基于数值模拟的桥墩防船撞钢浮箱防撞性能分析

摘要：文章以思林右江大桥为实际工程依托，综合考虑桥梁自身结构特点、所处环境等因素，设计一种桥墩防船撞钢浮箱，提高了桥墩的抗撞性能。通过建立桥梁结构有限元模型、钢浮箱有限元模型和船舶有限元模型，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC专用有限元软件对有无防撞措施两种工况进行模拟，并对桥墩防船撞钢浮箱的防撞性能进性计算分析。结果表明，安装该种防船撞钢浮箱后可有效提升桥墩防撞性能，可为今后此类桥梁防撞性能研究工作提供工程参考。

关键词：桥梁防撞；钢浮箱；抗撞性能

U443.26A010014

0 引言

桥梁是跨越河流等障碍的重要工程建筑，更是在沟通河流两岸之间的陆路交通运输中起着至关重要的连接作用［1］，其在交通运输系统中的作用是不言而喻的。但对于水上运输的船舶而言，桥梁却是人工构筑的障碍物［2］。因此，桥与船就成了对立的矛盾主体。在河流上建设的桥梁自通航的那一刻起，就有桥梁船撞事故发生的可能性，而且在桥梁的全寿命过程这种可能性都是客观存在的［3］。近年来我国发生了多起船撞桥事件，造成桥梁倒塌、航线中断、人员伤亡等严重后果，这就意味着防船撞设施的研究具有重要意义，目前有许多学者对如何提高防船撞设施的性能进行了深入研究，如韩峰对桥梁下部结构抗撞性能进行碰撞过程的参数化拓展分析，探讨船艏刚度（船艏形状、钢板厚度）、承台结构形式及撞击角度对船撞桥撞击力的影响［4］；徐云等从通航安全风险角度，对桥区航道、水流水深、航标配布、通航净空尺度、船舶通航秩序、相邻设施影响等进行分析，研究桥墩抗撞性能，并从力学角度，利用有限元模型，验算桩基及墩柱受力［5］。本文以思林右江大桥为工程案例，设计了一种自浮式桥墩防船撞钢浮箱，并通过对不同工况下桥墩的抗撞性能进行模拟研究，研究成果对今后类似工程案例有一定的指导意义。

1 工程概况

1.1 桥梁及航道通航基本情况

（1）桥梁基本情况。思林右江大桥于百色市田东县思林镇跨越右江，为思林镇与坛百高速公路的连接线，桥位上距鱼梁枢纽约19.5 km，下距金鸡滩枢纽约61.1 km，桥位处属于金鸡滩枢纽回水库区。大桥全长390 m，桥面宽12.5 m，桥跨组合为（43+57+2×90+57+43） m预应力混凝土连续刚构。上部结构主梁为单箱单室箱梁，箱梁采用变截面，箱梁底板上下缘顺桥向均为1.8次幂抛物线。下部结构1#、5#墩为双柱式墩、钻孔灌注桩基础，2#～4#桥墩为双薄壁墩、双排钻孔灌注桩承台基础，采用墩梁固结，0#、6#桥台采用肋式埋置式桥台，双排钻孔灌注桩承台基础。常水位下2#、3#主墩位于水中，4#主墩中洪水期涉水，其余墩台均位于两侧岸坡上。

（2）航道通航基本情况。根据金鸡滩水利枢纽过闸交通流量统计，近年过闸船舶数量为10 590～13 086艘，根据桥址上游鱼梁枢纽过闸交通流量统计可知，近年过闸船舶数量为3 507～11 827艘，即工程水域水上交通流量约为10～36艘/d。本桥双孔单向通航，桥区水域水深优良，处于金鸡滩库区，水流条件较好，过往船舶过桥基本可以保持在航道的航速，船舶航速基本为6节～8节。思林右江大桥设计为2个通航孔，下行通航孔桥墩为2#～3#墩，上行通航孔桥墩为3#～4#墩，通航净宽为80 m，净高为10.0 m。

1.2 综合评估桥梁抗船撞性能情况

思林右江大桥前期已做通航安全风险及抗撞性能综合评估报告，评估结果主要有以下几点：

（1）思林右江大桥主墩2#～4#承受现状通航1 000吨级船舶横、顺桥向撞击时墩身所产生弯矩均小于其截面等效屈服弯矩，满足抗弯性能要求；思林右江大桥主墩2#～4#承受船舶横桥向撞击时桩基所产生弯矩大于其截面等效屈服弯矩，不满足抗弯性能要求。综上而言，思林右江大桥主墩2#～4#承受现状通航1 000吨级船舶横桥向撞击时，不满足抗弯性能要求。

