基于三江口特大橋主橋橋墩防撞設施的設計及分析

■陳俊濱

（莆田市交通投資集團有限公司，莆田 351100）

隨著我國交通運輸事業的不斷發展， 跨江、跨海的大型橋梁越來越多，同時橋梁下部通航船舶的數量、噸位和航速也在不斷增加，橋梁墩身作為承載橋梁的重要結構，因船舶通航撞擊橋墩導致橋梁整體坍塌從而造成人員傷亡的事件時有發生，因此在跨江跨海等大跨度橋梁設計時，橋梁主墩結構的防撞性能是橋梁可否安全使用的關鍵因素。 因此，合理設計橋梁的防撞保護系統， 緩沖船舶的撞擊力，使橋梁和船舶的損失程度降到最低，具有重要的研究意義和工程價值。

1 橋梁防撞設計方法

1.1 設計原則

綜合國內橋梁防撞設施設計技術，目前橋梁防撞設計需要考慮橋墩的位置、橋墩的外形、橋墩的自身抗撞能力、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型及撞擊速度等因素，同時還應滿足如下要求：（1）在船撞情況下，橋梁主體結構承受的撞擊效應能下降到主體結構自身可接受的水平，同時還能應對特殊情況下超過自身抗撞能力的撞擊事件[1]；（2）預防橋梁主體遭受撞擊后的局部破損[1]，以及局部破損后引起的大范圍損毀；（3）實現“三保護”或“三不壞”原則，特別是以人為本，盡可能地保護船舶和人員安全；（4）避免船舶直接撞擊樁基礎；（5）裝置幾何外形有利于改變船舶撞擊后的航向；（6）防撞設施的適用性、耐久型、維護性、可修復性、環保性和經濟性。

1.2 防撞設施特性

橋梁在防撞過程中，船舶、防撞設施和橋墩共同組成一個運動系統，各組成單元運動狀態發生變化，但在變化中要極大程度地保持防撞設施完好，因此防撞設施應滿足的特性有[2]：（1）具有降低應力波傳播波速度的“低波阻抗”特性，增大內部應力波傳播路程和減小外部船、墩間能量交換；（2）針對正撞能量大、側撞能量小的特點，防撞設施正面變形空間應當大于側面變形空間；（3）結構變形模式穩定，受撞全程的撞擊歷時較長，撞擊效應的峰值較低；（4）材料性能穩定、易加工、耐久性好，具有低屈服強度和長屈服區域。

1.3 防撞設施類型

橋梁防撞設施可以分為主動防撞設施和結構性防船撞設施兩大類[1]，其中主動防撞設施包括警示標志、助航設施、安全監控預警設施等，結構性防船撞設施屬于被動防撞設施，分為獨立式、一體式、附著式防船撞設施三大類[1]。

1.3.1 獨立式防船撞設施

獨立式防船撞設施是在橋墩外設置的一道防船撞設施。 其優點是船撞力不傳遞到橋墩，可以有效保護橋墩；缺點是該設施需要自身結構功能強大，所需投入的造價較高，不夠經濟，對河流自身環境影響較大，占用航道范圍較廣，并且只能保護橋梁免受船撞， 不能起到保護船舶和人員安全的作用。因此不考慮設置此類防撞設施。

1.3.2 一體式、附著式防船撞設施

一體式、附著式防船撞設施是通過設置在橋梁主體結構外的防撞裝置來保護橋梁主體結構，并與橋梁主體結構共同承受船舶的撞擊，同時削減船撞力到橋梁主體結構能夠承受的范圍的防船撞設施[1]。其優點是橋墩自身的水平抗力得到有效利用，對河流自身環境影響較小，占用航道范圍較小，造價相對較低。 具體又可按照材料分為復合材料、鋼質、橡膠防船撞裝置（可任意組合）；按照適用溫度分為常溫型和耐寒型；按照附著方式分為固定式和浮動式防船撞裝置[2]。 其中，浮動式防船撞裝置可以隨著水位的漲落高低依靠自身的浮力沿著橋墩軸線上下升降，漂浮于水面并始終處于迎撞面，適用于水位變化幅度較大的水域[2]。 因此，可根據實際橋梁特點、水文情況及通航條件選擇使用單一或復合的防船撞設施對橋梁進行防護。

