朱亭湘江大桥桥墩防撞方案研究

龙海滨，刘汉彪

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410008）

1 项目概况

朱亭湘江大桥建成于2000年是潭耒高速跨湘江的特大桥梁［1］，全长832 m，主桥上部为60 m＋3×90 m＋60 m预应力混凝土悬浇箱梁，下部为双柱墩配桩基础。设计通航等级为Ⅲ级，通航船舶吨级为1 000 t，通航孔桥墩为16＃—18＃桥墩，如图1所示。

2015年经交通部批准，湘江二级航道二期工程 （衡阳—株洲）项目河段航道等级提高到Ⅱ（3），通航船舶吨级提高到2 000 t，故需对朱亭湘江大桥通航孔桥墩按2 000 t级标准进行防撞方案研究，并采取必要的桥墩保护措施，以加强桥梁通航孔桥墩的安全度，并确保船舶通航安全。

图1 朱亭湘江得大桥桥型总体布置图 （主通航孔）Figure 1 General layout of Zhuting Xiangjiang bridge（Main navigable spans）

2 撞击力和抗力

2.1 撞击力

轮船撞击桥梁是一个动态过程［2-7］，科学的确定船舶动态撞击力是防撞研究的关键。为此本文根据国内外5个常用规范公式以及有限元碰撞动力学仿真模拟分析，2 000 t船舶撞击桥墩的正撞力见表1。

表1 2000t船舶撞击力Table 1 Collision force of the 2000 tons ship on the piers

图2 正撞有限元模型Figure 2 FEM model of frontal collision

图3 正撞碰撞力曲线Figure 3 Frontal collision force curve

综合考虑经验公式、有限元仿真计算结果，并参考同类桥梁船撞力研究经验［8］，湘江二期2 000 t桥梁通航孔桥墩船舶撞击力取有限元仿真分析结果，即横桥向船舶撞击力取17 MN，顺桥向船舶撞击力取8.5 MN。

2.2 抗力

通过计算桥墩的水平抗力，然后与船桥撞击力进行比较分析，验算桥墩是否需要进行防撞设计。为此建立朱亭湘江大桥有限元模型，通过验算最不利截面，求出桥墩的最大水平抗力，见图4。

图4 朱亭湘江大桥桥墩有限元离散模型Figure 4 FEM model of the Zhuting Xiangjiang river bridge′s pier

表2 通航孔桥墩防撞验算结果Table 2 Collision resistance of the pier

3 防护方案研究

桥墩防撞研究需同时考虑桥墩自身抗撞能力、桥墩几何外形、水流速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行［9-10］。既要对碰撞的船舶能量进行消能缓冲，使船舶不能直接撞击桥墩，或使船舶碰撞力控制在安全范围内，同时也要保证船舶的安全。

考虑到独柱墩＋钢浮箱防船撞装置造价高且后期养护难度大以及三柱墩＋全复合材料浮防撞设施消能效果一般且使用年限有限。为此本文针对朱亭湘江大桥桥墩抗力弱的特点，创新性地提出了四柱墩＋钢复合材料浮式圆形防撞方案，见图5。

图5 防撞设施总体布置图Figure 5 General layout of the collision avoidance system

3.1 朱亭湘江大桥防撞方案

“四柱墩＋钢复合材料浮式圆形防撞方案”由两层防撞体系组成，是独立防撞与附着浮式防撞相结合的组合防撞体系，具有十分良好的防撞效果。

钢复合材料为通过特殊工艺在钢板外面包裹3 mm厚复合材料，该材料不仅具有钢材的高吸能、高撞击能力，同时还具有复合材料耐腐蚀的能力。

第一层防撞体系：四柱墩独立防撞体系。首先在桥墩承台上下游10 m位置设立4根直径150 cm的钢管桩组成，矩形布置，桩中心距3.2 m，群桩钢管系梁为φ80 cm钢管，每5 m设置一道，共设置4道。组成一独立群桩，独立群桩不与桥墩连接；再将浮式圆截面防撞设施置于群桩外围。

第二层防撞体系：钢复合材料浮式圆形防撞方案。在上下游侧，桥墩首部、侧部安设∏型钢结构，各个∏型钢结构单独吊装安设在桥墩上，使得桥墩形成一个圆截面形式，与承台外形截面保持一致。再将浮式防撞设施置于整个∏型钢架外围，该浮式防撞设施由首尾部圆形防撞、侧部防撞设施组成，见图6。

图6 四柱墩＋钢质-PPZC复合材料浮式圆形防撞方案效果图Figure 6 The rendering of the four-pillar pier＋steel composite material floating circular collision avoidance system

3.2 防撞机理

第一层防撞体系：当船舶从正向撞击桥墩时，圆形防撞设施发生转动，从而拨动船头撞击方向，带着一定的动能滑离防撞设施，这将大大减少船舶与装置间的撞击能量交换，而且降低了船舶撞击 力，有效地保护桥梁和船舶的船撞安全，见图7。

有些雇员的家庭有权享有协和医学院提供的保险金，当此类雇员死后，社会工作者将对他们的家庭现状进行调查，并且需要向审计员(Comptroller）提交一份带有建议的调查报告。保险金的理赔和支付由社会服务部管理。

图7 船舶撞击第一层防护体系Figure 7 Ship collision on the first layer

第二层防撞体系：当失控船舶侧向以一定角度撞击第二层防撞体系时，由于首部浮式圆截面柔性防撞装置自身可发生转动或侧撞船舶沿着切线方向带着速度离开防撞设施，减少船舶与防撞设施之间的能量交换，有效地保护桥梁和船舶的船撞安全，见图8、图9。

