万州长江公路大桥防撞装置结构稳定性及通航净空尺度

林 江,母德伟,余 葵,刘 洋,李 俊

(1.重庆交通大学西南水运工程科学研究所,重庆 400016;2.长江上游水文水资源勘测局,重庆 400014)

万州长江公路大桥防撞装置结构稳定性及通航净空尺度

林 江1,母德伟1,余 葵1,刘 洋1,李 俊2

(1.重庆交通大学西南水运工程科学研究所,重庆 400016;2.长江上游水文水资源勘测局,重庆 400014)

为了研究万州长江公路大桥防撞装置的通航适应性,分别采用有限元软件ABAQUS、物理模型试验等方法对该装置的结构稳定性及通航净空进行了分析。模型计算和试验结果表明,船舶撞击防撞带后,防撞带保持了较好的完整性,船舶也未出现擦刮大桥拱圈和自身翻覆现象,满足桥、船和防撞设施“三不坏”原则,防撞装置对大桥能进行有效地防撞保护。

防撞装置;结构稳定性;通航净空;万州长江公路大桥

万州长江公路大桥位于重庆市万州主城区上游7 km黄牛孔处,处于三峡水库常年回水区,是国家“两纵两横”主干线之一的318线上跨长江的一座特大型桥梁,1994年5月1日正式动工,1997年建成通车。该桥为主跨420 m的钢筋混凝土上承式拱桥,全长856.12m,总宽24m,净矢高84.0m,净矢跨比1/5,主拱圈高7 m,宽16 m,是同类桥梁中同期世界最大跨径的钢筋混凝土拱桥。

万州长江公路大桥为钢筋混凝土箱型拱桥,拱圈、立柱均采用矩形钢筋混凝土薄壁箱型结构,大桥自身顺水流方向抗撞能力较弱。三峡水库正常蓄水后,该桥位于三峡水库常年回水区,因拱脚高程较低(仅152.59m),随着三峡水库175m蓄水运行,大部分时间内大桥拱圈将被部分淹没,桥下通航尺度进一步缩小。由于三峡蓄水后库区运行船舶载质量不断增大,一旦船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱,将极易导致拱桥垮塌,引发极为严重的安全事故,为防止此类恶性事件的发生,万州长江公路大桥桥梁防撞装置的建设就显得尤为重要。万州长江公路大桥防撞设施采用弧形水上升降式防撞装置,本文通过结构分析、模型试验等方法,对该装置的通航适应性进行研究。

1 防撞装置结构及稳定性分析

历史上有大承台、人工岛等行之有效的防撞设施,对大桥起到了很好的保护作用;后来出现木栅、钢链和浮舟等设施,希望除了保护桥之外也保护船,但这些设施都比较易损坏。为了桥、船和防撞设施三者都不易损坏,就出现了会后退的外刚内柔的“三不坏”防撞装置[1]。

万州长江公路大桥防撞设施工程采用弧形水上升降式防撞装置,该装置是一种新型的桥梁防撞装置,其主要特点是独立于桥梁设置,对桥梁进行区域性防护,可随库区水位自适应升降,并满足“三不坏”防撞要求。

1.1 防撞装置结构

弧形水上升降式防撞装置主要由防撞带、浮筒与导向井三大部分组成[2],如图1所示。该装置防护范围为最高通航水位时,大桥通航净高不足18 m的拱圈以及淹没的拱座和立柱。设计防撞带弧形结构半径为106 m,跨径210 m,矢高为91.48 m,矢跨比1∶2.3,两岸防撞带沿桥轴线方向净距为310 m。

图1 弧形水上升降式防撞装置三维示意图

防撞带为该装置的主体部分,为弧形中空双层钢管结构,具备自浮能力,外层钢管直径4.0 m,浮出水面高度为2.0 m,可吸收和传递船舶碰撞力。当船舶斜撞时可适当拨开船头,使船舶改变航行方向,减轻船舶受损程度,吸收船舶碰撞力,防止船舶进入桥梁保护区;当船舶正撞时可防船舶翻爬,利用自身缓冲特性减轻船舶受损程度,避免船舶进入桥梁保护区。

浮筒为鼓形中空多舱室全钢结构,固定于防撞带端部,置于导向井内,具备自浮能力,随水位变化沿导向井内壁升降。浮筒可缓冲防撞带传递的船舶碰撞力,在整个防撞装置中起平面约束、纵向导向作用。