2 三江口特大橋橋墩防撞設計

2.1 工程概況

三江口特大橋主橋為（95+220+95）m 鋼混疊合梁斜拉橋，其中32#、33# 為主塔墩，主塔墩基礎均采用鉆孔灌注樁，啞鈴型承臺。 承臺底標高－0.61 m，封底混凝土2 m 厚，封底混凝土底標高為－2.61 m，承臺頂標高＋5.39 m，高6 m，長65.3 m，寬19.8 m，其下布置20 根主墩樁基，樁長62（64）m，樁徑2.5 m，以及8 根輔助樁樁基，樁長30 m，樁徑1.2 m。 32#～33#之間為通航孔，按3000 t 噸級散貨船為通航設防代表船型，并按載重噸5000 t 級的海船防撞標準進行校核，大橋設計最高通航水位（m85 高程）5.460 m，最低通航水位為－4.04 m， 與封底混凝土底標高高差為1.43 m，過往船舶對該橋樁基不會產生撞擊的情況。

該項目位于福建省莆田市木蘭溪入海口，橫跨木蘭溪，該地區為沖積平原地貌，水位受漲落潮影響。 木蘭溪寬約為430 m，河床底標高約為－4.0～－3.0 m，平均水深約為4.8 m。 木蘭溪位于三江口段的潮位為半日潮區，每日漲、落潮2 次，平均潮位差約為6.5 m，漲潮時平均流速約為0.57 m/s，最大流速約為0.94 m/s；落潮時平均流速約為0.65 m/s，最大流速約為0.95 m/s。 該處的最大波高約為4.1 m，平均周期約為7.1 s。

2.2 防船撞設計參數

2.2.1 基本參數

根據三江口特大橋主橋橋區航道部門提供的通航水位數據，三江口特大橋橋位通航橋梁設計最高通航水位（m85 高程）5.460 m，最低通航水位為－4.04 m，相差9.5 m，因此本次防船撞設計選擇3000 t 貨船（船長95 m、船寬16.2 m、吃水深度3.2 m、排水量5100 t）作為代表船型（圖1）。 用于校核的5000 t 海船，船長99.8 m、船寬15.8 m、吃水深度5.8 m、排水量7813 t。

圖1 3000 t 船舶撞擊模型

2.2.2 船撞速度

船舶航速定為8 節，即4.11 m/s，船舶撞擊速度如表1[3]所示。

表1 三江口特大橋主墩及過渡墩船舶撞擊速度計算匯總

2.2.3 船舶對橋梁的撞擊力

以3000 t 船撞力為標準，計算船舶撞擊橋梁的正撞力，結果如表2[3]所示。

綜上，從表2 計算結果中可以看出，不同的經驗公式計算結果相差較大。 根據應力波傳播理論，撞擊界面的動態載荷是由撞擊物與被撞擊物中（含防護設施）2 處互相耦合的波的傳播過程共同決定，而2 種波傳播的具體過程則又會因為船舶、橋墩及防護設施的結構與材料的不同、初始邊界條件的不同等因素而存在明顯的差異[3-4]。 從具有較多影響因素角度上來說，如此復雜的沖擊動力學問題，很難通過一個簡化公式來描述。 因此，考慮采用有限元動態仿真分析方法，對這一問題作進一步的數值模擬分析。

2.2.4 有限元分析

為進一步驗證沖擊動力，通過有限元動態仿真分析， 計算3000 t 代表船舶在3 m/s 的行駛速度下的船舶正面撞擊力，作為規范計算船舶撞擊力的驗證，船舶撞擊效果及撞擊力時程曲線如圖2、3 所示。

