重慶菜園壩大橋防船撞研究

(重慶交通大學　重慶　400074)

引言

橋梁的船撞風險及撞后損傷破壞，都將隨著橋區航道通航標準的提高及實際通航船舶尤其是大噸級船舶通航量的增加而大幅增加。因此研究船撞力的精準計算分析在橋梁防撞工程方面具有重大意義。目前，國內外常用的碰撞計算方法有簡化解析法、試驗法、有限元分析方法，前兩種方法在結果精確性和實際應用上存在著不足，而近幾年有限元分析方法成為目前船橋碰撞問題分析的重要手段，在船橋碰撞的有限元仿真計算中：可以計算碰撞過程中每一個時間歩的結構內力和變形，應力和應變；最后可以得到船舶撞擊力等各種力學指標的時程曲線圖。本文將通過LS-DYNA軟件對船撞橋梁進行數值仿真分析，由計算得到的峰值船撞力研究確定各墩的設計船撞力，為該橋防撞標準確定及防撞設施設計提供技術依據。

一、工程概況

重慶菜園壩長江大橋，為雙層特大公軌兩用橋，橋長1651米，橋寬30.5m，橋高114主橋為剛構與提籃式鋼箱系桿拱和桁梁組合結構。系桿拱主跨為420m，對稱布跨的邊跨和側跨分別為102m及88m，主橋總長800m。船舶撞擊力按國家I級航道進行設計。鑒于橋區河段近5年的船舶年均通航量增長迅速，橋區河段執行通行5000噸級單船及9×3000噸級船隊的通航標準。

二、橋梁船撞力計算

(一)現有的常見船撞力計算方法

目前國際上較為流行的船撞力簡化計算方法主要有：AASHTO規范[1]公式、歐洲規范公式、我國《鐵路橋涵設計基本規范》公式、《重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南》公式等，下面為常用的幾種方法:(1)AASHTO規范：AASHTO提出船舷正撞時的設計船舶撞擊力按下式計算：F=0.98(DWT)1/2(v/8);(2)歐洲規范：規范中規定，在橋梁的船撞設計中，應選用某種統計意義下的代表船舶，并按照下式計算船舶的撞擊力：F=V(KM)1/2;(3)《重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南》：指南中所提公式綜合考慮了船舶航行速度，撞擊角度，橋墩形狀以及撞擊部位等影響因素。輪船與橋墩的正撞力可按下公式計算：F=αk·η·ξ·(DWT)βk·V。

(二)船撞力數值仿真分析計算

1.仿真分析計算原理

船舶對橋梁的碰撞分析采用動力數值模擬法[2]進行計算，碰撞計算分析軟件采用基于顯式算法的LS-DYNA。

2.船橋碰撞分析模型參數取值

本次仿真計算中，全橋采用三維實體單元，船舶采用二維殼單元。為了縮短計算時間，橋墩、船舶受直接碰撞部位單元劃分尺寸3-5cm，混凝土部分采用材料為線彈性材料，混凝土密度R=2500kg/m3，彈性模量E=3e10Pa，泊松比pr=0.17。鋼材部分采用塑性隨動模型，密度R=7800kg/m3，彈性模量E=2.1e11Pa，泊松比pr=0.3，屈服應力2.35e8；船舶材料采用此塑性隨動模型，密度R=7800kg/m3，彈性模量E=2.1e11Pa，泊松比pr=0.3，屈服應力2.35e8。

3.動力仿真模擬計算結果

通過橋梁抗力和年倒塌頻率分析，本次撞擊船舶的計算噸位為8000噸。撞擊速度為5.47m/s，撞擊角度為與橋梁法向成0°角。撞擊過程中出現了動能、內能、滑動能等之間的能量相互轉化，但總能量趨于不變，沙漏能得到了很好的控制。船舶撞擊力最大值為48.2MN。

三、橋墩抗力與設計船撞力的對比分析

影響船舶撞擊力大小的主要因素[3]有：船舶的噸位、撞擊角度以及船舶速度等，橋墩的形狀、強度以及截面尺寸等。通過采用不同的方法對重慶菜園壩大橋的船撞力進行探索性的研究發現，采用仿真模擬分析方法得到的船撞力相對于AASHTO規范和設計指南方法相近。但仿真模擬方法能夠較真實的模擬出船橋碰撞的過程，得到能量、力以及位移的時程曲線。因此我們以數值仿真模擬得到的峰值船撞力作為橋墩的設計船撞力，橋墩的抗力與設防船撞力對比見下表。

表1　橋墩的抗力與設防船撞力對比表

四、菜園壩長江大橋防撞設計標準及方案

根據對大橋的船撞力及風險分析[4]，防撞設計代表船型為8000DWT，設防船撞力為48.2MN。綜合考慮菜園壩長江大橋的地質、水位、通航船舶、航道、施工難易等因素，大橋的2#主墩防撞方案主要考慮以下3種：

1.攔截索防撞方案：該方案類似于繩索的防護方式，為適應橋區水位落差大、防撞設計船舶噸位大的特點，可在枯水期河灘裸露時施工錨碇系統，承臺高程控制在河灘面高程左右，水面防撞浮筒可采用復合材料制作，并通過系纜固定在承臺或錨碇上，浮筒間采用鋼纜連接并通過錨固裝置固定。發生船撞作用時，浮筒通過浮于水面的鋼纜掛住船舶，系纜下的錨碇拖住船舶，從而消耗其撞擊能量，將危險船舶攔截在橋梁的安全范圍之外，達到保護橋梁的目的。

2.薄壁圍堰防撞方案：該方案主要將墩柱分別用圍堰包圍，圍堰與橋墩墩柱不接觸，主要分為上下兩個部分：上部為鋼圍堰，起主要防撞作用，鋼圍堰內部用鋼材支撐；下部為混凝土圍堰，主要起支撐和防撞作用。一旦發生船撞作用，鋼圍堰吸收大部分能量，并阻止船撞向橋墩，達到保護橋墩目的。

3.結構自身加強防撞方案：因為橋墩高達50m以上，橋墩墩柱間距為35m,無橫向聯系，所以抗撞擊能力較弱，因而考慮在橋墩墩柱間設置一個橋墩，并增加2排橫梁連接3個橋墩，以加強橫向聯系及抗撞擊能力。

五、結論

根據規范和數值仿真模擬的船撞力計算結果，發現2#主墩抗力不足以抵抗設計船撞力，且與設防船撞力標準對比，橋墩自身抗力差15%以上，為了保障大橋和船舶航行的安全，在根據防撞方案布設防撞設施的同時，還可按照分道行駛的方式航行，并嚴禁在橋孔附近會船、并航或超越。為了引導船舶安全地通過橋區水域，可以在橋孔迎船一側，按照相關規范要求設置浮標標志等。