导向井为开口式中空混凝土柱结构,通过对浮筒的平面定位与竖向导向,使防撞带在导向井开口位置处随水位升降,并承担、吸收和传导防撞带经由浮筒传递至导向井的作用力。

1.2 结构稳定性分析

目前,解决船桥碰撞问题的研究成果有经典的Minorsky理论、汉斯-德鲁彻理论、各种简化解析方法、简化内部机理的数值解法、试验方法和有限元方法等[3-8],其中有限元法可反映的碰撞物理现象最为完备,得到的计算结果也最为准确[9-11]。由于本研究中船与防撞装置的碰撞问题涉及结构、材料以及船舶碰撞过程的非线性问题,因此模拟分析采用了以计算非线性问题见长的有限元软件ABAQUS[12]。

1.2.1 计算水流条件

根据三峡水库调度方案,水库汛期限制水位一般为145 m,但对于大于56700 m3/s的流量,按照三峡水库分级调度、补偿调节的方式,水库将开始蓄洪运用,保证沙市流量不超过56700 m3/s,在此情况下坝前水位将高于145 m。汛后水库坝前水位逐渐蓄至175 m。因此,为模拟实际使用时的最不利工况,计算水位为151.8 m(三峡坝前水位145 m时桥位水位),流量56700 m3/s。

1.2.2 计算荷载

计算荷载组合主要考虑永久荷载、可变荷载及偶然荷载,其中,永久荷载包括结构自重和浮力,可变荷载包括风荷载、流水压力及波浪作用,偶然荷载为设计代表船舶撞击荷载。本文考虑船舶撞击防撞带的典型部位主要有拱顶、距拱顶1/8弧长处、距拱顶1/4弧长处、距拱顶3/8弧长处4个位置,如图2所示。

图2 船舶撞击典型部位

1.2.3 计算模型与参数

万州长江公路大桥防撞设施共涉及2种混凝土材料和2种钢质材料,各材料基本参数见表1。

万州长江公路大桥防撞装置设计船型标准为5000 t级船舶,选用5 000 t级球鼻艏船舶作为计算代表船型,该船总长110m,型宽19.2m,吃水4.3 m。5000 t级球鼻艏船舶有限元模型如图3所示,单元总数58019,节点总数38 472。万州长江公路大桥防撞装置依据1.1节设计结构尺寸进行建模。

表1 材料基本参数

图3 5000 t级球鼻艏船舶有限元模型

1.2.4 计算结果

根据有限元模型计算结果,5 000 t级球鼻艏船撞击防撞带时,由于船舶撞击冲量较大,防撞带产生较大的塑性变形,最大变形位移为5.03m,防撞带通过结构变形,吸收了船舶的较大部分能量。防撞带所用Q345D钢的最大Mises应力为445MPa,未超出Q345D钢的抗拉强度,说明设计的防撞带在5 000 t级船舶撞击力作用下产生较为强烈的塑性变形,但未出现断裂现象,仍能对大桥进行有效保护,满足防撞装置自身结构稳定要求。表2和图4分别为5000 t级球鼻艏船舶下行撞击右岸防撞带计算结果和应力云图。

表2 5000 t级球鼻艏船舶下行撞击右岸防撞带计算结果

2 通航净空尺度

2.1 通航净高

万州长江公路大桥桥区河段航道等级为Ⅰ-(2),考虑三峡水库运行100 a泥沙淤积的基础上,桥位处最高通航水位(20年一遇洪水)为174.22 m。根据GB50139—2004《内河通航标准》,Ⅰ-(2)级航道水上过河建筑物需满足通航净高18 m、侧高7 m的要求。由于防撞带为浮式结构,且船体外形为上宽下窄的光滑流线型,船首还具有上倾下凹的结构特点,失控船舶有部分船体进入防撞带防护范围内的风险,因此GB50139—2004《内河通航标准》对侧高的规定在这种情况下并不适用。

图5为万州长江公路大桥防撞方案立面布置,可以看出,最高通航水位174.22 m时,桥下通航净高大于18.42 m,满足GB 50139—2004《内河通航标准》Ⅰ-(2)级航道通航净高18 m的要求。

图4 5000 t级球鼻艏船舶下行撞击右岸防撞带应力云图

图5 防撞方案立面布置(单位:m)

2.2 通航净宽

万州长江公路大桥位于水库常年回水区,枯水期坝前水位蓄至175 m时,工程河段通航水流条件好,但桥下通航净空尺度最小;汛期坝前水位降至防洪限制水位145 m时,工程河段通航水流条件相对较差,对通航净宽的需求最大。表3为上述两种情况下桥下通航净宽需求,计算公式参见GB 50139—2004《内河通航标准》附录C。