圖2 3000 t 船舶撞擊效果

圖3 3000 t 船舶撞擊力時程曲線

3000 t 船舶3 m/s 時的最大撞擊力為20 MN。將計算結果與標準計算結果進行對比，如表3[3]所示。

表3 撞擊力計算結果對比

通過上述有限元動態仿真對比分析，鑒于其結果與美國AASHTO 規范的計算結果相對接近，故決定采用美國AASHTO 規范的防撞力計算結果作為本項目橋墩防撞的設計依據。

三江口設防代表船型為3000 t 級船，設計吃水3.2 m，主墩32#、33# 位于航道兩側，且高水位和潮水位均存在船撞風險。 31#過渡墩最高通航水位時水深2.21 m，3000 t 船舶無法到達， 因此不需要防撞設計， 而34# 過渡墩， 雖在高水位時水深為5.78 m 船舶可達， 但低水位及潮水位時均不可達，同時34#過渡墩距離航道中心線205 m， 船撞風險較小，因此，綜合考慮，主墩進行防船撞設計，過渡墩不進行防船撞裝置設計，結果如表4 所示。

表4 船舶可達性分析

2.3 防船撞方案設計

2.3.1 主墩防船撞方案設計

我國大型橋梁的防撞設施之前普遍采用剛性圍堰、鋼套箱等剛性防護設施，實際發生碰撞時往往“硬碰硬”容易導致橋傷船毀，造成巨大的經濟損失及人員傷亡。 而單一的彈性變形型防撞設施則不適用于設防等級較高的大型橋梁。 在這方面創造性提出剛柔并濟設計思路的是我國爆炸力學和沖擊力學開拓者之一的王禮立教授，他在橋墩防撞設施方面給出了一種新的思路，讓橋墩圍上一圈厚實可變的“鎧甲”，借力打力大幅減小船撞橋墩時產生的沖擊力，就是現在很多大型橋梁開始使用的柔性防撞設施。 柔性防撞設施的吸能效果遠高于剛性防撞設施，且其強度遠大于單一的彈性變形型防撞設。實船撞擊實驗表明，柔性防撞設施可瞬間減弱50%左右的撞擊力，更有效做到對橋墩、防撞設施和船舶的保護，在此基礎上的柔性鋼套箱防船撞設施由內套箱、外套箱、三角套箱及緩沖消能元件構成，具有“三級耗能”的顯著效果，能有效降低撞擊力，真正實現船不壞、防撞設施不壞、橋不壞的“三不壞”原則。

因此根據三江口特大橋的具體特點及通航要求，本項目主墩承臺選擇采用兼作施工圍堰的浮動式柔性鋼套箱防撞設施。 該防撞設施適用于水位差較大的水域使用，優點是兼具橋墩施工和防船撞2 種功能，使用剛柔并濟的結構對橋梁進行防護，并且能同時滿足各種水位條件下的防護需求，既節約成本，減少了材料及工序上的浪費，同時又能保障橋梁的正常使用年限，一舉多得。 該方案的防撞原理是采用鋼套箱及外迎撞體配合進行 “三級耗能”的方式來實現對主橋橋墩的全方位防護，遭受船舶撞擊時， 外套箱后移向整個防撞設施擴散撞擊力，使處于各個位置的緩沖消能元件協同發揮作用，通過其產生的壓縮、變形有效吸收船舶撞擊時所產生的能量延長撞擊時間實現第一級耗能，第一級耗能后外套箱及內套箱通過自身結構的壓縮、變形吸收剩余能量實現第二級耗能及第三級耗能，最后通過迎撞端設置的三角套箱借力用力，借助撞擊時產生的反作用力對船舶進行撞后導向，撥轉船頭使船舶遠離橋墩，從而最大限度實現保護防撞設施、橋梁、船舶以及船上人員安全的防撞目的[5]。

