基于三江口特大桥主桥桥墩防撞设施的设计及分析

■陈俊滨

（莆田市交通投资集团有限公司，莆田 351100）

随着我国交通运输事业的不断发展， 跨江、跨海的大型桥梁越来越多，同时桥梁下部通航船舶的数量、吨位和航速也在不断增加，桥梁墩身作为承载桥梁的重要结构，因船舶通航撞击桥墩导致桥梁整体坍塌从而造成人员伤亡的事件时有发生，因此在跨江跨海等大跨度桥梁设计时，桥梁主墩结构的防撞性能是桥梁可否安全使用的关键因素。 因此，合理设计桥梁的防撞保护系统， 缓冲船舶的撞击力，使桥梁和船舶的损失程度降到最低，具有重要的研究意义和工程价值。

1 桥梁防撞设计方法

1.1 设计原则

综合国内桥梁防撞设施设计技术，目前桥梁防撞设计需要考虑桥墩的位置、桥墩的外形、桥墩的自身抗撞能力、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型及撞击速度等因素，同时还应满足如下要求：（1）在船撞情况下，桥梁主体结构承受的撞击效应能下降到主体结构自身可接受的水平，同时还能应对特殊情况下超过自身抗撞能力的撞击事件[1]；（2）预防桥梁主体遭受撞击后的局部破损[1]，以及局部破损后引起的大范围损毁；（3）实现“三保护”或“三不坏”原则，特别是以人为本，尽可能地保护船舶和人员安全；（4）避免船舶直接撞击桩基础；（5）装置几何外形有利于改变船舶撞击后的航向；（6）防撞设施的适用性、耐久型、维护性、可修复性、环保性和经济性。

1.2 防撞设施特性

桥梁在防撞过程中，船舶、防撞设施和桥墩共同组成一个运动系统，各组成单元运动状态发生变化，但在变化中要极大程度地保持防撞设施完好，因此防撞设施应满足的特性有[2]：（1）具有降低应力波传播波速度的“低波阻抗”特性，增大内部应力波传播路程和减小外部船、墩间能量交换；（2）针对正撞能量大、侧撞能量小的特点，防撞设施正面变形空间应当大于侧面变形空间；（3）结构变形模式稳定，受撞全程的撞击历时较长，撞击效应的峰值较低；（4）材料性能稳定、易加工、耐久性好，具有低屈服强度和长屈服区域。

1.3 防撞设施类型

桥梁防撞设施可以分为主动防撞设施和结构性防船撞设施两大类[1]，其中主动防撞设施包括警示标志、助航设施、安全监控预警设施等，结构性防船撞设施属于被动防撞设施，分为独立式、一体式、附着式防船撞设施三大类[1]。

1.3.1 独立式防船撞设施

独立式防船撞设施是在桥墩外设置的一道防船撞设施。 其优点是船撞力不传递到桥墩，可以有效保护桥墩；缺点是该设施需要自身结构功能强大，所需投入的造价较高，不够经济，对河流自身环境影响较大，占用航道范围较广，并且只能保护桥梁免受船撞， 不能起到保护船舶和人员安全的作用。因此不考虑设置此类防撞设施。

1.3.2 一体式、附着式防船撞设施

一体式、附着式防船撞设施是通过设置在桥梁主体结构外的防撞装置来保护桥梁主体结构，并与桥梁主体结构共同承受船舶的撞击，同时削减船撞力到桥梁主体结构能够承受的范围的防船撞设施[1]。其优点是桥墩自身的水平抗力得到有效利用，对河流自身环境影响较小，占用航道范围较小，造价相对较低。 具体又可按照材料分为复合材料、钢质、橡胶防船撞装置（可任意组合）；按照适用温度分为常温型和耐寒型；按照附着方式分为固定式和浮动式防船撞装置[2]。 其中，浮动式防船撞装置可以随着水位的涨落高低依靠自身的浮力沿着桥墩轴线上下升降，漂浮于水面并始终处于迎撞面，适用于水位变化幅度较大的水域[2]。 因此，可根据实际桥梁特点、水文情况及通航条件选择使用单一或复合的防船撞设施对桥梁进行防护。

