某连续刚构桥防船撞设计方案研究*

阮云龙, 张恒

(1.佛山市三水区公路养护中心, 广东 佛山 528100;2.佛山市交通运输事务中心,广东 佛山 528000;3.广州大学 土木工程学院, 广东 广州 510006)

近年来,船撞桥事故不断发生,给人民生命财产安全造成严重威胁[1]。文献[2-6]通过航道条件分析、通航环境分析、设防代表船型及撞击力研究,采用现场调查、有限元模拟、概率风险分析等方法对通航桥梁安全风险及桥梁抗撞性能进行了评估。有些学者对桥梁防船撞设计及相关加固方法进行了研究,如王淑等利用红外光、可见光、激光复合探测及多源数据融合技术建立桥梁防船撞主动预警系统,实现桥梁防船撞主动预警,减少船撞桥概率[7];陈龙涛以梅山水道桥主墩承台为研究对象,对可能撞损的部位设置SA400橡胶护舷进行局部防护,计算结果表明该方法可延缓船头与桥墩相撞时间、降低撞击力、保护承台、分散应力集中[8];王纪锋等以京港澳(北京—香港—澳门)高速公路沙河大桥桥墩为研究对象,设计自浮式钢覆复合材料防撞设施,有限元计算结果表明该设施可有效提高桥墩抗撞能力[9];刘政伟等通过参数敏感度分析优化防撞结构尺寸,并采用显式有限元法验证了桩式桥梁防船撞设施设计方案的合理性[10]。本文根据某大跨径连续刚构桥抗船撞验算结果及所在航道代表船型研究防船撞设计标准和防船撞加固措施。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

某大跨径连续刚构桥全长3 001 m,分左右两幅,单幅净宽16 m,分为主桥、南引桥和北引桥。主桥采用预应力混凝土连续刚构,跨径组合为62 m+2×100 m+62 m;两端引桥分别采用20 m空心板梁、30 m简支小箱梁、连续箱梁(28.0 m+40.0 m+28.0 m、27.5 m+2×40.0 m+27.5 m、4×45.0 m、5×45.0 m、43.0 m+50.0 m+43.0 m)、预应力混凝土连续刚构(49 m+82 m+49 m)。2007年建成通车。

主墩墩身采用单薄壁、分离式空心墩,承台以上设9 m实心段,承台为左右幅整体式承台,基础为12根D200 cm钻孔灌注桩。过渡墩采用分离式薄壁空心墩,基础为4根D150 cm钻孔灌注桩。墩柱构造见图1。等高度连续箱梁桥墩采用花瓶墩,基础为钻孔灌注桩。20 m空心板梁、30 m简支小箱梁墩身采用分离式双柱墩,基础为钻孔灌注桩。墩身、承台采用C40混凝土。

图1 墩柱构造横断面(单位:cm)

主桥及引桥的单箱单室箱梁采用盆式支座。全桥采用型钢伸缩缝,桥面铺装为沥青混凝土。

1.2 航道概况

桥梁设计时桥位处航道等级为Ⅲ级,代表船型为1 000 t级驳船,对应船型尺度为67.5 m×10.8 m×2.0 m(总长×型宽×满载吃水)。现状航道等级为Ⅱ级,代表船型为2 000 t级驳船,船型尺度为75.0 m×14.0 m×2.6 m,航道维护尺度为4.0 m×80.0 m×400.0 m(水深×航宽×弯曲半径),维护水深年保证率为98%,航道中心线与桥梁中心线的夹角为92°。

2 桥梁抗船撞验算

2.1 计算模型

按照结构实际情况建立主桥MIDAS/Civil有限元模型,主梁采用梁单元模拟。建立桩基全长模型,并考虑一般冲刷对桩基的影响,土体对桩基的作用采用土弹簧约束模拟。采用JTG/T 3360-02—2020《公路桥梁抗撞设计规范》[11]推荐的强迫振动法进行验算,撞击点为距离承台顶面8.7 m,1 000 t级、2 000 t级驳船撞击速度分别取4.84 m/s、4.82 m/s。采用MIDAS/Civil中时程分析方法,输入节点动力荷载,计算得到相应船撞效应值。主桥有限元模型见图2,强迫振动时程函数见图3。

