云川金沙江大桥防船撞装置与工程应用

袁佩

（招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆市 400067）

云川金沙江大桥防船撞装置与工程应用

袁佩

（招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆市 400067）

随着跨江桥梁的增多及航道的升级,越来越多的桥梁面临船撞风险。合适的防撞装置能增加桥梁的抗冲击能力,减小桥梁与船舶的事故损失。现介绍云川金沙江大桥的防撞装置,从消能效果验证、承载力验算等方面进行阐述,并列举工程应用实例,证明该装置的实用性。

船撞；复合材料；防撞装置；消能

0 引言

随着我国经济建设的快速发展,高速公路建设进入了快速发展期。与此同时,大量跨江大桥如雨后春笋般纷纷修建起来。桥梁作为跨越航道的建筑物,对船舶航行来说无疑是一种障碍物。同时,桥梁的建成还会使桥区环境发生改变,如水流流速、弯道、冲刷、淤积等。而船舶运输的发展使得现在的通航船舶也开始变得愈来愈大,愈来愈多。船撞桥事故的发生是不可避免的,它不但涉及到船舶通行的安全,也会严重影响着桥梁的安全运营。因此,专门研究桥梁防撞装置是十分必要的。只有合适的防撞装置才能增加桥梁的抗冲击能力,缓和船舶对桥墩的冲击作用,最大限度地减少桥梁与船舶的事故及其后果损失。

桥墩防撞装置主要有一体式、附着式和独立式[1,2]。防撞装置的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行[3]。

随着港口规划及航道等级的提升,船舶通航密度、船舶吨位逐年增加,船舶撞击桥墩的风险也将随之提高。为降低船撞风险,确保桥梁的运营安全,云川金沙江大桥专门开展了防船撞研究。本文以云川金沙江大桥为依托工程,介绍该桥的防船撞装置及其工程应用。

1 工程概况

云川金沙江大桥位于云南省昭通市绥江县境内,绥江县城东侧约3.5 km的金沙江河谷上,为国家重点水利工程——向家坝电站蓄水淹没区,电站蓄水期间被淹没后,是绥江县与四川省屏山县相连接的金沙江上的唯一桥梁。桥位处江面宽585 m,路面设计标高距江面最大高度29 m,桥宽13 m,桥跨布置为:（90+190+228+123+60）m连续刚构体系。桥型布置图如图1所示。

图1 云川金沙江大桥桥型布置图

2 船桥碰撞数值模拟分析

为了验证复合材料防撞套箱折减船撞力的效果,采用动力数值模拟法进行计算。相撞结构物之间的碰撞作用采用接触算法来完成。在两个相撞物体上,分别定义主从接触面,在计算过程中的每一时间步内,根据从属节点是否穿透主面来决定是否在主面上施加一作用力来阻止从属节点继续穿透,这个力即接触力。接触力的大小取决于穿透量和接触面两侧的单元特性。

在船桥碰撞仿真模拟计算中,混凝土材料偏于保守的采用弹性材料。混凝土材料采用弹性本构关系,密度2 500 kg/m3,泊松比0.17。云川金沙江大桥桥墩防撞代表船舶为2 000DWT,撞击速度选取最大洪水流速4.17 m/s。另外,在建模过程中还考虑了材料之间的摩擦情况（动摩擦系数0.2,静摩擦系数0.3）[4]。建立的船桥碰撞有限元模型如

图2 船桥碰撞整体有限元模型

图3 船桥碰撞局部有限元模型

防撞装置的缓冲效能效果验证设置了两种工况,工况1为无防撞套箱保护,工况2为有防撞套箱保护,撞击工况见表1。

表1 工况设置表

船舶撞击力时程曲线如图4、图5所示,其中图4为无套箱保护的工况,图5是有套箱保护的工况。

图4 船舶撞击力时程曲线图（无套箱）

图5 船舶撞击力时程曲线图（有套箱）

从图4可看出,船舶撞击力最大值为16.0 MN,出现在撞击发生后0.42 s。从图5可看出,船舶撞击力最大值为8.3 MN,出现在撞击发生后0.92 s。从图4、图5可得出,设置了复合材料防撞套箱,船舶撞击力峰值降低,能够折减48%；撞击力峰值发生的时间延迟,说明防撞套箱能够起到缓冲作用。

桥墩墩顶位移时程曲线如图6、图7所示,其中图6为无套箱保护的工况,图7是有套箱保护的工况。

图6 墩顶位移时程曲线图（无套箱）

图7 墩顶位移时程曲线图（有套箱）

从图6可看出,桥墩墩顶位移最大值为0.45 m,出现在撞击发生后1.7 s。从图7可看出,墩顶位移最大值为0.26 m,出现在撞击发生后2.35 s。从图6、图7可得出,设置了复合材料防撞套箱,墩顶最大位移减小,折减42%；墩顶位移峰值出现的时间延迟,说明防撞套箱能够起到缓冲作用。

3 截面内力计算

为了检验桥墩在设防船舶撞击作用下的安全性能,选取设置了复合材料防撞套箱的工况,建立桥梁整体有限元模型,输入第3节得到的船撞力时程曲线,进而得到桥墩控制截面的最不利内力。在2 000 t的船舶撞击下,墩身和桩基最不利动力响应见表2,其中轴力负号表示受压。

表2 船撞作用下墩身和桩基最不利动力响应一览表

4 承载能力验算

利用恒载和撞击力荷载下的轴力组合对桥墩和桩基的控制截面进行M－φ分析,得出各控制截面在2 000 t船舶撞击工况下的屈服弯矩,进行截面内力验算。为了偏于保守,确保结构抗船体撞击性能,取恒载和船撞作用组合轴力的最不利值进行屈服弯矩的计算。

在2 000 t的船舶撞击作用下,主体结构不发生损伤,保持在弹性范围。墩身和桩基的动力响应验算结果见表3,其中轴力负号表示受压。

表3 船舶撞击下最不利弯矩验算结果一览表

5 工程应用

为了进一步验证复合材料防撞套箱的实用性及可行性,将该防撞装置应用于云川金沙江大桥的防船撞工程上。防撞套箱的施工方式采用水上拼装,选择在水流速度小,晴天,风力较小的情况下进行。图8为复合材料防撞套箱水上拼装之实景,图9为拼装完成后的实桥之实景。

图8 防撞套箱水上拼装之实景

图9 防撞套箱拼装完成后的实桥之实景

6 结语

本文以防撞装置消能效果验证、结构承载能力验算和工程应用方面对云川金沙江大桥的防船撞装置进行了描述,介绍了一种既能保护桥墩又能保护船舶的“双保护”复合材料防撞套箱。数值模拟计算得出该防撞套箱可折减48%左右的船舶撞击力,表明该装置具有良好的防撞效果。此外,复合材料防撞套箱在云川金沙江大桥上的成功应用也证明了该装置的工程实用性。

[1]DBJ/T50-106-2010,重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南[S].

[2]王君杰,耿波.桥梁船撞概率风险评估与措施[M]．北京:人民交通出版社,2010.

[3]耿波,王福敏,汪宏.三峡库区桥梁船撞技术与工程实践[M]．北京:人民交通出版社,2016.

[4]耿波,徐龙.粉房湾长江大桥船撞风险分析与设防标准研究[J].桥梁建设,2012,42（增刊1）:7-12.

U443.86

B

1009-7716（2017）07-0276-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.084

2017-03-27

袁佩（1985-）,男,重庆人,硕士,工程师,从事桥梁防撞研究工作。