珠海淇澳大桥船撞能力评估及防撞设计

付旭辉， 田 鹏， 余 葵， 唐 亮

(1.重庆交通大学河海学院， 重庆 400074； 2.国家内河航道整治工程技术研究中心， 重庆 400074； 3.重庆交通大学土木学院， 重庆 400074)

淇澳大桥位于珠海市东北面,于2000年10月建成通车，珠江口右岸，连接珠海市区与淇澳岛，为双塔柱式单索面预应力混凝土斜拉桥，主孔长为320 m，两侧边孔为176.5 m，各设一中间墩，将边孔分为136 m和40.5 m，正桥设置竖曲线，主梁采用抗风性能很好的近似三角形断面，单箱3室，顶宽33 m，底宽4 m，桥面以上塔高76 m，箱形断面，主塔3#、2#桥墩以及引桥1#、0#桥墩船舶可达。随着珠海经济快速发展，航道等级逐渐提升，桥区船舶通航愈发频繁，一旦发生船舶撞击桥墩事故，将会给人类的生命、财产以及社会和环境安全带来极大的损害[1]，所以计算淇澳大桥桥墩抵抗船撞力值并设置合理的防护措施，对于保护桥梁结构安全至关重要。张峰等[2]针对东海大桥桥墩防撞方案,引入港口工程中常见的大直径薄壁圆筒结构,该结构具有良好受力性能。邓国良等[3-4]针对南昌大桥桥墩设计了柔性复合材料混合防撞设施，很大程度消减了船舶撞击桥墩的冲击力，保护了桥梁安全。冒一锋等[5]围绕福州乌龙江大桥，研制了新型纤维增强复合材料防撞系统，能够有效地保护桥墩结构安全。余葵等[6-7]、吴俊等[8]针对重庆万州长江公路大桥，发明了拱形自浮式水上升降防撞装置，采用全钢结构设防，满足桥墩抗撞能力，保护了桥墩。

针对淇澳大桥2#主塔(3#主塔相同，只分析其一，如图1所示)，以及引桥1#、0#桥墩进行防船撞能力计算。根据桥区、水文资料、通航船舶类型及数量等条件分别运用经验公式和有限元计算大桥主塔遭受5 000 t船舶撞击力，和引桥1#、0#遭受500 t船舶撞击产生的撞击力，继而再通过MIDAS建模[9-11]，计算桥墩本身能够承受最大撞击力，根据计算结果对桥墩抗船撞能力进行评估。

图1 桥式立面图

1船舶撞击力计算

1.1 常用撞击力经验公式

船舶撞击力的计算方法中经验公式计算法占有很大的比重，包括中国公路、铁路规范在内，世界上不同组织提出了数十种船舶撞击力的经验公式[3-4]，经验公式计算快捷简便，在无更详细船舶撞击力资料时采用，但不同的经验公式计算结果往往相差很大。在运用经验公式计算时要对比运用，不同情形适用不同公式。

(1)采用美国公路桥梁设计规范(AASHTO 1994)有关船舶撞击力的公式为

Ps=1.2×105V×(DWT)0.5

(1)

(2)采用国际桥梁和结构工程协会(IABSE)推荐的计算公式为

(2)

式(2)中：L=Lpp/275 m，Lpp为船长，m；E撞击=E/1 425 MJ；P艏为船艏最大撞击载荷，MN；P0=210 MN；E为船舶动能，MJ。

(3)采用公路桥涵设计通用规范(JTJ 021—89)推荐的计算公式为

P=WV/gT

(3)

式(3)中：W为漂流物重力，kN，根据河流中漂流物情况，按实际调查确定；V为水流速度，m/s；T为撞击时间，s，根据时间资料估计，在无实际资料时，一般用1 s；g为重力加速度9.81 m/s2。

(4)采用铁路工程技术规范的计算公式为

(4)

式(4)中：γ为动能折减系数，取0.3；α为船舶航向与墩台撞击点切线所成夹角；C1为船舶弹性变形系数，取1/2 000；C2为墩台弹性变形系数，取1/5 000。

Kano & Li 2013: Kanu Kazuo (加納和雄) & Li Xuezhu (李学竹), Annotated Japanese Translation and Critical Edition of Sanskrit Text of the Munimatālakāra Chapter 1: Opening Portion, Mikkōbunka 229, 37-63.