图8 船舶撞击第二层防护体系首部Figure 8 Ship collision on the head of the second layer

图9 船舶撞击第二层防护体系侧部Figure 9 Ship collision on the side of the second layer

3.3 方案特点

a.设置独立群桩 （四柱墩）与浮式圆形截面防撞体系，避免了撞击力直接传到桥墩，而且彻底避免了船舶正向撞击独立防撞体系后，二次撞击桥墩的可能 （因为船舶撞击后沿圆截面防撞设施切向滑离防撞体系）。

b.防撞设施由若干个独立的分段连接而成，可实现模块化、标准化设计和生产，分段之间采用插销快速连接方式，降低了施工、安装和维修的难度。

c.防撞设施的外表面为钢-复合增强材料，结构耐腐蚀，强度高，使用寿命长，日常情况下是免维护的；如果发生小的碰撞或损伤，可在现场直接进行修补；如果发生大的碰撞或损伤，则可对受撞击的箱体分段进行维修或更换。

3.4 有限元分析

a.有限元模型模拟。

本研究采用LS-DYNA显式动力学分析软件，通过建立撞击船舶、防撞设施有限元模型，利用非线性有限元瞬态碰撞动力学方法，模拟碰撞过程中的结构的接触、变形、屈曲和破损，同时考虑材料应变率敏感性，以及碰撞过程中水对船舶和防撞设施的碰撞影响。

防撞装置主要由骨材和板材组成，骨材选用梁单元BEAM161模拟，选用2x2高斯积分规则，板材选用薄板单元SHELL163模拟，选择Belytschko算法。橡胶护弦采用等效的弹性梁来模拟。

船舶船首结构按照实际船舶构件尺寸进行布置，其中船艏外板、各层甲板、船体中部的横舱壁、肋板等重要抵抗变形和吸收能量的结构，使用板单元来模拟。纵向以及横向的加强材等使用梁单元模拟。船舶船体中后部因远离碰撞区而仅仅会在刚度以及质量方面产生影响，因此在模型中对船体中后部做了相应的简化处理，采用二维模型。全船质量分布与船身及船首的各单元上，中心位于中纵剖面上。模拟船体的各几何特性与实船一致。船首碰撞区材料考虑了船体材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响。另外采用一个总附连水质量系数0.04的附加质量模型来计入周围流体对船舶的动力影响。

船舶防撞装置有限元分析模型，共划分了10 328个节点，10 136个单元。

b.边界条件。

防撞装置边界约束条件：垂向UZ＝0，水平方向UX＝0，UY＝0（部分）。

防撞装置、船体自身构件之间的接触定义为单面接触，船首与防撞装置发生碰撞的地方采用面面接触。接触算法采用对称罚函数法。考虑到摩擦能量的损失并不大，本文的计算对摩擦计算采取简化处理，设静动摩擦系数均等于0.05，且不随压力变化。

c.计算参数。

主要通航参数及防撞设施主要尺寸如表3、表4所示。

表3 主要通航参数Table 3 Main data of the navigable riverway

表4 防撞设施的主要尺寸Table 4 Main size of the Collision avoidance system

3.5 结构计算

LS-DYNA可以较好地处理船桥碰撞问题，能够得到较精确的计算结果。本文主要有以下3种撞击工况，见图10～图15。

a.采取船舶满载顺水航行时，沿水流方向成0°正撞第1层防撞体系。

b.采取船舶满载顺水航行时，沿水流方向成30°侧撞第1层防撞体系。

图10 正撞第一层体系有限元模型Figure 10 FEM model of the frontal collision on the first layer

图11 正撞第一层体系碰撞仿真Figure 11 Simulation analysis of the frontal collision on the first layer

图12 侧撞第一层体系首部有限元模型Figure 12 FEM model of the lateral collision on the head of the first layer

图13 侧撞第一层体系首部碰撞仿真Figure 13 Simulation analysis of the lateral collision on the head of first layer

图14 侧撞第二层体系侧部有限元模型Figure 14 FEM model of the lateral collision on the side of the second layer

图15 侧撞第二层体系侧部碰撞仿真Figure 15 Simulation analysis of the lateral collision on the side of second layer

c.采取船舶满载顺水航行时，沿水流方向成30°侧撞第2层防撞体系侧部。

有限元船撞仿真分析船舶最大碰撞力结果如表3所示。

由表3可知，朱亭湘江大桥采用四柱墩＋钢复合材料浮式圆形防撞方案的受力满足设计要求，具有很好的防撞效果。

表3 有限元船撞仿真分析船舶最大碰撞力Table 3 Results of the maximum collision force by simulation analysis

4 总结

针对朱亭湘江大桥航道等级提升导致桥墩出现防撞能力不足的问题，创造性地提出了具有受力可靠、防撞机理明确、施工便捷等特点的独立四柱墩＋钢复合材料浮式圆形防撞方案，并采用有限元分析软件LS-DYNA对该方案进行了船桥碰撞分析。计算结果表明：①船舶满载0°、30°正撞第一层防撞体系，四柱墩瞬时最大撞击力为3.4 MN，对应的四柱墩抗力为4.2 MN，满足设计且有一定的富余；②船舶满载30°侧撞第二层防撞体系侧部，桥墩上瞬时最大撞击力为0.75 MN，小于桥墩抗力（1.0 MN），满足设计要求。