基于數值模擬的橋墩防船撞鋼浮箱防撞性能分析

摘要：文章以思林右江大橋為實際工程依托，綜合考慮橋梁自身結構特點、所處環境等因素，設計一種橋墩防船撞鋼浮箱，提高了橋墩的抗撞性能。通過建立橋梁結構有限元模型、鋼浮箱有限元模型和船舶有限元模型，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC專用有限元軟件對有無防撞措施兩種工況進行模擬，并對橋墩防船撞鋼浮箱的防撞性能進性計算分析。結果表明，安裝該種防船撞鋼浮箱后可有效提升橋墩防撞性能，可為今后此類橋梁防撞性能研究工作提供工程參考。

關鍵詞：橋梁防撞；鋼浮箱；抗撞性能

U443.26A010014

0 引言

橋梁是跨越河流等障礙的重要工程建筑，更是在溝通河流兩岸之間的陸路交通運輸中起著至關重要的連接作用［1］，其在交通運輸系統中的作用是不言而喻的。但對于水上運輸的船舶而言，橋梁卻是人工構筑的障礙物［2］。因此，橋與船就成了對立的矛盾主體。在河流上建設的橋梁自通航的那一刻起，就有橋梁船撞事故發生的可能性，而且在橋梁的全壽命過程這種可能性都是客觀存在的［3］。近年來我國發生了多起船撞橋事件，造成橋梁倒塌、航線中斷、人員傷亡等嚴重后果，這就意味著防船撞設施的研究具有重要意義，目前有許多學者對如何提高防船撞設施的性能進行了深入研究，如韓峰對橋梁下部結構抗撞性能進行碰撞過程的參數化拓展分析，探討船艏剛度（船艏形狀、鋼板厚度）、承臺結構形式及撞擊角度對船撞橋撞擊力的影響［4］；徐云等從通航安全風險角度，對橋區航道、水流水深、航標配布、通航凈空尺度、船舶通航秩序、相鄰設施影響等進行分析，研究橋墩抗撞性能，并從力學角度，利用有限元模型，驗算樁基及墩柱受力［5］。本文以思林右江大橋為工程案例，設計了一種自浮式橋墩防船撞鋼浮箱，并通過對不同工況下橋墩的抗撞性能進行模擬研究，研究成果對今后類似工程案例有一定的指導意義。

1 工程概況

1.1 橋梁及航道通航基本情況

（1）橋梁基本情況。思林右江大橋于百色市田東縣思林鎮跨越右江，為思林鎮與壇百高速公路的連接線，橋位上距魚梁樞紐約19.5 km，下距金雞灘樞紐約61.1 km，橋位處屬于金雞灘樞紐回水庫區。大橋全長390 m，橋面寬12.5 m，橋跨組合為（43+57+2×90+57+43） m預應力混凝土連續剛構。上部結構主梁為單箱單室箱梁，箱梁采用變截面，箱梁底板上下緣順橋向均為1.8次冪拋物線。下部結構1#、5#墩為雙柱式墩、鉆孔灌注樁基礎，2#～4#橋墩為雙薄壁墩、雙排鉆孔灌注樁承臺基礎，采用墩梁固結，0#、6#橋臺采用肋式埋置式橋臺，雙排鉆孔灌注樁承臺基礎。常水位下2#、3#主墩位于水中，4#主墩中洪水期涉水，其余墩臺均位于兩側岸坡上。

（2）航道通航基本情況。根據金雞灘水利樞紐過閘交通流量統計，近年過閘船舶數量為10 590～13 086艘，根據橋址上游魚梁樞紐過閘交通流量統計可知，近年過閘船舶數量為3 507～11 827艘，即工程水域水上交通流量約為10～36艘/d。本橋雙孔單向通航，橋區水域水深優良，處于金雞灘庫區，水流條件較好，過往船舶過橋基本可以保持在航道的航速，船舶航速基本為6節～8節。思林右江大橋設計為2個通航孔，下行通航孔橋墩為2#～3#墩，上行通航孔橋墩為3#～4#墩，通航凈寬為80 m，凈高為10.0 m。

1.2 綜合評估橋梁抗船撞性能情況

思林右江大橋前期已做通航安全風險及抗撞性能綜合評估報告，評估結果主要有以下幾點：

（1）思林右江大橋主墩2#～4#承受現狀通航1 000噸級船舶橫、順橋向撞擊時墩身所產生彎矩均小于其截面等效屈服彎矩，滿足抗彎性能要求；思林右江大橋主墩2#～4#承受船舶橫橋向撞擊時樁基所產生彎矩大于其截面等效屈服彎矩，不滿足抗彎性能要求。綜上而言，思林右江大橋主墩2#～4#承受現狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時，不滿足抗彎性能要求。

（2）思林右江大橋3#主墩承受現狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時，最不利截面所承受剪力大于橋墩自身抗剪承載力設計值，橋墩抗剪性能不滿足要求。思林右江大橋2#～4#主墩承受現狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時，滿足抗剪性能要求。

