烏江某斜拉橋抗撞性能驗算及應(yīng)對措施

摘要 近年來，船舶撞擊橋梁事故頻發(fā)，橋梁抗撞性能在設(shè)計階段考慮甚少，為保證航運安全，文章針對20年以上橋齡的航道橋，對其抗撞安全性能進行評估。首先運用MidasCivil有限元軟件建立了計算模型；然后根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合通航情況，對烏江某斜拉橋主橋橋墩進行了抗撞性能驗算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)交界墩在預(yù)定的1000t船舶撞擊力作用下的強度不滿足規(guī)范要求；最后根據(jù)驗算結(jié)果提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施，建議設(shè)置防撞鋼套箱等措施保障橋梁運營安全。

關(guān)鍵詞 船舶撞擊力；抗撞性能；抗撞措施；安全評價；抗撞性驗算

中圖分類號 U443.2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0069-03

0 引言

近年來，我國橋梁建設(shè)迅猛發(fā)展，橋梁數(shù)量、里程數(shù)增長迅速。隨著改革開放的不斷深入，經(jīng)濟大發(fā)展下的航運事業(yè)日益發(fā)達，通航船舶噸位等級明顯增加，船舶撞擊航道橋梁的風(fēng)險逐步提高。據(jù)了解，船撞橋事故頻繁發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國黑龍江、長江、珠江三大水系干流上發(fā)生的船撞事故已達300余起[1-2]。事故的發(fā)生給橋梁安全帶來嚴(yán)重威脅，并造成巨大經(jīng)濟損失。因此，開展通航橋梁的抗船撞性能評估，并采取相應(yīng)預(yù)防措施，保障橋梁運營及船舶通航安全十分必要[3]。

2002年陳國虞等[4]經(jīng)過大量的縮小比例的模型試驗以及仿真模擬，首次提出了柔性消能防撞裝置，該裝置可利用黏滯性高性能防撞元件實現(xiàn)動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，不僅能夠保護橋梁及船舶，而且防撞裝置還能夠重復(fù)使用；劉建成和胡志強等[5-6]通過對船撞橋過程中的構(gòu)件損傷進行研究，總結(jié)了橋梁及防撞設(shè)施構(gòu)件的損傷模式及其吸收能量的能力；2014年劉偉慶等[7]通過對潤揚長江公路大橋進行船撞模擬分析，設(shè)計了復(fù)合材料防撞系統(tǒng)，該設(shè)施變形能力大、緩沖吸能效果好，可以同時減輕橋墩與船舶的損傷。該文以烏江某懸索橋為研究對象，采用MidasCivil軟件計算橋墩抗撞承載力，從橋墩抗撞及變形能力驗算結(jié)構(gòu)的抗撞性能，并提出相應(yīng)的防撞措施。

1 工程概況

烏江某橋主橋為155 m+155 m獨塔雙索面斜拉橋，引橋為3×40 m現(xiàn)澆箱梁，橋梁全長432.31 m。橋梁于2009年8月27日正式開工建設(shè)，2012年底建成通車。規(guī)劃航道等級為Ⅲ級，通航代表船型為1 000 t級貨船。

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-02—2020）規(guī)定，該橋?qū)偃壒飞系奶卮髽颍淇棺仓匾缘燃墳镃2。該橋采用兩水準(zhǔn)船撞作用設(shè)計。船撞作用設(shè)防水準(zhǔn)L1下的設(shè)防目標(biāo)為P1，在設(shè)防水準(zhǔn)L2下的設(shè)防目標(biāo)為P2；該橋橋梁構(gòu)件（包括柱式構(gòu)件、支座及樁基礎(chǔ)）在設(shè)防目標(biāo)P1下的構(gòu)件性能等級為JX1，在設(shè)防目標(biāo)P2下的構(gòu)件性能等級為JX2；該橋抗撞性驗算對象為涉水橋墩3號交界墩及樁基礎(chǔ)、涉水4號主塔下塔柱及樁基礎(chǔ)、交界墩支座、5號橋臺支座。

