株洲湘江八橋防船撞設(shè)施設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算分析

顧民杰，伏耀華，王君杰

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司，上海市 200135；3.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092]

0 引言

株洲湘江八橋（清水塘大橋）為跨越湘江的特大型橋梁工程，主橋?yàn)榭鐝?00 m+408 m+100 m中承式鋼桁拱橋。橋面按人車上下分離式布置，上層為雙向6車道城市主干路，下層布置慢行系統(tǒng)，其下層梁體通過(guò)吊桿下掛于上層主梁結(jié)構(gòu)。大橋?yàn)閲?guó)家重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目——清水塘老工業(yè)區(qū)改造的配套基礎(chǔ)設(shè)施工程，其建設(shè)對(duì)改善現(xiàn)狀交通、加強(qiáng)兩岸聯(lián)動(dòng)、推動(dòng)片區(qū)轉(zhuǎn)型、促進(jìn)片區(qū)發(fā)展具有里程碑式意義。

湘江是長(zhǎng)江七大支流之一，也是湖南境內(nèi)最大的河流，下游連通長(zhǎng)江黃金水道，具有通江達(dá)海的優(yōu)越水運(yùn)自然條件。湘江八橋橋位屬湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐庫(kù)區(qū)Ⅱ級(jí)航道，橋區(qū)跨越湘江水道，通橋區(qū)航道船舶較多，且橋位毗鄰銅塘灣港區(qū)碼頭，通航環(huán)境較為復(fù)雜，橋梁存在被船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)合理、經(jīng)濟(jì)的橋梁防船撞結(jié)構(gòu)設(shè)施，化解船撞風(fēng)險(xiǎn)，是大橋設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)港口航道規(guī)劃，大橋橋區(qū)最大通航船型為3 000噸級(jí)船舶，基于該防船撞等級(jí)，根據(jù)前期船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種可行的防撞設(shè)施來(lái)保護(hù)橋墩。為驗(yàn)證防撞設(shè)施的設(shè)防效果，本文基于有限元分析技術(shù)[1]，利用MSC-Dytran仿真模擬了一艘3 000噸級(jí)貨船以4.42 m/s的速度分別撞擊橋墩和防撞設(shè)施的工況，計(jì)算分析在設(shè)防工況下的船舶撞擊影響。同時(shí)仿真模擬了2 000噸級(jí)船舶在失控狀態(tài)下以漂流狀態(tài)撞擊橋梁時(shí)桅桿和大橋下層主梁碰撞的工況，計(jì)算桅桿撞擊力大小，確定警示攔截方案，以減小對(duì)大橋的撞擊力，最大程度地保護(hù)橋梁的安全。

1 橋梁防撞方案

橋梁的防撞體系分為主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞。主動(dòng)防撞結(jié)合橋區(qū)水域?qū)嶋H情況和通航環(huán)境，通過(guò)完善助、導(dǎo)航設(shè)施，建立橋區(qū)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)過(guò)往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實(shí)施有效監(jiān)控，防止船撞橋事件的發(fā)生。考慮到本工程毗鄰港區(qū)，無(wú)法通過(guò)主動(dòng)防撞預(yù)警降低港區(qū)船舶失控漂流撞橋風(fēng)險(xiǎn)，故被動(dòng)防撞設(shè)施尤為重要。

被動(dòng)防撞方案的形式多種多樣，有釋能附體防撞系統(tǒng)、群樁防撞系統(tǒng)、人工島防撞系統(tǒng)等。根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩位置、橋墩外形、水流速度、水位變化情況、通航條件、碰撞速度等因素綜合分析，本項(xiàng)目擬采用浮式釋能附體系統(tǒng)作為被動(dòng)防撞設(shè)施。

釋能附體防撞設(shè)施具有諸多優(yōu)點(diǎn)：占用航道空間少；易于制造、安裝和維護(hù)；對(duì)撞擊船舶的能量（動(dòng)能）進(jìn)行消能緩沖，使船舶結(jié)構(gòu)不能直接撞擊橋墩結(jié)構(gòu)；在各種水位條件和各種船舶的裝載狀態(tài)下，撞擊的船舶結(jié)構(gòu)不能直接觸到墩壁，水下的球艏部分不能直接撞到墩身；結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置合理，使船撞事故發(fā)生后，通過(guò)防撞結(jié)構(gòu)的變形、壓潰和撕裂，撥動(dòng)船頭方向，讓碰撞船舶帶走更多能量，減少橋梁吸收的能量，降低船撞力；一旦發(fā)生船撞，結(jié)構(gòu)易損，但拆除更換較容易。綜上，釋能附體防撞設(shè)施具有很好的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

