南昌朝阳大桥设计船撞力研究

2018-08-18张晓松

城市道桥与防洪 2018年8期

张晓松

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200125）

0 引言

赣江航道南昌至湖口段曾于1992年、2002年分别进行了Ⅳ级、Ⅲ级航道整治，完工后航道达到Ⅲ级。经过后续疏浚，2013年底时航道等级达到Ⅱ-（3）级。市区内有多个港口和锚地，但对已有桥梁的影响并不是很大。随着社会的发展，江中大型货运船舶越来越多，其需求已超过航道设计标准。对于桥梁设计来说，若仍采用2010年以前制定的船撞力标准可能留下安全隐患，一旦建成的桥墩遭受船舶撞击其后果不堪设想。近十年来，大型桥梁由于船舶碰撞而发生倒塌的事故[1,2]带来了巨大的经济损失和不良的社会影响（2002年美国俄克拉荷马州阿肯色河一座高速公路跨河大桥因船舶撞击倒塌，2007年广东九江大桥由于船撞造成近200 m桥面垮塌等），因此在进行南昌市区跨赣江的新建桥梁设计时很有必要对目前航道中的船撞力标准进行研究，以充分掌握信息，力保桥梁建成后的运营安全。

2012年底开始建设的朝阳大桥[3,4]位于南昌市区，跨越赣江连接西湖区与红谷新区，主孔采用5×150 m，满足四个单向通航孔或两个双向通航孔的要求。桥墩形态见图1。下面将结合此桥的建设讨论南昌市区赣江航道设计船撞力计算方法等问题。

图1 朝阳大桥主墩构造示意

1 计算参数

1.1 代表船型

南昌市区赣江航道等级为II-（3）级，出入该水域船舶吨级为2 000 t，船型为船队，总长182 m，型宽16.2 m，吃水2.6 m。但根据现场的实际调研情况，桥址处在2013年有一定数量的3 000 T级的运沙船通航，考虑通航船舶时加入3 000 T级船舶的碰撞校验工况。

1.2 通航水位

根据朝阳大桥安全影响论证报告，拟建大桥桥址处设计最高通航水位（黄海高程）为22.85 m，最低通航水位为11.94 m。

1.3 船舶过桥速度及设计撞击速度

根据AASHTO规范，防撞力计算中的Vmin要大于桥位处的年平均流速，南昌现场实地调研，桥位处洪水期时取平均流速2.0 m/s，枯水期时平均流速为1.5 m/s。朝阳大桥桥轴线法线方向与水流方向最大交角为9°，横向流速约为0.31 m/s。船舶过桥通航速度为顺流4.11 m/s，逆流3.60 m/s。本文采用美国《公路桥梁船舶撞击设计指导规范和评述》建议的确定船舶设计撞击速度的方法，确定代表船型的最大撞击速度参数为：（1）下水时，3 000 T 级单船 VT=4.112 m/s，Vmin=2.0 m/s，V=4.05 m/s；2 000 T 级船队 VT=4.112 m/s，Vmin=2.0 m/s，V=4.08 m/s；（2）上水时，3000 T级单船 VT=3.598m/s，Vmin=2.0 m/s，V=3.55 m/s；2 000 T 级船队 VT=3.598 m/s，Vmin=2.0 m/s，V=3.58 m/s。

2 船撞力计算

本文采用四种方法分别计算：动力数值模拟法、有限元法、美国AASHTO规范设计方法及国内公路规范设计方法。

2.1 动力数值模拟法

动力数值模拟法是基于Gerard方法编制计算程序来估算船舶与桥墩撞击力的一种方法，目前广泛用于航空、汽车、海上结构工程中估算结构破坏载荷，主要思路为通过对采用不同加强形式的一系列板的力学试验得到的结果进行半经验形式的归纳，可得结构最大崩溃强度按式（1）计算，总的崩溃荷载按式（2）求解。该方法预报的板结构的最大崩溃载荷与实验结果比较的误差约为10%，会产生相对保守的结果，但在实际工程应用中是合适的，特别是对事故设计载荷的评估。

式中：σc为最大崩溃强度；σy为屈服应力；σ0为压缩应力；E为钢材弹性模量；A为横截面积；βg,m取决于截面和边界；n为所考虑的横截面切口和折边的数目；t为所考虑的横截面的平均厚度；PC为崩溃载荷。