主橋主梁為雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用C55混凝土。箱梁為雙向（縱向及橫向）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土。斜拉索采用無黏結(jié)鋼絞線斜拉索，索體由多股無黏結(jié)高強度低松弛的鍍鋅鋼絞線組成，全橋共有15-31、15-37、15-43、15-55四種規(guī)格的斜拉索，標(biāo)準(zhǔn)索距為8 m，最長索166.7 m，外層為HDPE護套。下塔柱采用實心矩形斷面，下塔柱斷面尺寸由5.0 m（順橋向）×3.108 m（橫橋向）向下漸變至5.0 m（順橋向）×5.4 m（橫橋向）。索塔（含索塔上塔柱、中塔柱、下塔柱及橫梁）采用C50混凝土。索塔基礎(chǔ)采用C30混凝土，由直徑2.5 m×12的鉆孔群樁、22.5 m×14.5 m×5.0 m的承臺、塔座組成。3號墩（即交界墩）采用門型框架結(jié)構(gòu)，墩頂設(shè)蓋梁。墩身采用雙柱式矩形截面實心墩，截面尺寸為3 m×3 m。引橋橋墩、交界墩墩身及支座墊石均采用C40混凝土。5號橋臺采用重力式混凝土橋臺。橋臺及搭板均采用C30混凝土。引橋及主橋橋墩均采用承臺樁基礎(chǔ)。主、引橋承臺、塔座及擴大基礎(chǔ)均采用C30混凝土。樁基礎(chǔ)采用直徑為2.5 m的C30水下鋼筋混凝土樁。普通鋼筋采用R235鋼筋（公稱直徑＜12 mm）、HRB335（32 mm≥公稱直徑≥12 mm）和HRB400（公稱直徑32 mm）。

2 抗撞性能驗算

2.1 有限元驗算準(zhǔn)則

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，抗船撞性能驗算需要滿足如下公式：

式中，——橋梁構(gòu)件的抗船撞性能；——橋梁構(gòu)件在考慮船撞作用的偶然組合下作用效應(yīng)設(shè)計值；——橋梁結(jié)構(gòu)永久作用標(biāo)準(zhǔn)值；——設(shè)防船撞力；——水流、波浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值；——汽車荷載準(zhǔn)永久值。

荷載取值如下：

（1）永久荷載包括橋梁混凝土結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載。自重選取26 kN/m3。二期恒載包括橋面鋪裝、人行道系、檢修系統(tǒng)等。預(yù)應(yīng)力荷載包括引橋箱梁、主橋主梁預(yù)應(yīng)力荷載值。

（2）設(shè)防船撞力：烏江某橋設(shè)防代表船型選用1 000 t級貨船，尺寸為63 m（船長）×11 m（船寬）×2.3 m（吃水）。各工況下設(shè)防船撞力的計算結(jié)果如表1所示：

設(shè)防船撞力作用點選取水面以上2.0 m處。

（3）流水壓力的最高通航水位及最低通航水位作用于橋墩上的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，如表2所示：

該橋抗船撞性能采用偶然組合，取1.0×恒載＋0.4×汽車荷載＋1.0×船舶撞擊作用。

2.2 抗船撞驗算方法

《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》要求墩柱軸壓比小于0.5、墩柱剪跨比大于1.5，此時可采用規(guī)范中墩柱抗船撞性能等級判斷方法——理想彈塑性彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系描述（M?θ曲線）。

經(jīng)過計算，交界墩的最大軸壓比位于墩底位置，為0.22；主塔的最大軸壓比位于中塔柱位置，為0.95，均滿足軸壓比小于0.5的要求。僅計算高水位船舶橫向撞擊交界墩、主塔的工況。交界墩的最小剪跨比位于墩底以上6 m左右，為0.08；主塔的最小剪跨比位于塔底以上16 m左右，為0.14，均不滿足墩柱剪跨比大于1.5的要求。因此，不可采用《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》墩柱抗船撞性能等級的判斷方法。然而，結(jié)合抗船撞性能等級判定方法中不同等級對應(yīng)的構(gòu)件所處的力學(xué)階段，參照《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）相關(guān)規(guī)定，進行交界墩及主塔的抗撞性能驗算，可知構(gòu)件均屬于偏心受壓構(gòu)件。因此，分別進行構(gòu)件的正截面抗壓驗算及斜截面抗剪驗算，并判定墩柱的抗船撞性能等級。