浮式防撞設(shè)施內(nèi)部通過(guò)型材、板材、肘板等組成骨架，外部焊接鋼板，內(nèi)外層間填充吸能材料，形成一個(gè)整體后附著在承臺(tái)外側(cè)。防撞設(shè)施外部設(shè)計(jì)成流線形，以改善波流力，同時(shí)在船撞時(shí)可以有效調(diào)撥船首，使撞擊船舶的能量大部分保留在船舶上，最大限度地減少橋墩、船舶和防撞設(shè)施的損傷。

主墩浮式釋能附體防撞設(shè)施總長(zhǎng)45.7 m，型寬13.2 m，型深3.8 m。根據(jù)防撞功能的不同采用變截面的形式，主迎撞側(cè)厚4.5 m，次迎撞側(cè)厚2.0 m。為減輕結(jié)構(gòu)重量和減小波流力的影響，釋能附體外板開(kāi)有減輕孔。釋能附體外部安裝護(hù)舷，小型船舶撞擊時(shí)，護(hù)舷起到初期緩沖和消能的作用，同時(shí)可對(duì)船舶加以保護(hù)。圖1、圖2分別為防撞設(shè)施平面和立面示意圖。

圖1 主墩釋能附體防撞設(shè)施平面示意圖（單位：cm）

圖2 主墩釋能附體防撞設(shè)施立面示意圖（單位：cm）

2 有限元仿真分析

利用Patran建立船橋碰撞有限元模型，定義模型材料屬性、載荷、速度、約束等條件，利用MSC.Dytran進(jìn)行仿真計(jì)算[2]，驗(yàn)證防撞設(shè)施的吸能效果。

2.1 有限元模型

有限元模型中，撞擊船的船體后半段采用剛性板單元模擬，船艏部采用可變形的彈塑性板單元模擬。對(duì)碰撞區(qū)內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型做了比較精細(xì)的描述，對(duì)于遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)，由于在碰撞中基本上不發(fā)生變形，因此為了減小模型規(guī)模、提高計(jì)算效率，簡(jiǎn)化為由船體外板和甲板組成的剛性模型，船艏和后半段中間采用了過(guò)渡單元連接[3]。大橋橋墩采用剛性板單元模擬，防撞鋼套箱采用彈塑性板單元模擬。有限元模型如圖3至圖6所示。

圖3 3 000噸級(jí)船舶有限元模型

圖4 主墩有限元模型

圖5 主墩與鋼套箱有限元模型

圖6 船與鋼套箱碰撞有限元模型

2.2 防撞計(jì)算工況

撞擊工況根據(jù)AASHTO規(guī)范給出的建議選取，防撞船型根據(jù)規(guī)劃考慮3 000噸級(jí)貨船滿載高水位以4.42 m/s的速度分別正面撞擊橋墩和鋼套箱防撞設(shè)施，并對(duì)防撞效果進(jìn)行分析（見(jiàn)表1）。

表1 設(shè)計(jì)防撞計(jì)算工況表

2.3 船和防撞鋼套箱碰撞有限元模擬計(jì)算結(jié)果

非線性動(dòng)態(tài)有限元模擬技術(shù)可以對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和碰撞時(shí)間歷程給出良好的仿真效果[4]，且較為精確地計(jì)算碰撞力。3 000噸級(jí)貨船以4.42 m/s的速度正面撞擊橋梁主墩防撞鋼套箱時(shí)碰撞力及碰撞體響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7至圖13。

圖7 碰撞力時(shí)程曲線

圖8 船舶速度時(shí)程曲線

圖9 船舶位移時(shí)程曲線

圖13 1.0 s時(shí)鋼套箱變形及等效應(yīng)力分布圖

通過(guò)計(jì)算分析可得，3 000噸級(jí)貨船在滿載狀態(tài)下以4.42 m/s的速度正面撞擊橋墩防撞鋼套箱，最大碰撞力為27.7 MN,設(shè)防前的最大碰撞力為37.1 MN，主墩的船舶撞擊力降低了約25.3%。