船舶的撞击角度为撞击船舶的轴线方向与被撞结构物的撞击面法向的角度，确定船舶的撞击角度最合理的方法是对桥区附近船撞事故资料和经过桥位船舶航迹线综合分析得到，统计后按最不利情况计算，即通航高水位15°侧撞。

根据调查分析方法得到典型船舶在桥区(主通航孔)航行的正常航速，由此作为通航船舶通过桥区水域的典型速度。然后根据实际测量或数值计算方法得到建桥后桥区水域流速沿桥轴线分布数据，计算出桥区水域的流速差值。逐一对各桥墩附近水域的流速进行调整(折减和增加)，依据美国AASHTO规范的计算方法，可确定船舶撞击速度，淇澳大桥的2#主塔的5 000 t船舶撞击速度为4.49 m/s，引桥1#桥墩的500 t船舶撞击速度为1.18 m/s，引桥0#桥墩的500 t船舶撞击速度为 1.18 m/s，如表1所示。

确定撞击角度和速度后，采用各经验公式分别计算主塔2#桥墩，及引桥1#、0#桥墩船舶撞击力，计算结果如表2所示。

由表2可知，各类经验公式撞击力计算值都不相同，分析其原因可能是各经验公式在船舶撞击时，计算船艏的形状、刚度，被撞体的形状、刚度，撞击角度以及撞击速度等因素侧重点不一致[5-6]。导致各规范船撞力计算结果相差甚大，为了得到较为可靠的桥墩撞击力，采用有限元法进行分析。

表1 淇澳大桥船撞速度表

表2 淇澳规范撞击力计算结果

1.2 有限元撞击力计算

建立5 000 t、500 t典型船舶分别撞击淇澳大桥主塔及引桥桥墩的有限元碰撞模型，并分别进行船舶在最低通航水位和最高通航水位进行碰撞力计算分析，淇澳大桥最低通航水位为2.91 m(黄海高程)，最高通航水位为5.27 m(黄海高程)。撞击点位置根据不同船型吃水深度和最低通航水位和最高通航水位综合确定。船体有限元模型建立主要分为船体模型网格划分、模型连接、材料属性定义、模型配重和模型边界施加。整个船体为钢板结构，整个船体分析模型采用壳单元进行详细建模，充分兼顾船碰撞分析的精度和效率。船艏部分是船体碰撞变形区，该区域的网格尺度和类型对船体的刚度有较大影响，该部分采用精细化建模，壳单元网格平均尺寸为50～100 mm，网格最大程度采用四边形网格，如图2所示。

船体和船尾部分不涉及船体变形问题，主要是其质量分配影响船体的动能和运动状态，该部分采用粗略化建模，壳单元网格平均尺寸为1 000 mm；船艏和船尾中间部分单元其单元尺度过渡增加，达到分析精度和计算效率的最佳平衡，如图3、图4所示。

模型采用了单墩模型进行船桥碰撞的动力计算，只对桥墩墩身采用实体单元进行建模。墩底固结；墩顶施加弹性约束和质量块，模拟主梁对桥墩约束和压力作用，使桥墩顶端受力及约束状态与全桥模型更加接近，桥、船撞击应力云图如图5、图6所示。

图2 船艏有限元模型

图3 典型5 000 t船舶和淇澳大桥主墩15°侧撞模型

将斜撞撞击力仿真结果与经验计算值进行对比。从表3、表4中可以得出，有限元仿真计算的船舶撞击力存在一定差异，船舶为5 000 t在高水位时最大侧撞力为39.64 MN，低水位时最大侧撞力39.84 MN，与美国ASSHTO规范计算的侧撞力38.10 MN较为接近，船舶为500 t撞击引桥1#/0#桥墩时最大侧撞力分别为8.43 MN、4.47 MN，低水位最大侧撞力分别为7.96 MN、3.91 MN。同样与美国ASSHTO规范计算的侧撞力10.01 MN、3.17 MN 较为接近。

图4 典型船舶500 t和淇澳大桥引桥桥墩15°侧撞模型

图5 桥墩主压应力云图

图6 船舶艏部变形应力云图

表3 淇澳大桥船舶主塔2#撞击力仿真结果

表4 淇澳大桥船舶引桥桥墩1#、0#撞击力仿真结果

美国ASSHTO规范与有限元仿真计算结果最为接近，与公路桥涵设计通用规范、铁路桥涵设计基本规范，以及国际桥梁和结构工程协会(IABSE)推荐公式差异均较大，分析原因可能是实际船舶船艏和有限元设计刚度不尽相同，各公式计算因素侧重点不一致导致差异。