（3）經過樁基整體穩定性分析可知，思林右江大橋主墩2#～4#承受現狀通航1 000噸級船舶橫橋向撞擊時樁基已發生屈服，抗剪承載能力不滿足要求，不滿足樁基礎整體穩定性JX1級性能等級要求。

2 防船撞鋼浮箱設計

根據評估，思林右江大橋現狀（Ⅲ級）及規劃（Ⅱ級）航道等級中，所對應通航代表船型橫橋向正撞思林右江大橋2#～4#墩時，橋墩抗力均不滿足抗撞性能要求，存在較大安全風險，需增設結構性防撞設施確保橋梁安全。針對現狀航道通航實際情況、橋梁改擴建及航道提升時間的不確定性，考慮節約成本等因素，思林右江大橋防船撞設施按照現狀Ⅲ級航道設計。

2.1 結構形式

本工程設計的自浮式防船撞鋼浮箱防撞設施是一種緩沖吸能型腹板增強鋼與復合材料組合式的防撞設施，其內部結構主要由鋼板面層、鋼腹板增強體、復合材料防腐層以及耗能芯材組成。具體設計成果見圖1。

2.2 防撞機理

當船舶撞擊橋墩時，防撞設施鋼外殼箱體及其內部填充的耗能材料在撞擊力作用下壓縮變形，實現緩沖吸能。內、外表面護舷對小型船只的刮蹭、撞擊具有較好的緩沖作用，既能保護裝置外觀良好，也能減少裝置在上下浮動過程中的磨損。撞擊過程中，鋼外殼及內部耗能芯材共同吸收了撞擊能量，減少了船舶和橋墩在撞擊過程的能量吸收，減小了橋梁和船舶的破壞，同時降低了撞擊力。

2.3 設計優點

本工程設計的自浮式防船撞鋼浮箱具有諸多優點，總結如下：

（1）重量輕：質量較輕、強度較高，自浮性良好，吊裝較方便。

（2）可批量生產：成型方便，形狀可靈活設計，適合大批量生產。

（3）性能良好可控：由于鋼板的存在，裝置防撞性能高；在不改變結構外形的前提下，通過改變材料組分達到不同的物理性能。

（4）安裝方便：由獨立的模塊組成，安裝便捷高效，各單元損壞后維修更換方便，適合在工廠加工、現場安裝的工業化施工過程，有利于保證質量、提高效率。

（5）疏水性好：能夠在海水和淡水中保持性能穩定，有效抵抗油和各類物質的侵蝕，發生局部破損時，可以保證裝置的浮動性能。

3 抗撞性能分析

3.1 計算工況

在1 000噸級船舶以正向撞擊思林右江大橋的3#墩、2和4#墩時，墩頂、墩底抗船撞性能滿足要求，樁頂的抗彎性能不滿足要求。結合思林右江大橋所處航道等級（現狀Ⅲ級，規劃Ⅱ級），本設計采用1 000噸級駁船作為撞擊代表船型，驗算防撞設施抗撞性能，計算工況采用高水位船舶滿載正撞工況，如表1所示。

3.2 有限元模型的建立

為精確模擬碰撞中船艏結構的大變形、屈服以及內部構件自接觸等力學行為，船艏結構按實際建模，有限元網格劃分較為精細，以滿足計算精度的需要。同時，考慮到除船舶首部結構外的船體結構，對碰撞動能的吸收和耗散非常有限，為減少單元數量，提高計算的效率，對距船艏較遠的不直接參與碰撞的船體部分以剛體代替。通過采用專用軟件進行網格劃分和材料模型初步定義等，進行接觸及邊界條件定義，可建立船舶的精細有限元模型，其船首部分的有限元模型如圖2所示。

采用的1 000噸級（排水量1 210噸）輪船的有限元模型，船舶首部鋼板結構采用殼單元模擬，鋼材屈服強度為330 MPa，切線模量為2 MPa×105 MPa，割線模量為870 MPa，斷裂應變取為0.3。

防撞裝置有限元模型中面板采用殼單元模擬，內配置水平向與豎向的加勁肋，提高面板抗撞能力。耗能鋼管也采用殼單元模擬。考慮EPS填充泡沫的耗能能力較小，出于保守考慮在有限元模型中沒有考慮填充泡沫。鋼板采用Q235型號鋼材。有限元模型如圖3所示。

橋梁的橋墩與承臺采用實體單元模擬，主梁采用實體單元模擬，樁基礎采用彈性梁單元進行模擬，模型考慮土-基礎的相互作用，樁基和土層分別采用梁單元和彈簧單元模擬。具體如圖4所示。

3.3 材料參數及計算模型

耗能鋼管采用殼單元模擬。考慮EPS填充泡沫的耗能能力較小，出于保守考慮在有限元模型中沒有考慮EPS泡沫。材料模型參數方面，鋼板采用Q235型號鋼材，采用理想彈塑性應力-應變關系，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模擬，屈服強度取標準值為235 MPa，斷裂應變取0.2；橡膠塊采用不可壓縮Mooney-Rivlin模型。該本構模型僅能用于體單元中，可替換Blatz-Ko橡膠本構模型［6］。在該材料本構模型中，其應變能密度函數W由式（1）～（6）確定：

