重庆菜园坝大桥防船撞研究

　

(重庆交通大学　重庆　400074)

引言

桥梁的船撞风险及撞后损伤破坏，都将随着桥区航道通航标准的提高及实际通航船舶尤其是大吨级船舶通航量的增加而大幅增加。因此研究船撞力的精准计算分析在桥梁防撞工程方面具有重大意义。目前，国内外常用的碰撞计算方法有简化解析法、试验法、有限元分析方法，前两种方法在结果精确性和实际应用上存在着不足，而近几年有限元分析方法成为目前船桥碰撞问题分析的重要手段，在船桥碰撞的有限元仿真计算中：可以计算碰撞过程中每一个时间歩的结构内力和变形，应力和应变；最后可以得到船舶撞击力等各种力学指标的时程曲线图。本文将通过LS-DYNA软件对船撞桥梁进行数值仿真分析，由计算得到的峰值船撞力研究确定各墩的设计船撞力，为该桥防撞标准确定及防撞设施设计提供技术依据。

一、工程概况

重庆菜园坝长江大桥，为双层特大公轨两用桥，桥长1651米，桥宽30.5m，桥高114主桥为刚构与提篮式钢箱系杆拱和桁梁组合结构。系杆拱主跨为420m，对称布跨的边跨和侧跨分别为102m及88m，主桥总长800m。船舶撞击力按国家I级航道进行设计。鉴于桥区河段近5年的船舶年均通航量增长迅速，桥区河段执行通行5000吨级单船及9×3000吨级船队的通航标准。

二、桥梁船撞力计算

(一)现有的常见船撞力计算方法

目前国际上较为流行的船撞力简化计算方法主要有：AASHTO规范[1]公式、欧洲规范公式、我国《铁路桥涵设计基本规范》公式、《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》公式等，下面为常用的几种方法:(1)AASHTO规范：AASHTO提出船舷正撞时的设计船舶撞击力按下式计算：F=0.98(DWT)1/2(v/8);(2)欧洲规范：规范中规定，在桥梁的船撞设计中，应选用某种统计意义下的代表船舶，并按照下式计算船舶的撞击力：F=V(KM)1/2;(3)《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》：指南中所提公式综合考虑了船舶航行速度，撞击角度，桥墩形状以及撞击部位等影响因素。轮船与桥墩的正撞力可按下公式计算：F=αk·η·ξ·(DWT)βk·V。

(二)船撞力数值仿真分析计算

1.仿真分析计算原理

船舶对桥梁的碰撞分析采用动力数值模拟法[2]进行计算，碰撞计算分析软件采用基于显式算法的LS-DYNA。

2.船桥碰撞分析模型参数取值

本次仿真计算中，全桥采用三维实体单元，船舶采用二维壳单元。为了缩短计算时间，桥墩、船舶受直接碰撞部位单元划分尺寸3-5cm，混凝土部分采用材料为线弹性材料，混凝土密度R=2500kg/m3，弹性模量E=3e10Pa，泊松比pr=0.17。钢材部分采用塑性随动模型，密度R=7800kg/m3，弹性模量E=2.1e11Pa，泊松比pr=0.3，屈服应力2.35e8；船舶材料采用此塑性随动模型，密度R=7800kg/m3，弹性模量E=2.1e11Pa，泊松比pr=0.3，屈服应力2.35e8。

3.动力仿真模拟计算结果

通过桥梁抗力和年倒塌频率分析，本次撞击船舶的计算吨位为8000吨。撞击速度为5.47m/s，撞击角度为与桥梁法向成0°角。撞击过程中出现了动能、内能、滑动能等之间的能量相互转化，但总能量趋于不变，沙漏能得到了很好的控制。船舶撞击力最大值为48.2MN。

三、桥墩抗力与设计船撞力的对比分析

影响船舶撞击力大小的主要因素[3]有：船舶的吨位、撞击角度以及船舶速度等，桥墩的形状、强度以及截面尺寸等。通过采用不同的方法对重庆菜园坝大桥的船撞力进行探索性的研究发现，采用仿真模拟分析方法得到的船撞力相对于AASHTO规范和设计指南方法相近。但仿真模拟方法能够较真实的模拟出船桥碰撞的过程，得到能量、力以及位移的时程曲线。因此我们以数值仿真模拟得到的峰值船撞力作为桥墩的设计船撞力，桥墩的抗力与设防船撞力对比见下表。

表1　桥墩的抗力与设防船撞力对比表

四、菜园坝长江大桥防撞设计标准及方案

根据对大桥的船撞力及风险分析[4]，防撞设计代表船型为8000DWT，设防船撞力为48.2MN。综合考虑菜园坝长江大桥的地质、水位、通航船舶、航道、施工难易等因素，大桥的2#主墩防撞方案主要考虑以下3种：

1.拦截索防撞方案：该方案类似于绳索的防护方式，为适应桥区水位落差大、防撞设计船舶吨位大的特点，可在枯水期河滩裸露时施工锚碇系统，承台高程控制在河滩面高程左右，水面防撞浮筒可采用复合材料制作，并通过系缆固定在承台或锚碇上，浮筒间采用钢缆连接并通过锚固装置固定。发生船撞作用时，浮筒通过浮于水面的钢缆挂住船舶，系缆下的锚碇拖住船舶，从而消耗其撞击能量，将危险船舶拦截在桥梁的安全范围之外，达到保护桥梁的目的。

2.薄壁围堰防撞方案：该方案主要将墩柱分别用围堰包围，围堰与桥墩墩柱不接触，主要分为上下两个部分：上部为钢围堰，起主要防撞作用，钢围堰内部用钢材支撑；下部为混凝土围堰，主要起支撑和防撞作用。一旦发生船撞作用，钢围堰吸收大部分能量，并阻止船撞向桥墩，达到保护桥墩目的。

3.结构自身加强防撞方案：因为桥墩高达50m以上，桥墩墩柱间距为35m,无横向联系，所以抗撞击能力较弱，因而考虑在桥墩墩柱间设置一个桥墩，并增加2排横梁连接3个桥墩，以加强横向联系及抗撞击能力。

五、结论

根据规范和数值仿真模拟的船撞力计算结果，发现2#主墩抗力不足以抵抗设计船撞力，且与设防船撞力标准对比，桥墩自身抗力差15%以上，为了保障大桥和船舶航行的安全，在根据防撞方案布设防撞设施的同时，还可按照分道行驶的方式航行，并严禁在桥孔附近会船、并航或超越。为了引导船舶安全地通过桥区水域，可以在桥孔迎船一侧，按照相关规范要求设置浮标标志等。