2.3 主塔、交界墩抗撞性驗算

2.3.1 正截面抗壓性能驗算

根據(jù)Midas Civil計算構(gòu)件在不同工況下的軸力及承載能力值，具體結(jié)果見表3所示：

2.3.2 斜截面抗剪性能驗算

根據(jù)Midas Civil計算構(gòu)件在不同工況下的軸力及承載能力值，具體結(jié)果見表4所示。

主塔下塔柱在低水位—橫橋向撞擊作用下，下塔柱頂部最不利，最小安全系數(shù)1.63gt;1.0，正截面抗壓滿足要求。主塔下塔柱“構(gòu)造驗算”均滿足規(guī)范要求，可不進行構(gòu)件斜截面的抗剪承載力驗算，斜截面抗剪滿足要求。主塔截面或材料未達屈服狀態(tài)，仍處于線彈性階段。在船撞作用下，主塔抗船撞性能等級為JX1。同理可得，主塔樁基礎(chǔ)抗撞性能等級也為JX1。交界墩立柱正截面抗壓與樁基礎(chǔ)斜截面抗剪驗算的安全系數(shù)小于1，抗撞性能不能滿足要求。

2.4 支座性能等級判定

主橋上部結(jié)構(gòu)與主塔固結(jié)，在交界墩、橋臺處均采用QZ7000SX±150球形鋼支座；引橋上部結(jié)構(gòu)在1號墩及2號墩處采用墩梁固結(jié)，在橋臺及交界墩處均采用QZ8000SX±150球形鋼支座。

由Midas Civil計算主橋、引橋支座位移及反力，其計算結(jié)果匯總見表5所示。

由計算結(jié)果可知，主橋、引橋支座橫橋向位移及順橋向位移均滿足，最大支座反力均滿足，即支座性能等級為JX1。

2.5 抗船撞性能等級判定

烏江某橋各構(gòu)件性能等級的判定結(jié)論匯總，如表6所示：

綜上，烏江某橋主塔及主塔樁基礎(chǔ)均滿足規(guī)范要求的抗撞性能；支座滿足規(guī)范要求的抗撞性能；而交界墩立柱及交界墩樁基礎(chǔ)均不滿足規(guī)范要求的抗撞性能。

3 抗撞應(yīng)對措施

（1）交界墩及樁基礎(chǔ)抗撞性能不滿足規(guī)范要求，應(yīng)增設(shè)結(jié)構(gòu)性防撞設(shè)施，提升抗船撞性能，而結(jié)構(gòu)性防撞設(shè)施應(yīng)首先滿足抗撞性能需求。另外，交界墩緊鄰河堤，水位較低，為防撞設(shè)施的安裝創(chuàng)造了便利條件。鑒于此，交界墩防撞設(shè)施建議增設(shè)附著式防撞鋼套箱。

（2）主塔及樁基礎(chǔ)抗撞性能雖滿足規(guī)范要求，但根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：本體已具有整體抗撞能力的橋梁，可采用局部防船撞設(shè)施對可能撞損的部位進行局部防護。考慮其局部防撞設(shè)施的選擇應(yīng)突出經(jīng)濟性因素。另外，主塔位于河道中央，水位較高，防撞設(shè)施的選擇應(yīng)充分考慮施工便利性的因素。綜合以上情況，建議在主塔承臺增設(shè)附著式橡膠護舷，塔柱增設(shè)漂浮型橡膠護舷。

4 結(jié)語

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》定義下的船舶撞擊力，經(jīng)驗算，該橋在1 000 t船舶撞擊力作用下，橋梁主塔立柱及樁基礎(chǔ)均滿足抗船撞性能要求，而交界墩立柱及樁基礎(chǔ)的抗撞性能均不滿足要求。

根據(jù)驗算結(jié)果，該文提出了防撞措施的建議。主塔采用的防撞設(shè)施為橡膠護舷，而交界墩采取增設(shè)附著式防撞鋼套箱的防撞措施加以保護。

參考文獻

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