鳌江特大桥主塔墩钢套箱防撞设计及分析

张海伟，严伟飞，徐雅娟

(1.浙江交通职业技术学院，杭州 311112;2.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

0 引言

船撞安全是桥梁设计中的一个重要的技术问题，鳌江特大桥采用有限元模拟方法研究船撞安全以及主塔墩防撞设施的有效性，为其主塔墩下部结构设计和防撞套箱的优化设计提供技术支持。

1 工程概况

鳌江特大桥位于甬台温高速公路复线温州瑞安至苍南段工程，跨越温州鳌江口处，距瓯南大桥约6 km。主桥采用双塔双索面叠合梁斜拉桥，跨径为52+88+320+88+52=600 m的叠合梁斜拉桥。主梁采用钢梁与混凝土桥面板组合梁，梁高为3 m，中心距31.7 m。主桥桥塔采用H型门式桥塔，塔柱顶高程107.40 m，承台顶高程5.00 m，索塔总高102.40 m;桥塔基础采用对水流适应性较强的带倒圆六边形承台，承台外形尺寸62.9 m×27.6 m，承台厚6.0 m。承台下设38根直径为2.5 m的钻孔灌注桩，设2个备用孔。钢套箱宽度1.6～2.2 m，水线长67.3 m，型宽30.8 m，型深8.3 m。

1.1 代表船型及无船舶防撞措施下的设计防撞力概况

目前鳌江两岸停靠船舶的码头设计吨级是1000 t级，往往停靠3000 t的散货船。这些散货船船长多在90 m左右、船宽13.2 m左右，吃水5 m左右，空载水线以上高度在21 m左右。根据《鳌江特大桥船舶撞击力标准及防撞方案研究》的结论，在没有钢套箱的防护下，由动力模拟计算方法、AASHTO规范及瞬态非有限元仿真的计算结果的综合分析，主塔墩在1000 t船舶按照5 m/s撞击速度作用下，其横桥向设计防撞力为16.8 MN。

1.2 设计通航水位及通航净空

鳌江特大桥处的设计代表船型为1000 t级海轮，桥梁采取单孔双向布置通航孔，通航净空为274 m×23.5m。设计最高通航水位4.59 m(1985高程，下同)，设计最低通航水位－3.5 m(理论值，船舶需趁潮进港)。

2 主塔墩防撞设计计算

2.1 计算模型和计算工况

根据《温州港航道与锚地专项规划》以及《通航论证》，主塔墩处的防撞控制船舶如表1所示。考虑船艏结构形式对撞击结果的影响，分别建立对工况A和工况B有限元模型用于主塔墩钢套箱的船舶撞击仿真模拟计算。为精确模拟撞击中船艏结构的大变形、屈服等力学行为，船艏结构按实际建模。

表1 代表船型尺度表

主塔墩、塔座采用C50混凝土，承台、桩基础采用C35混凝土。计算中，混凝土材料采用线弹性本构关系，密度为2500 kg/m3，泊松比为0.167。主塔墩、承台采用实体单元，六面体划分，桥墩与船舶的MSC Patran有限元模型见图1。钢套箱采用板单元。

图1 工况A和工况B船艏正撞主塔墩有限元模型

2.2 主塔墩防撞设计

使用主塔墩防撞设施是防止船舶撞击桥墩时发生桥墩整体或局部破坏，有时甚至会影响到桥梁主体。通过对主塔墩增设防撞设施，可以阻止船舶直接撞击桥墩，利用其缓冲消能的作用减小船舶撞击力，起到保护桥梁安全作用。鳌江特大桥防撞设施的设计与承台施工相结合，即作为防船舶撞击的设施，又作为施工时的钢套箱。该防撞设施主要利用与设计代表船舶船体结构相适应的钢结构变形、破损来消耗船舶冲击能量。船舶撞击时，设施破损消能，减少对桥墩的撞击力及破损长度，避免船舶前伸部分触及桥墩上部结构，同时加长防撞设施保护桩基。钢结构材料性能稳定，单位质量材料破损时消耗能量最大。在防撞设施外壁开设消坡孔，在水位较低时消波可明显减少波浪对设施的冲击力。

2.2.1 钢套箱防撞设施保护下工况A计算结果

图2 工况A作用下船撞力时程曲线和船舶结构破损吸能时程曲线

图3 工况A作用下0.6 s时钢套箱和船艏变形及等效应应力分布图

图4 0.6 s时船舶和主塔墩撞击变形在工况A船舶撞击模拟

分析中，船撞力及船舶结构破损吸能时程曲线如图2，船舶最大撞击力为11.42 MN，最大值出现在0.6 s附近。由钢套箱和船艏变形及等效应应力分布图3和主塔墩撞击变形图4可知，主塔墩在船舶撞击造成的破坏可能性较小，承台变形较小，船舶撞击力小于承台抗撞力。

2.2.2 钢套箱防撞设施保护下工况B计算结果

图5 工况B作用下碰撞力时程曲线和船舶结构破损吸能时程曲线

图6 工况B作用下0.9s时钢套箱和船艏变形及等效应应力分布图

图7 0.9s时船舶和主塔墩撞击变形

在工况B船舶撞击模拟分析中，船撞力及船舶结构破损吸能时程曲线如图5，船舶最大撞击力为15.20 MN，最大值出现在0.9 s附近。由钢套箱和船艏变形及等效应应力分布图6和主塔墩撞击变形图7可知，主塔墩在船舶撞击造成的破坏可能性较小，承台变形较小，船舶撞击力小于承台抗撞力。结果汇总如表2所示。

表2 有限元计算结果

由有限元竖直模拟计算表明，防撞设施具有一定的消能效果，主塔墩的防撞钢套箱相比原船舶撞击力16.8 MN，峰值消减了12.0%，同时在钢套箱防撞设施的有效保护下，主塔墩处不会受到设计船舶的撞击。

3 结语

采用撞击有限元数值模拟的方法研究了鳌江特大桥在船舶撞击下的性能，防撞设施主要利用与设计代表船舶船体结构相适应的钢结构的变形、破损来消耗船舶冲击能量。防撞钢套箱设施消减了主塔墩船舶撞击力峰值，具有明显的消能效果，同时有效保护了桩基和承台，避免受船舶的直接撞击而造成局部损坏。

[1]浙江省交通规划设计研究院.鳌江特大桥设计图纸[K].杭州:浙江省交通规划设计研究院，2013.

[2]上海船舶运输科学研究所.船舶撞击力标准及防撞方案研究[K].上海:上海船舶运输科学研究所，2013.

[3]王君杰，陈诚，卢永成.上海长江大桥船舶船撞安全性能的数值模拟研究[J].世界桥梁，2009，(S1):78－81.