W（I1，I2，I3）=A（I1-3）+B（I2-3）+C1I23-1+D（I3-1）2（1）

C=0.5A+B（2）

D=A（5v-2）+B（11v-5）2（1-2v）（3）

G=2（A+B）（4）

E0=3G=6A1+AB（5）

I1=λ21+λ22+λ23；I2=λ21λ22+λ22λ23+λ21λ23；I3=λ21λ22λ23（6）

式中：A、B——Mooney-Rivlin模型參數（MPa）；

v——泊松比；

G——橡膠剪切模量（MPa）；

E0——彈性模型（MPa）；

I1、I2、I3——Cauchy-Green應變不變項；

λ1、λ2、λ3——軸向應變。

硬度是衡量材料軟硬程度的一個性能指標，可分為相對硬度和絕對硬度。絕對硬度一般在科學界使用，生產實踐中很少用到［7］。通常使用的硬度體系為相對硬度。橡膠材料的硬度用Hr（IRHD硬度，國際橡膠硬度單位）加以標定，Hr越小，橡膠材料硬度越小，橡膠材料越柔。橡膠硬度Hr與彈性模量E0的試驗數據擬合得到兩者之間的關系式：

E0=15.75+2.15Hr100-Hr（7）

可得：

6A1+AB=15.75+2.15Hr100-Hr（8）

由以上關系式可以得到硬度和剪切模量之間的關系。在計算模型中，采用Mooney-Rivlin模型作為橡膠材料本構模型，根據設計橡膠構件參數取值見表2。

3.4 計算結果分析

無防撞裝置和帶防撞裝置的碰撞響應時程曲線如圖5所示，包括撞擊力、墩底彎矩、墩底剪力、樁基彎矩以及樁基剪力計算結果。

據模擬結果可知，由于防撞裝置的存在，船舶與橋墩之間未發生直接的碰撞，主要表現如下：

（1）防撞裝置與橋墩接觸，進而使得結構產生碰撞響應。由圖5（a）可知，無防撞設施工況下，橋墩所受撞擊力在0.25 s左右達到峰值，設置防撞裝置后，碰撞力顯著降低，峰值降幅達到50%。

（2）由圖5（b）、5（c）可知，碰撞接觸力降低，使得墩底彎矩和剪力峰值響應都顯著降低，降低幅度約為43.5%～58.8%。

（3）由圖5（d）、5（e）可知，碰撞接觸力降低，使得樁基彎矩和剪力峰值響應都顯著降低，降低幅度約為44.5%～60.8%。

在設置防護裝置后在代表船型撞擊下，橋墩的抗撞性能滿足要求，具體結果如后頁表3所示。

4 結語

本文對思林右江大橋防船撞鋼浮箱的抗撞性能進行分析，得出以下結論：

（1）思林右江大橋現狀（Ⅲ級）及規劃（Ⅱ級）航道等級所對應通航代表船型橫橋向正撞思林右江大橋2#～4#墩時，橋墩抗力均不滿足抗撞性能要求，存在較大安全風險，需增設結構性防撞設施確保橋梁安全。

（2）通過建立有限元模型模擬可知，安裝防船撞鋼浮箱后，避免船舶與橋墩發生直接的碰撞，主要表現為防撞裝置與橋墩接觸，進而使得結構產生碰撞響應。設置防撞裝置后，碰撞力顯著降低，峰值降幅達到50%。

（3）由于防船撞鋼浮箱的存在，碰撞接觸力降低，使得結構峰值響應（墩底彎矩和剪力、樁基彎矩和剪力等）都顯著降低，降低幅度約為43.5%～52.8%，設置防護裝置后在代表船型撞擊下，橋墩的抗撞性能滿足要求。

［1］羅 利.某特大橋通航安全風險及抗撞性能研究［J］.上海公路，2023，168（1）：83-88，123，182.

［2］黃飛龍，黃科榜，林 云，等.南寧三岸邕江大橋通航安全風險及抗撞性能研究［J］.西部交通科技，2022，178（5）：116-120.

［3］李寧康.城市橋梁護欄防撞性能提升及改造方法研究［D］.重慶：重慶交通大學，2022.

［4］韓 峰.橋梁下部結構抗撞性能分析與防撞措施研究［D］.南京：東南大學，2019.

［5］徐 云，趙眈崴，關明芳.某橋梁通航安全風險及抗撞性能評估［J］.中國水運，2023，744（2）：15-16.

［6］馮佳佳，朱登遠，雷艷紅，等.清云高速肇云大橋抗撞性能分析［J］.山西建筑，2022，48（20）：11-14.

［7］潘 珂.淺談道路橋梁鋼護欄的防撞性能［J］.建材與裝飾，2018，547（38）：2-3.