2 三江口特大桥桥墩防撞设计

2.1 工程概况

三江口特大桥主桥为（95+220+95）m 钢混叠合梁斜拉桥，其中32#、33# 为主塔墩，主塔墩基础均采用钻孔灌注桩，哑铃型承台。 承台底标高－0.61 m，封底混凝土2 m 厚，封底混凝土底标高为－2.61 m，承台顶标高＋5.39 m，高6 m，长65.3 m，宽19.8 m，其下布置20 根主墩桩基，桩长62（64）m，桩径2.5 m，以及8 根辅助桩桩基，桩长30 m，桩径1.2 m。 32#～33#之间为通航孔，按3000 t 吨级散货船为通航设防代表船型，并按载重吨5000 t 级的海船防撞标准进行校核，大桥设计最高通航水位（m85 高程）5.460 m，最低通航水位为－4.04 m， 与封底混凝土底标高高差为1.43 m，过往船舶对该桥桩基不会产生撞击的情况。

该项目位于福建省莆田市木兰溪入海口，横跨木兰溪，该地区为冲积平原地貌，水位受涨落潮影响。 木兰溪宽约为430 m，河床底标高约为－4.0～－3.0 m，平均水深约为4.8 m。 木兰溪位于三江口段的潮位为半日潮区，每日涨、落潮2 次，平均潮位差约为6.5 m，涨潮时平均流速约为0.57 m/s，最大流速约为0.94 m/s；落潮时平均流速约为0.65 m/s，最大流速约为0.95 m/s。 该处的最大波高约为4.1 m，平均周期约为7.1 s。

2.2 防船撞设计参数

2.2.1 基本参数

根据三江口特大桥主桥桥区航道部门提供的通航水位数据，三江口特大桥桥位通航桥梁设计最高通航水位（m85 高程）5.460 m，最低通航水位为－4.04 m，相差9.5 m，因此本次防船撞设计选择3000 t 货船（船长95 m、船宽16.2 m、吃水深度3.2 m、排水量5100 t）作为代表船型（图1）。 用于校核的5000 t 海船，船长99.8 m、船宽15.8 m、吃水深度5.8 m、排水量7813 t。

图1 3000 t 船舶撞击模型

2.2.2 船撞速度

船舶航速定为8 节，即4.11 m/s，船舶撞击速度如表1[3]所示。

表1 三江口特大桥主墩及过渡墩船舶撞击速度计算汇总

2.2.3 船舶对桥梁的撞击力

以3000 t 船撞力为标准，计算船舶撞击桥梁的正撞力，结果如表2[3]所示。

综上，从表2 计算结果中可以看出，不同的经验公式计算结果相差较大。 根据应力波传播理论，撞击界面的动态载荷是由撞击物与被撞击物中（含防护设施）2 处互相耦合的波的传播过程共同决定，而2 种波传播的具体过程则又会因为船舶、桥墩及防护设施的结构与材料的不同、初始边界条件的不同等因素而存在明显的差异[3-4]。 从具有较多影响因素角度上来说，如此复杂的冲击动力学问题，很难通过一个简化公式来描述。 因此，考虑采用有限元动态仿真分析方法，对这一问题作进一步的数值模拟分析。

2.2.4 有限元分析

为进一步验证冲击动力，通过有限元动态仿真分析， 计算3000 t 代表船舶在3 m/s 的行驶速度下的船舶正面撞击力，作为规范计算船舶撞击力的验证，船舶撞击效果及撞击力时程曲线如图2、3 所示。