圖10 船首和套箱吸能時(shí)程曲線

圖11 1.0 s時(shí)碰撞變形及等效應(yīng)力分布圖

圖12 1.0 s時(shí)船艏變形及等效應(yīng)力分布圖

主墩采用釋能附體防撞設(shè)施后，船橋碰撞過(guò)程有了緩沖區(qū)域。船舶撞擊后，艏部與防撞設(shè)施直接碰撞，碰撞區(qū)域內(nèi)的釋能附體局部產(chǎn)生重大壓潰和變形。在防撞套箱的各構(gòu)件中，外鋼板吸收能量最多，內(nèi)鋼板吸收的能量次之。水平筋板的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)各部分沖擊力、沖擊深度和吸收能的影響大于豎向筋板[5]。碰撞過(guò)程的總能量是44.9 MJ，防撞設(shè)施吸收的能量為12.7 MJ，防撞設(shè)施的釋能效率為28.2%。同時(shí)，船艏較設(shè)防前破損范圍有所減小，防撞設(shè)施起到了較好的緩沖和消能作用。

3 船舶桅桿撞擊橋梁計(jì)算分析

3.1 船舶桅桿撞擊下層橋面情況分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，Ⅱ級(jí)航道過(guò)河建筑物通航凈空高度不小于10.0 m。主橋邊跨為2 000噸級(jí)內(nèi)河船舶通航孔，吃水線以上高度為12.0 m，因而在最高通航水位時(shí)，存在桅桿撞擊下層慢行系統(tǒng)橋面的風(fēng)險(xiǎn)，如圖14所示。

圖14 桅桿撞擊橋梁人非道示意圖

3.2 桅桿撞擊工況有限元模擬

采用有限元模擬船舶桅桿和橋梁碰撞區(qū)域主梁，設(shè)定對(duì)應(yīng)的邊界條件，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算分析（見(jiàn)圖15）。

圖15 2 000噸級(jí)船舶桅桿撞擊鋼梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

3.3 桅桿撞擊工況

由于2 000噸級(jí)船舶僅在失控狀態(tài)下有撞擊橋梁的可能，因此選取漂流狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 桅桿撞擊橋梁計(jì)算工況表

3.4 計(jì)算結(jié)果

船舶撞擊力及桅桿破損響應(yīng)結(jié)果如圖16~18所示，可知若船舶在失控情況下以漂流速度撞擊大橋下層橋面，在碰撞過(guò)程中，隨著碰撞時(shí)間的進(jìn)程，桅桿變形逐步增大，碰撞力也逐步增加，最后桅桿破損吸能。

圖16 船舶撞擊力時(shí)程曲線（設(shè)防前）

圖17 桅桿破損吸能曲線（設(shè)防前）

圖18 3 s時(shí)桅桿破損變形應(yīng)力云圖（設(shè)防前）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3）可知，設(shè)防前若2 000噸級(jí)船舶漂流撞擊大橋下層橋面，最大撞擊力為0.38 MN，警示攔截設(shè)防后，船舶撞擊速度降低，2 000噸級(jí)船舶漂流撞擊橫梁最大撞擊力降為0.24 MN，撞擊力降低約37%，因此警示攔截設(shè)防十分必要。

表3 桅桿撞擊橋梁計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合橋位處航道、船型、橋墩結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況，對(duì)主墩采用釋能附體防撞方案，不僅具有良好的防撞性能，還兼具經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性。

（2）通過(guò)有限元分析和對(duì)比研究，主墩采用釋能鋼套箱防船撞設(shè)施。該設(shè)計(jì)防撞釋能效率可以達(dá)到28.2%。此防撞設(shè)計(jì)方案具有較好的設(shè)防效果，對(duì)橋梁和船舶起到了很好的保護(hù)作用。

（3）對(duì)通航水域的橋梁，需注意通航凈空高度和船舶實(shí)際吃水線以上高度的關(guān)系，若非通航孔通航凈高不滿足規(guī)范要求，需按規(guī)定設(shè)置明顯的警示標(biāo)志，并采取防止船舶碰撞的保護(hù)措施，加強(qiáng)通航監(jiān)管，防止船舶的桅桿撞擊大橋主梁，造成經(jīng)濟(jì)損失。

（4）在本項(xiàng)目中首次采用有限元分析的方法模擬了船舶桅桿撞擊大橋主梁的情況，精準(zhǔn)計(jì)算出撞擊力大小，為設(shè)防設(shè)施的選擇提供了可靠的理論基礎(chǔ)，保障了大橋和船舶的安全。