墩身的作用力峰值僅為2.67 MN，墩身受船撞力峰值消減了73.2%，導流墻起到了隔離防撞效果.

導流墻具有防撞的效果，其防撞機理分析如下：導流墻與墩身分離設置，船舶撞擊導流墻避免了船舶與橋墩直接接觸，當導流墻受力變形后接觸墩身將撞擊力傳遞到墩身，導流墻變形耗能實現減小撞擊力延長撞擊時間的作用.

4 導流墻對橋梁構件抗撞能力影響分析

根據橋梁設計圖紙，采用Midas/Civil 2015橋梁結構設計分析軟件，建立橋墩梁單元整體分析模型，采用“M法”模擬樁土作用，在墩頂施加靜力荷載模擬上部結構組合荷載作用力[7].將船舶動力荷載施加在船舶與橋墩的碰撞點處，利用動力時程分析方法來模擬橋墩的撞擊響應，得到橋墩、樁基及導流墻的彎矩結果，見圖8～9.

圖8 船撞力作用下橋墩內力

圖9 船撞力作用下導流墻內力

對于樁柱式橋墩結構，鋼筋混凝土和鋼骨混凝土樁柱式構件的彎曲變形性能通常采用彎矩-轉角關系描述[8].按照橋墩構件的配筋圖、材料種類和橋墩各構件的軸力，混凝土材料使用Kent-Park模型，鋼筋使用Menegotto-Pinto模型，通過MIDAS截面特性分析方法得到理想化的截面彎矩-曲率關系曲線.

綜合考慮的橋梁等級、結構設計強度及建設投入等綜合因素，取等效屈服彎矩對應的水平力作為構件自身抗力標準，結果見表3～4.

表3 無導流墻橋墩構件自身抗力

表4 有導流墻橋墩構件自身抗力

為了評價橋墩的抗撞能力，本文提出橋墩抗撞設計安全系數，由樁基和墩柱較小的抗力與撞擊力比值確定.

由表3可知，當無導流墻結構時，船舶直接撞擊墩柱，在橫橋向撞擊的抗力較小，橋墩整體橫橋向安全系數為4.0，在縱橋向則表現為墩柱的抗力較小，縱橋向的安全系數為4.5.

根據導流墻的防撞機理可知，船撞力直接作用在導流墻處，導流墻產生的彎矩大于橋墩的彎矩，由于導流墻的抗力對橋墩安全性影響較小，橋梁抗撞設計的安全系數仍由樁基和墩柱較小的抗力與撞擊力比值確定.由表4可知，導流墻結構提高了橋墩墩身抗力，橋墩整體橫橋向和縱橋向的安全系數分別為6.3和12.0，對于橫橋向和縱橋向的安全系數分別提升1.6和2.7倍，為橋梁抗撞設計提供依據.

5 結 論

1) 通過對導流墻的防撞效果分析，明確了導流墻的防撞機理，船舶撞擊導流墻避免了船舶與橋墩直接接觸，當導流墻受力變形后接觸墩身將撞擊力傳遞到墩身，導流墻變形耗能可減小撞擊力延長撞擊時間.

2) 導流墻對船舶撞擊力的影響分析表明，對于本文研究對象，導流墻擴大了船舶的變形區域，減小船舶撞擊力9.5%，延長撞擊時間；導流墻發生彎曲變形后傳遞到墩柱的撞擊力較直接撞擊橋墩消減73.2%，起到了隔離保護墩柱的作用.

3) 導流墻對橋墩自身抗撞能力具有提升效果，對于本文研究對象，設置導流墻結構提高橋墩橫橋向和縱橋向的安全系數分別為1.6和2.7倍，為橋梁抗撞設計提供依據.

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[8] 劉懷林.任意鋼筋混凝土截面彎矩-曲率分析軟件研究[J].公路交通技術,2015(2):69-73.

Study on the Influence of the Diversion Wall on the Anti-collision Design of Long Span

SHIChunjuan1,2,3)WANGJianqiang2,3,4)PENGZeyou2,3,4)

(Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)1)(CCCCFirstHighwayConsultantsCo.Ltd.,Xi’an710075,China)2)(CCCCCivilEngineeringScience&TechnologyCo.Ltd.,Xi’an710075,China)3)(Xi’anEngineeringLaboratoryofBridgeSafetyTechnology&Equipment,Xi’an710075,China)4)

In order to study the influence of the diversion wall on the anti-collision design of long span bridges, a long-span bridge crossing Class III channel in Guangzhou Province has been taken as the research object in this paper. The collision forces of ship-pier collision and ship-diversion wall collision were analyzed individually by using nonlinear analysis software LS-DYNA. The impact resistances of piers and diversion wall were calculated by using MIDAS/CIVIL software. The rapid security evaluation method of the design by bridge resistance and ship collision force was put forward. The results show that, the diversion wall has the effect of the isolation protection pier from the collision. The impact force of ship and diversion wall could be reduced by 9.5%. The impact force was passed to the pier after the diversion wall bending deformation occurred, and the force of pier reduced by 73.2% compared with the result of ship directly impacting the pier. Meanwhile, diversion wall structure could improve the vertical and horizontal safety coefficient of the anti-collision design 1.6 and 2.7 times respectively.

ship-bridge collision; diversion wall; simulated analysis; impact force; impact resistance

U443.83

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.015

2017-07-11

史春娟(1987—)：女，博士生，主要研究領域為橋梁防撞技術及防撞裝置

*國家重點研發計劃重點專項項目資助(2016YFC0802206)