计算程序中，桥墩是具有大的质量和刚度的静止的数值模型，船-桥碰撞力的估算主要通过碰撞区域钢结构损坏部分的力与变形的特性来计算。针对算例，桥梁刚度系数为103MN/m。图2给出了多级船舶的碰撞力计算结果，横坐标为船舶撞击速度，纵坐标为船撞力。

图2 动力数值模拟法计算结果汇总

2.2 有限元法

有限元法是一种高效能、常用的计算方法，用于求解偏微分方程边值问题的近似解。该方法通过变分使得误差函数达到最小值并产生稳定解。本文采用MSC.Dytran软件进行船-桥碰撞模拟，用显式非线性有限元法分析碰撞结构的各组成部分及其损伤过程，进而计算船舶撞击力。此方法仅计算3 000 t级船舶，所得结果用于与其它方法进行比较。

船型参数取值如下：DWT-3000T，单船总长101 m，型宽13.8 m，满载吃水5.0 m，排水量3 200 t，满载，船速4.04 m/s，中高水位，艏正碰。计算结果见图3、图4。图3横坐标为碰撞时间（s），纵坐标为碰撞力（N）。经过计算，最大撞击力为22.38 MN。

图3 船舶撞击力时间历程

图4 1.0 s时船艏碰撞变形及等效应力分布（单位：MPa）

2.3 AASHTO规范

采用《美国公路桥梁船舶撞击设计规范(AASHTO 2010)》计算船舶撞击力（见式（3），式中：Ps为轮船撞击力，MN；为船只载重吨位，t；V为船只撞击速度，m/s），其结果见表1。

表1 AASHTO规范公式计算船撞力

2.4 国内公路规范

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中第4.4.2条，船撞力标准值见表1。若考虑将船舶作为漂浮物，其撞击力计算方法见式（4）（W为漂流物重力，kN；V为水流速度，m/s；t为撞击时间，s；g 为重力加速度，m/s2），所得结果列于表2中。

表2 国内公路规范计算船撞力结果

3 结果比较分析

由动力数值模拟、有限元、AASHTO规范及国内公路规范四种方法计算的船舶撞击力见表3。

表3 四种船撞力计算方法所得结果汇总

基于上述结果进行了分析：（1）动力数值模拟方法则通过编制程序，模拟船首结构及防护结构的压溃变形，进而得出撞击力，在方法上较经验公式先进；（2）有限元方法模拟了整个船-桥碰撞的过程，通过定义接触模拟碰撞区域的接触、变形、破坏等过程，更接近碰撞的真实情况；（3）AASHTO规范公式简单方便，已经成为业内普遍使用的估算船舶撞击力的方法，但AASHTO规范公式为经验计算方法，其结果较真实有一定的误差；（4）国内公路规范方法计算撞击力时可将船舶被视为漂流物，撞击速度统一取值为水流速度，撞击时间取1 s，与实际情况不符，所得结果仅能作为参考；（5）动力模拟、有限元法及AASHTO方法的计算结果在同一量级，可从设计经验上判定3 000 T级船舶在船速为4 m/s时的碰撞力约22～26 MN左右；（6）动力模拟计算结果与有限元法较为接近，设计采用的船撞力标准至少可取为22.8 MN。

根据以上分析，南昌市区赣江航道中的桥墩防撞设计推荐采用动力模拟法或有限元法计算船撞力。

4 设计船撞力取值

基于动力数值模拟法，根据南昌市赣江航道实际情况（DWT3000,V=4.04 m/s），选择朝阳大桥桥位处进行了计算，得到图5中的结果。横坐标指桥位轴线处的江面位置距离赣江西侧大堤的距离（单位：100 m），赣江在此处总宽约1 600 m；纵坐标指设计船撞力F（单位：MN）。枯水期时在朝阳大桥轴线上距离赣江西侧大堤100 m与1 100 m位置部分河床露出，因而设计船撞力的量值下降较快。图5可为今后南昌市区跨赣江桥梁设计提供借鉴。

图5 南昌市区赣江江面设计船撞力分布

5 实际工程设计船撞力比较

实际工程中取用的船撞力通常高于按国内公路规范方法计算的结果，本文搜集了文献[2][5][6][7][8][9]并进行比较。部分桥梁的比较结果见图6，横坐标为桥梁序号，纵坐标为实际设计船撞力a与规范设计值b的比值a/b。经过分析发现，现有大型桥梁设计船撞力远超过国内规范设计值，这体现了社会发展需求与规范之间的矛盾，建议通过适时修编相关条文解决问题，保证桥梁结构安全运营。