（2）思林右江大桥3#主墩承受现状通航1 000吨级船舶横桥向撞击时，最不利截面所承受剪力大于桥墩自身抗剪承载力设计值，桥墩抗剪性能不满足要求。思林右江大桥2#～4#主墩承受现状通航1 000吨级船舶横桥向撞击时，满足抗剪性能要求。

（3）经过桩基整体稳定性分析可知，思林右江大桥主墩2#～4#承受现状通航1 000吨级船舶横桥向撞击时桩基已发生屈服，抗剪承载能力不满足要求，不满足桩基础整体稳定性JX1级性能等级要求。

2 防船撞钢浮箱设计

根据评估，思林右江大桥现状（Ⅲ级）及规划（Ⅱ级）航道等级中，所对应通航代表船型横桥向正撞思林右江大桥2#～4#墩时，桥墩抗力均不满足抗撞性能要求，存在较大安全风险，需增设结构性防撞设施确保桥梁安全。针对现状航道通航实际情况、桥梁改扩建及航道提升时间的不确定性，考虑节约成本等因素，思林右江大桥防船撞设施按照现状Ⅲ级航道设计。

2.1 结构形式

本工程设计的自浮式防船撞钢浮箱防撞设施是一种缓冲吸能型腹板增强钢与复合材料组合式的防撞设施，其内部结构主要由钢板面层、钢腹板增强体、复合材料防腐层以及耗能芯材组成。具体设计成果见图1。

2.2 防撞机理

当船舶撞击桥墩时，防撞设施钢外壳箱体及其内部填充的耗能材料在撞击力作用下压缩变形，实现缓冲吸能。内、外表面护舷对小型船只的刮蹭、撞击具有较好的缓冲作用，既能保护装置外观良好，也能减少装置在上下浮动过程中的磨损。撞击过程中，钢外壳及内部耗能芯材共同吸收了撞击能量，减少了船舶和桥墩在撞击过程的能量吸收，减小了桥梁和船舶的破坏，同时降低了撞击力。

2.3 设计优点

本工程设计的自浮式防船撞钢浮箱具有诸多优点，总结如下：

（1）重量轻：质量较轻、强度较高，自浮性良好，吊装较方便。

（2）可批量生产：成型方便，形状可灵活设计，适合大批量生产。

（3）性能良好可控：由于钢板的存在，装置防撞性能高；在不改变结构外形的前提下，通过改变材料组分达到不同的物理性能。

（4）安装方便：由独立的模块组成，安装便捷高效，各单元损坏后维修更换方便，适合在工厂加工、现场安装的工业化施工过程，有利于保证质量、提高效率。

（5）疏水性好：能够在海水和淡水中保持性能稳定，有效抵抗油和各类物质的侵蚀，发生局部破损时，可以保证装置的浮动性能。

3 抗撞性能分析

3.1 计算工况

在1 000吨级船舶以正向撞击思林右江大桥的3#墩、2和4#墩时，墩顶、墩底抗船撞性能满足要求，桩顶的抗弯性能不满足要求。结合思林右江大桥所处航道等级（现状Ⅲ级，规划Ⅱ级），本设计采用1 000吨级驳船作为撞击代表船型，验算防撞设施抗撞性能，计算工况采用高水位船舶满载正撞工况，如表1所示。

3.2 有限元模型的建立

为精确模拟碰撞中船艏结构的大变形、屈服以及内部构件自接触等力学行为，船艏结构按实际建模，有限元网格划分较为精细，以满足计算精度的需要。同时，考虑到除船舶首部结构外的船体结构，对碰撞动能的吸收和耗散非常有限，为减少单元数量，提高计算的效率，对距船艏较远的不直接参与碰撞的船体部分以刚体代替。通过采用专用软件进行网格划分和材料模型初步定义等，进行接触及边界条件定义，可建立船舶的精细有限元模型，其船首部分的有限元模型如图2所示。

采用的1 000吨级（排水量1 210吨）轮船的有限元模型，船舶首部钢板结构采用壳单元模拟，钢材屈服强度为330 MPa，切线模量为2 MPa×105 MPa，割线模量为870 MPa，断裂应变取为0.3。

防撞装置有限元模型中面板采用壳单元模拟，内配置水平向与竖向的加劲肋，提高面板抗撞能力。耗能钢管也采用壳单元模拟。考虑EPS填充泡沫的耗能能力较小，出于保守考虑在有限元模型中没有考虑填充泡沫。钢板采用Q235型号钢材。有限元模型如图3所示。

桥梁的桥墩与承台采用实体单元模拟，主梁采用实体单元模拟，桩基础采用弹性梁单元进行模拟，模型考虑土-基础的相互作用，桩基和土层分别采用梁单元和弹簧单元模拟。具体如图4所示。