浮動式外套箱為防撞設施與來撞船舶接觸的部分，設計為箱型的整體結構，為了確保船舶撞擊該結構時能順利實現對船頭的導向作用，同時不會產生較大的變形，在外套箱結構迎撞端即橫橋向的兩端采用三角套箱， 即外表設計為90°的光順的圓弧尖角。 為保證浮動式外套箱能適用于各類型船舶， 外套箱上下部的斜度采用船頭外傾斜度的中值。 兼做施工承臺圍堰的固定式內套箱的設計為通過用高強度螺栓將16 個全焊分塊連接在一起的多艙結構的等截面圈形鋼箱，固定于承臺。 為了使整個防撞設施形成內外平衡，將浮動式外套箱、防撞圈與固定式內套箱通過吊桿索具及相關組件進行連接。 該設計還可以有效降低海浪對浮動式結構的影響。 主墩防船撞設施布置如圖4～6 所示。

圖4 立面布置圖

圖5 平面布置圖

圖6 主墩兼作施工圍堰的浮動式柔性鋼套箱防船撞設施

2.3.2 防撞效果分析

針對三江口特大橋主墩防撞要求，對3000 t 和5000 t 船舶撞擊速度和船舶撞擊力進行計算分析，結果如表5、6[3]所示。

表5 三江口特大橋主墩船舶撞擊速度計算結果

表6 三江口特大橋主墩船舶撞擊力計算結果

與橋梁碰撞時，輪船撞擊力設計值應按下列公式計算：

采用有限元動態仿真分析方法對主橋橋墩進行了撞擊裸墩和撞擊防撞裝置的數值模擬，從而進一步驗證防船撞裝置的防撞效果。 主墩設防等級要求為船舶3000 t、5000 t。

（1）工況一：3000 t 正撞。 本工況船舶為3000 t級， 撞擊速度為3.66 m/s， 對三江口特大橋主橋32#、33# 墩防撞設施正撞防護效果進行計算分析，結果如圖7～9 所示。

圖7 3000 t 正撞裸墩模型及正撞裝置模型

圖8 3000 t 正撞效果分析

圖9 3000 t 正撞力時程

（2）工況二：3000 t 側撞。 本工況船舶為3000 t級，撞擊速度為3.66 m/s，對三江口特大橋主橋32#、33#墩防撞設施側撞防護效果進行計算分析， 結果如圖10～12 所示。

圖10 3000 t 側撞裸墩模型及側撞裝置模型

圖11 3000 t 側撞效果分析

圖12 3000 t 側撞力時程

根據表7 計算結果，增加防撞裝置后，各工況下，撞擊力削減范圍在40%～50%，削減峰值為48.1%，且設防時船頭破壞幅度明顯減小，防護效果較好。

表7 3000 t 撞擊力計算結果對比

（3）工況三：5000 t 正撞。 本工況船舶為5000 t級，撞擊速度為3.69 m/s，對三江口特大橋主橋32#、33# 墩防撞設施正撞防護效果進行計算分析，結果如圖13～15 所示。

圖13 5000 t 正撞裸墩模型及正撞裝置模型

圖14 5000 t 正撞效果分析

圖15 5000 t 正撞力時程

（4）工況四：5000 t 側撞。本工況船舶為5000 t，撞擊速度為3.69 m/s，對三江口特大橋主橋32#、33# 墩防撞設施側撞防護效果進行計算分析，結果如圖16～18 所示。

圖16 5000 t 側撞裸墩模型及側撞裝置模型

圖17 5000 t 側撞效果分析

圖18 5000 t 側撞力時程

根據表8 計算結果，增加防撞裝置后，各工況下，撞擊力削減范圍在30%～40%，削減峰值為35.7%，且設防時船頭破壞幅度明顯減小，防護效果較好。

表8 5000 t 撞擊力計算結果對比

3 結語

通過對三江口特大橋主橋橋墩防撞設施的設計及分析，可以得出結論：采用有限元動態仿真分析方法對三江口特大橋主墩進行了撞擊裸墩和撞擊防撞裝置的數值模擬，驗證了主墩承臺采用兼作施工圍堰的浮動式柔性鋼套箱的防撞設施進行防護是滿足要求的。 本文為類似的特大橋主橋橋墩防撞的設計及分析提供了依據，所得結論對同類工程可起參考作用。