考虑规范所采用经验公式仅适用于特定情况，故撞击力标准采用有限元仿真模拟值。

将淇澳大桥桥区的船舶分别在高水位、低水位情况下进行按最不利情况15°斜撞桥仿真，并同时进行了正撞仿真，各工况主塔和引桥的最大撞击力汇总如表3、表4所示。从中可以看出，船舶吨位越大，撞击力就越大。

2 桥梁结构抗力计算

单位载荷作用下结构内力通过建模计算方法进行计算。影响单位结构内力主要有撞击力作用点、荷载组合、单元模拟、土的模拟、边界条件5个方面。船舶撞击作用位置影响因素较多，根据中国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)内河船舶撞击作用点要求，以假定计算最高通航水位线以上2 m的桥墩宽度或长度的中点作为作用点。按现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)规定的要求进行荷载组合：偶然作用的效应分项系数取1.0；荷载组合：恒载+横桥向船舶撞击力。在进行结构模拟时，桥梁各个部位采用的单元形式为：①墩或塔柱采用一维线性梁单元进行模拟；②承台假设为刚性体，采用刚体模拟；③桩基采用一维线性梁单元进行模拟。

主塔内力的计算采用midas civil软件，计算模型变形如图7所示。

选取设计代表船型5 000 t船舶为例，以对应的撞击力作用在桥墩相应位置得到全桥响应结果。提取了结构关键部位的位移及内力结果。

综合考虑桥梁等级、结构设计强度及建设投入等综合因素，取桥墩、桩基的水平等效屈服抗力最小值对应的撞击力作为桥墩极限抗撞力，如表5所示。

由表5可知，主塔、引桥的抗船撞能力都是由桩基控制，主塔2#墩、引桥1#、0#墩撞击力分别为72.69、37.54及28.32 MN，均大于各经验公式以及有限元计算的船撞力，故淇澳大桥主塔及引桥不会因船撞坍塌，结构安全。考虑到船桥双重保护的理念，船桥撞击时最大限度保护船舶和降低桥梁损伤，延长桥梁使用寿命，故可增设合理的防护设施。

图7 淇澳大桥横桥向单位载荷作用下的主塔弯矩图

3 防撞设施

大桥主塔及引桥桥墩的防护范围为最高通航水位以上2.5 m，最低通航水位以下1.5 m。其中淇澳大桥主塔桥墩拟采用自浮式钢浮箱[7-8]防撞装置。为了避免钢浮箱与桥墩表面摩擦对桥墩表面的损害，在钢浮箱与桥墩之间布设橡胶护舷缓冲装置，并在橡胶护舷表面安装四氟板与桥墩表面进行滑动摩擦。考虑到四氟板的使用寿命，在桥墩表面与橡胶护舷对应位置进行低压喷涂、滚涂或者刷涂混凝土密封剂的表面处理，既增加防撞装置运行的可靠性，又最大限度地降低其摩擦对桥墩表面的损伤。主塔的防撞设施总高度为4.0 m，吃水深度1.5 m，总长度为32 m，总宽度为16 m，艏部和侧部含橡胶护舷的总长度和宽度均为4.4 m，橡胶护舷与桥墩表面之间预留了0.1 m的间隙，整个结构对称布置。其中，橡胶护舷选用SA800×1 000，规格可按《橡胶护舷》(HG-T 2866—2003)选用，主塔防撞设施如图8所示。两桥引桥桥墩防撞采用安装橡胶护舷的方式进行防撞，承台采用D型护舷，桥墩墩底至以上2 m范围用超级拱形橡胶护舷，引桥防撞设施如图9所示。

图8 淇澳大桥主塔防撞设施示意图

图9 淇澳大桥引桥桥墩防撞设施示意图

4 结论

通过经验法和有限元建模方法对淇澳大桥主塔2#桥墩及引桥1#、0#进行防船撞分析。结果表明，有限元法和美国公路桥梁设计规范(AASHTO 1994)船舶撞击力经验公式较为接近。通过对桥梁桥墩结构抗力计算，发现主塔2#，引桥1#、0#桥墩极限抗撞力均大于有限元计算值，说明主塔2#桥墩自身抗力是满足5 000 t防船撞要求的，同时引桥满足500 t防船撞能力，桥梁不会因船撞倒塌，较为安全。但为了减少桥墩因船撞摩擦损伤，和最大限度地保护船舶安全，为主塔以及引桥设置合理的橡胶护舷防护措施，以增加桥梁使用寿命，减少桥梁修检频率，提高社会经济效益。