3.3 材料参数及计算模型

耗能钢管采用壳单元模拟。考虑EPS填充泡沫的耗能能力较小，出于保守考虑在有限元模型中没有考虑EPS泡沫。材料模型参数方面，钢板采用Q235型号钢材，采用理想弹塑性应力-应变关系，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模拟，屈服强度取标准值为235 MPa，断裂应变取0.2；橡胶块采用不可压缩Mooney-Rivlin模型。该本构模型仅能用于体单元中，可替换Blatz-Ko橡胶本构模型［6］。在该材料本构模型中，其应变能密度函数W由式（1）～（6）确定：

W（I1，I2，I3）=A（I1-3）+B（I2-3）+C1I23-1+D（I3-1）2（1）

C=0.5A+B（2）

D=A（5v-2）+B（11v-5）2（1-2v）（3）

G=2（A+B）（4）

E0=3G=6A1+AB（5）

I1=λ21+λ22+λ23；I2=λ21λ22+λ22λ23+λ21λ23；I3=λ21λ22λ23（6）

式中：A、B——Mooney-Rivlin模型参数（MPa）；

v——泊松比；

G——橡胶剪切模量（MPa）；

E0——弹性模型（MPa）；

I1、I2、I3——Cauchy-Green应变不变项；

λ1、λ2、λ3——轴向应变。

硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标，可分为相对硬度和绝对硬度。绝对硬度一般在科学界使用，生产实践中很少用到［7］。通常使用的硬度体系为相对硬度。橡胶材料的硬度用Hr（IRHD硬度，国际橡胶硬度单位）加以标定，Hr越小，橡胶材料硬度越小，橡胶材料越柔。橡胶硬度Hr与弹性模量E0的试验数据拟合得到两者之间的关系式：

E0=15.75+2.15Hr100-Hr（7）

可得：

6A1+AB=15.75+2.15Hr100-Hr（8）

由以上关系式可以得到硬度和剪切模量之间的关系。在计算模型中，采用Mooney-Rivlin模型作为橡胶材料本构模型，根据设计橡胶构件参数取值见表2。

3.4 计算结果分析

无防撞装置和带防撞装置的碰撞响应时程曲线如图5所示，包括撞击力、墩底弯矩、墩底剪力、桩基弯矩以及桩基剪力计算结果。

据模拟结果可知，由于防撞装置的存在，船舶与桥墩之间未发生直接的碰撞，主要表现如下：

（1）防撞装置与桥墩接触，进而使得结构产生碰撞响应。由图5（a）可知，无防撞设施工况下，桥墩所受撞击力在0.25 s左右达到峰值，设置防撞装置后，碰撞力显著降低，峰值降幅达到50%。

（2）由图5（b）、5（c）可知，碰撞接触力降低，使得墩底弯矩和剪力峰值响应都显著降低，降低幅度约为43.5%～58.8%。

（3）由图5（d）、5（e）可知，碰撞接触力降低，使得桩基弯矩和剪力峰值响应都显著降低，降低幅度约为44.5%～60.8%。

在设置防护装置后在代表船型撞击下，桥墩的抗撞性能满足要求，具体结果如后页表3所示。

4 结语

本文对思林右江大桥防船撞钢浮箱的抗撞性能进行分析，得出以下结论：

（1）思林右江大桥现状（Ⅲ级）及规划（Ⅱ级）航道等级所对应通航代表船型横桥向正撞思林右江大桥2#～4#墩时，桥墩抗力均不满足抗撞性能要求，存在较大安全风险，需增设结构性防撞设施确保桥梁安全。

（2）通过建立有限元模型模拟可知，安装防船撞钢浮箱后，避免船舶与桥墩发生直接的碰撞，主要表现为防撞装置与桥墩接触，进而使得结构产生碰撞响应。设置防撞装置后，碰撞力显著降低，峰值降幅达到50%。

（3）由于防船撞钢浮箱的存在，碰撞接触力降低，使得结构峰值响应（墩底弯矩和剪力、桩基弯矩和剪力等）都显著降低，降低幅度约为43.5%～52.8%，设置防护装置后在代表船型撞击下，桥墩的抗撞性能满足要求。

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［3］李宁康.城市桥梁护栏防撞性能提升及改造方法研究［D］.重庆：重庆交通大学，2022.

［4］韩 峰.桥梁下部结构抗撞性能分析与防撞措施研究［D］.南京：东南大学，2019.

［5］徐 云，赵眈崴，关明芳.某桥梁通航安全风险及抗撞性能评估［J］.中国水运，2023，744（2）：15-16.

［6］冯佳佳，朱登远，雷艳红，等.清云高速肇云大桥抗撞性能分析［J］.山西建筑，2022，48（20）：11-14.

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