图2 主桥MIDAS/Civil有限元模型

图3 2 000 t级驳船撞击下强迫振动时程函数示意图

2.2 验算结果

原设计1 000 t级驳船及现状2 000 t级驳船撞击计算结果见表1、表2。

表1 1 000 t级内河船撞击计算结果

表2 2 000 t级内河船撞击计算结果

由表1、表2可知:采用高水位撞击点(1 000 t级内河轮船)撞击桥梁主墩时,偶然组合作用下,主墩的墩身及桩基承载力均满足要求,墩身截面最小安全系数为4.5,桩基截面最小安全系数为1.6。采用高水位撞击点(2 000 t级内河轮船)撞击桥梁主墩时,偶然组合作用下,67#桥墩的桩基承载力不满足要求,桩基截面最小安全系数为0.8,部分桩基剪跨比小于1.5,出现斜压破坏,属于剪力脆性破坏;68#桥墩的桩基承载力不满足要求,桩基截面最小安全系数为0.9,部分桩基剪跨比小于1.5,出现斜压破坏,属于剪力脆性破坏;69#桥墩的墩身及桩基承载力均满足要求,墩身截面最小安全系数为3.0,桩基截面最小安全系数为1.1。

3 桥梁防船撞加固设计

3.1 设计目标

根据桥梁所在航道通航等级、上下游桥梁影响、桥址冲刷、桩基结构形式、实际通航船舶吨位及船舶流量等情况确定防船撞设计标准如下:

(1) 对于主通航孔主墩,结合现状航道等级,满足2 000 t级内河船代表船型要求,不满足时采取措施进行整治提升。

(2) 对于非通航孔过渡墩,维持现状防撞能力,适当增加防撞措施,减少混凝土结构局部破损,保护船舶。

(3) 对于非通航孔引桥墩,结合主动防撞预警系统、航标等进行防护,暂不采取被动防撞措施。

3.2 设计方案

根据设计目标制定表3所示各桥墩防船撞加固方案。

表3 防船撞加固方案

3.3 主墩防船撞设计

对于67#～69#主墩,承台增设固定式复合材料防撞块,墩身增设自浮式复合材料柔性防撞套箱,保护桥梁混凝土结构,减小对船舶的损伤。增设的自浮式复合材料柔性防撞套箱及固定式复合材料防撞块均采用橘红色,起到警示、诱导作用。主墩防船撞设施布置见图4。

图4 主墩防船撞设施布置示意图

3.4 过渡墩防船撞设计

对于66#、70#过渡墩,左右幅承台采用型钢或钢管连接,适当增强横桥向抗船撞能力;承台、墩身横桥向正面、临近通航孔侧一面增设黑色橡胶护舷,保护桥梁混凝土结构,减小对船舶的损伤(见图5、图6)。

图5 过渡墩承台工字钢连接

图6 过渡墩防船撞护舷布置示意图

4 加固后验算

采用上述方案对67#～69#主墩进行加固后,对墩身防撞套箱采用消能30%进行验算,所施加撞击力进行相应折减。加固后2 000 t级内河轮船撞击桥梁主墩时验算结果见表4。

表4 主墩加固后2 000 t级内河轮船撞击时验算结果

从表4可以看出:在保证墩身防撞套箱消能不低于30%时,高水位撞击点(2 000 t级内河轮船)撞击桥梁主墩时,偶然组合作用下,墩身和桩基承载力均满足要求,墩身截面最小安全系数为3.1,桩基截面最小安全系数为1.1。

5 结论

本文以某大跨径连续刚构桥为研究对象,研究主桥在原设计1 000 t级、现状2 000 t级代表船型撞击力作用下的性能标准,确定主桥承台增设固定式复合材料防撞块、墩身采用自浮式复合材料柔性防撞套箱,过渡墩承台采用型钢或钢管连接及承台、墩身横桥向正面、临近通航孔侧一面增设橡胶护舷的加固措施,验算结果表明在保证防撞套箱消能不低于30%、防撞块横桥向消能不低于25%时,该加固方法可行。