图2 3000 t 船舶撞击效果

图3 3000 t 船舶撞击力时程曲线

3000 t 船舶3 m/s 时的最大撞击力为20 MN。将计算结果与标准计算结果进行对比，如表3[3]所示。

表3 撞击力计算结果对比

通过上述有限元动态仿真对比分析，鉴于其结果与美国AASHTO 规范的计算结果相对接近，故决定采用美国AASHTO 规范的防撞力计算结果作为本项目桥墩防撞的设计依据。

三江口设防代表船型为3000 t 级船，设计吃水3.2 m，主墩32#、33# 位于航道两侧，且高水位和潮水位均存在船撞风险。 31#过渡墩最高通航水位时水深2.21 m，3000 t 船舶无法到达， 因此不需要防撞设计， 而34# 过渡墩， 虽在高水位时水深为5.78 m 船舶可达， 但低水位及潮水位时均不可达，同时34#过渡墩距离航道中心线205 m， 船撞风险较小，因此，综合考虑，主墩进行防船撞设计，过渡墩不进行防船撞装置设计，结果如表4 所示。

表4 船舶可达性分析

2.3 防船撞方案设计

2.3.1 主墩防船撞方案设计

我国大型桥梁的防撞设施之前普遍采用刚性围堰、钢套箱等刚性防护设施，实际发生碰撞时往往“硬碰硬”容易导致桥伤船毁，造成巨大的经济损失及人员伤亡。 而单一的弹性变形型防撞设施则不适用于设防等级较高的大型桥梁。 在这方面创造性提出刚柔并济设计思路的是我国爆炸力学和冲击力学开拓者之一的王礼立教授，他在桥墩防撞设施方面给出了一种新的思路，让桥墩围上一圈厚实可变的“铠甲”，借力打力大幅减小船撞桥墩时产生的冲击力，就是现在很多大型桥梁开始使用的柔性防撞设施。 柔性防撞设施的吸能效果远高于刚性防撞设施，且其强度远大于单一的弹性变形型防撞设。实船撞击实验表明，柔性防撞设施可瞬间减弱50%左右的撞击力，更有效做到对桥墩、防撞设施和船舶的保护，在此基础上的柔性钢套箱防船撞设施由内套箱、外套箱、三角套箱及缓冲消能元件构成，具有“三级耗能”的显著效果，能有效降低撞击力，真正实现船不坏、防撞设施不坏、桥不坏的“三不坏”原则。

因此根据三江口特大桥的具体特点及通航要求，本项目主墩承台选择采用兼作施工围堰的浮动式柔性钢套箱防撞设施。 该防撞设施适用于水位差较大的水域使用，优点是兼具桥墩施工和防船撞2 种功能，使用刚柔并济的结构对桥梁进行防护，并且能同时满足各种水位条件下的防护需求，既节约成本，减少了材料及工序上的浪费，同时又能保障桥梁的正常使用年限，一举多得。 该方案的防撞原理是采用钢套箱及外迎撞体配合进行 “三级耗能”的方式来实现对主桥桥墩的全方位防护，遭受船舶撞击时， 外套箱后移向整个防撞设施扩散撞击力，使处于各个位置的缓冲消能元件协同发挥作用，通过其产生的压缩、变形有效吸收船舶撞击时所产生的能量延长撞击时间实现第一级耗能，第一级耗能后外套箱及内套箱通过自身结构的压缩、变形吸收剩余能量实现第二级耗能及第三级耗能，最后通过迎撞端设置的三角套箱借力用力，借助撞击时产生的反作用力对船舶进行撞后导向，拨转船头使船舶远离桥墩，从而最大限度实现保护防撞设施、桥梁、船舶以及船上人员安全的防撞目的[5]。