表3 不同船舶及船队组合情况下通航净宽分析

万州长江公路大桥防撞工程建成后,各级水位条件下两岸防撞带沿桥轴线方向净距为310 m,由表3可知可满足5 000 t级单船双向通航、5 000 t级单船与大型船队的交会及大型船队单向通航净宽要求。为确保桥区河段船舶航行安全及大桥自身安全,应禁止大型船舶在大桥水域交会。

2.3 自航船模与防撞设施碰撞试验

为了进一步研究船舶与防撞带撞击后,万州长江公路大桥通航净空尺度方案是否合理,以及防撞设施运行的稳定性和可靠性等因素,采用自航船模和整体水工模型相结合的方式(模型比尺为1∶100)研究不同通航水流条件下,不同船型撞击防撞带的典型部位时,防撞带的防撞效果和船舶的状态。

根据模型试验结果,当枯水期三峡水库坝前水位175m,遇同期百年一遇洪水(流量28400m3/s,桥位水位174.22 m)时,5000 t级单船可安全通过防撞带拱顶附近水域而不至于擦刮大桥拱圈,即使遇到轻载或空载情况也可采取临时倒桅等措施避免船舶上层建筑擦刮大桥拱圈,如图6所示。

图6 5000 t级单船撞击拱顶

在流量28400m3/s、桥位水位174.22m(最高通航水位)和流量56700 m3/s、桥位水位151.80 m(通航水流条件最差)两种典型工况下,船舶撞击防撞带后航行情况如表4所示。从表4可以看出,各种工况下船舶均未出现擦刮大桥拱圈和自身翻覆现象,仅在1000 t级自航货船分别碰撞防撞带距拱顶1/4和3/8弧长处时,船舶会略为斜向上爬或径向上爬至防撞带上部4～12 m(船身长度),但均不会出现翻覆或是接触大桥拱圈的情况,不会危及大桥安全,且防撞带也保持了较好的完整性,满足自身结构稳定要求。

表4 船舶撞击防撞带后船舶运行状态统计

3 结 论

a.万州长江公路大桥为钢筋混凝土箱型拱桥,处于三峡水库常年回水区,随着三峡水库坝前蓄水位的抬高,桥下通航尺度不断缩小,为防止失事船舶撞击拱圈引发严重的安全事故,万州长江公路大桥桥梁防撞装置的建设极为重要。

b.万州长江公路大桥防撞设施工程采用弧形水上升降式防撞装置,可随库区水位自适应升降,有限元软件ABAQUS计算结果表明,设计5000 t级船舶撞击防撞带后,仍保持了防撞带较好的完整性,满足防撞装置自身结构稳定要求。

c.万州长江公路大桥防撞装置建成后,满足GB 50139—2004《内河通航标准》Ⅰ-(2)级航道通航净高18m的要求,以及5000t级单船与大型船队的交会要求。自航船模和整体水工模型相结合的试验也表明船舶撞击防撞带后,船舶均不会出现擦刮大桥拱圈和自身翻覆现象,满足“三不坏”防撞要求。

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Structural stability and navigable clearance of anti-collision device of Wanzhou Yangtze River Highway Bridge//

LIN Jiang1,MU Dewei1,YU Kui1,LIU Yang1,LI Jun2(1.Southwest Hydraulic Engineering and Science Research Institute for Waterways,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016,China;2.Upper Yangtze River Survey Bureau of Hydrology and Water Resources,Chongqing 400014,China)

In order to study its navigation adaptability,the structural stability and navigation clearance of an anti-collision device of the Wanzhou Yangtze River Highway Bridge were analyzed by means of the finite element software ABAQUS and a physical model.The calculated and experimental results show that the anti-collision belt maintains the structural integrity after being hit by a ship,and the ship can pass through the bridge safely without rubbing the bridge arch.Thus,the anticollision device of the Wanzhou Yangtze River Highway Bridge can meet the security requirements of the ship and the bridge,as well as its own,and it can provide effective protection for the reservoir bridges.

anti-collision device;structural stability;navigable clearance;Wanzhou Yangtze River Highway Bridge

10.3880/j.issn.10067647.2013.02.013

U447

A

10067647(2013)02005904

2012-06-07 编辑:熊水斌)

林江(1983—),女,四川南充人,助理研究员,硕士,主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:jianglin0508@126.com