浮动式外套箱为防撞设施与来撞船舶接触的部分，设计为箱型的整体结构，为了确保船舶撞击该结构时能顺利实现对船头的导向作用，同时不会产生较大的变形，在外套箱结构迎撞端即横桥向的两端采用三角套箱， 即外表设计为90°的光顺的圆弧尖角。 为保证浮动式外套箱能适用于各类型船舶， 外套箱上下部的斜度采用船头外倾斜度的中值。 兼做施工承台围堰的固定式内套箱的设计为通过用高强度螺栓将16 个全焊分块连接在一起的多舱结构的等截面圈形钢箱，固定于承台。 为了使整个防撞设施形成内外平衡，将浮动式外套箱、防撞圈与固定式内套箱通过吊杆索具及相关组件进行连接。 该设计还可以有效降低海浪对浮动式结构的影响。 主墩防船撞设施布置如图4～6 所示。

图4 立面布置图

图5 平面布置图

图6 主墩兼作施工围堰的浮动式柔性钢套箱防船撞设施

2.3.2 防撞效果分析

针对三江口特大桥主墩防撞要求，对3000 t 和5000 t 船舶撞击速度和船舶撞击力进行计算分析，结果如表5、6[3]所示。

表5 三江口特大桥主墩船舶撞击速度计算结果

表6 三江口特大桥主墩船舶撞击力计算结果

与桥梁碰撞时，轮船撞击力设计值应按下列公式计算：

采用有限元动态仿真分析方法对主桥桥墩进行了撞击裸墩和撞击防撞装置的数值模拟，从而进一步验证防船撞装置的防撞效果。 主墩设防等级要求为船舶3000 t、5000 t。

（1）工况一：3000 t 正撞。 本工况船舶为3000 t级， 撞击速度为3.66 m/s， 对三江口特大桥主桥32#、33# 墩防撞设施正撞防护效果进行计算分析，结果如图7～9 所示。

图7 3000 t 正撞裸墩模型及正撞装置模型

图8 3000 t 正撞效果分析

图9 3000 t 正撞力时程

（2）工况二：3000 t 侧撞。 本工况船舶为3000 t级，撞击速度为3.66 m/s，对三江口特大桥主桥32#、33#墩防撞设施侧撞防护效果进行计算分析， 结果如图10～12 所示。

图10 3000 t 侧撞裸墩模型及侧撞装置模型

图11 3000 t 侧撞效果分析

图12 3000 t 侧撞力时程

根据表7 计算结果，增加防撞装置后，各工况下，撞击力削减范围在40%～50%，削减峰值为48.1%，且设防时船头破坏幅度明显减小，防护效果较好。

表7 3000 t 撞击力计算结果对比

（3）工况三：5000 t 正撞。 本工况船舶为5000 t级，撞击速度为3.69 m/s，对三江口特大桥主桥32#、33# 墩防撞设施正撞防护效果进行计算分析，结果如图13～15 所示。

图13 5000 t 正撞裸墩模型及正撞装置模型

图14 5000 t 正撞效果分析

图15 5000 t 正撞力时程

（4）工况四：5000 t 侧撞。本工况船舶为5000 t，撞击速度为3.69 m/s，对三江口特大桥主桥32#、33# 墩防撞设施侧撞防护效果进行计算分析，结果如图16～18 所示。

图16 5000 t 侧撞裸墩模型及侧撞装置模型

图17 5000 t 侧撞效果分析

图18 5000 t 侧撞力时程

根据表8 计算结果，增加防撞装置后，各工况下，撞击力削减范围在30%～40%，削减峰值为35.7%，且设防时船头破坏幅度明显减小，防护效果较好。

表8 5000 t 撞击力计算结果对比

3 结语

通过对三江口特大桥主桥桥墩防撞设施的设计及分析，可以得出结论：采用有限元动态仿真分析方法对三江口特大桥主墩进行了撞击裸墩和撞击防撞装置的数值模拟，验证了主墩承台采用兼作施工围堰的浮动式柔性钢套箱的防撞设施进行防护是满足要求的。 本文为类似的特大桥主桥桥墩防撞的设计及分析提供了依据，所得结论对同类工程可起参考作用。