京港澳高速沙河大桥桥墩抗船撞能力评估及防撞设施方案研究

王纪锋　关梁超　葛晶　沈燕

摘 要：随着河南省沙颍河逍遥至漯河段航运开发工程的推进，航道通航等级提升为IV级，通航船舶吨位和数量的增多对既有桥梁的安全构成严重的影响。本文以京港澳高速沙河大桥3#-4#桥墩为研究对象，通过瞬态动力学防撞分析，确定大桥设防船撞力为4.6MN。进而根据相关设计规范，通过核算桥墩截面实际能承受的水平撞击力，确定了该大桥在500吨级船舶撞击下自身抗撞能力不足。根据桥墩结构和通航桥区情况，设计了自浮式钢覆复合材料防撞设施，通过有限元防撞校核表明，安装防撞设施后船舶撞击力下降至3.4MN，可有效提高桥墩自身抗撞能力，从而有效保证桥墩结构安全。

关键词：桥梁防撞;防撞设施;有限元;船舶撞击力;钢覆复合材料

中图分类号：U698             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）10-0062-05

1概述

沙颍河航道流经河南省境内414公里，是国家规划水运主通道“两横一纵两网十八线”中“一纵”的重要组成部分。随着沙颍河逍遥至漯河段航运开发工程的推进，漯河段航道通航等级提升至IV级。然后，由于沙颍河已断航30余年，沿线既有桥梁普遍存在设防等级不足的情况。因此，亟需对既有桥梁的设防抗撞能力进行评估，根据评估情况，对设防能力不足、被撞概率较高的桥梁设计相应的防撞设施。

京港澳高速沙河大桥是漯河地区较早的一座跨沙河大桥，1993年3月动工，1995年12月竣工，2015年12月大桥完成8车道拓宽。大桥最高通航水位为+60.32m，最低通航水位为+56.0m。该桥上部结构采用18×30m预应力砼T梁，先简支后结构连续。伸缩缝处设置D80伸缩装置;结构连续处每梁梁端设GJZ-350×400×57mm支座。

该桥半幅双柱式桥墩，桥墩盖梁高3m，宽2.2m，材料为C30混凝土。桥墩柱采用直径1.8m的圆形截面，墩柱间距4.52m，墩柱采用处C30混凝土。桥墩基础为桩基础。3#、4#桥墩截面示意见图2，各桥墩标高见表1。

本文对大桥的3#、4#桥墩进行设防抗撞能力评估。采用瞬态有限元计算软件Ls-Dyna，模拟代表船型撞击桥墩，获得

桥墩的设防船撞力[2，4]。进而根据相关设计规范，通过核算桥墩截面实际能承受的水平撞击力，对桥墩的安全性进行评估。根据上述研究结果设计适合本桥的防撞设施方案。

2 大桥设防撞击力计算

2.1 有限元建模

本文根据设防桥墩的结构进行三维建模，其中代表船型选择500吨级船舶（满载排水量720吨），船舶设防撞击速度取约束航速6节（3.08m/s）。

墩顶主要承受混凝土主梁的重力作用，模型中近似去竖向约束，桥墩结构采用常规混凝土材料建模，桥墩材料为C30混凝土，弹性模量取30000MPa。船舶由船艏和船身两部分组成，由于碰撞中主要是船艏变形，因此模型中将船身设置为刚体，仅提供刚度和质量，不发生变形;船艏则考虑钢材的应变率的影响，采用Coeper-Symonds本构方程，考虑到Ls-Dyna模拟计算中材料的失效模拟很复杂，一般通过最大塑性失效准则来定义材料失效。此外，在船舶与桥墩接触摩擦时，摩擦系数的变化也很复杂，所以采用简化处理，将静、动摩擦系数均取0.1。

2.2 计算结果

根据该桥实际情况，选取最高通航水位下船撞撞击为最不利工况，因此本文进行了2种工况的有限元模拟，即：工况一，最高通航水位下船舶与3#桥墩满载正撞;工况二，最高通航水位下船舶与3#桥墩中部满载侧桥向15°撞击桥墩。2种工况下的船-桥碰撞应力见图5，船撞力计算结果见表5。

仿真计算结果表明，在工况一的情况下，船—桥碰撞力达4.6MN，工况二的情况下，船—桥碰撞力达2.8MN。通过与《公路桥涵设计通用规范》、《铁路桥涵设计基本规范》、美国AASHTO规范公式[3]的计算结果对比表明，有限元计算结果高于铁路规范，低于美国AASHTO规范。因此，本桥设防船撞力取4.6MN。

3.2 竖向力计算

竖向载荷包括恒载+活载，其中，恒载包括上部结构质量、沥青铺装、护栏等，活载包括竖向活载及纵向活载产生的偏心弯矩。计算结果如表6所示：

3.3桥墩外力荷载组合汇总

承载力计算组合分为基本组合和偶然组合，因船撞力在水平荷载中占很大比例，因此基本组合不控制桥墩受力计算，本桥仅采用偶然组合对桥墩进行验算。

偶然组合中，偶然作用组合系数为1，其余同作用组合系数同基本组合。

3.4 桥墩强度验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，桥墩正截面抗压承载力按照沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件进行计算，可得桥墩危险截面的抗力如下表所示[1]。计算结果表明，桥墩弯矩MR=9766KN*m<11118.8KN*m。桥墩无法抵抗船舶撞力计的作用，需加装一定的防撞设施。

4防船撞方案研究

4.1 防船撞设施设计方案

根据桥墩的自身结构特点，设计了自浮式D-430型钢覆复合材料防撞设施。防撞设施整体呈筒形，直径4.3m，高度1.5m。防撞设施整体“套”在设防桥墩上，可随着水位上下浮动，始终处于船舶的撞击位置。

鋼覆复合材料防撞设施主要由高性能复合材料、钢材、缓冲耗能材料组成。防撞设施整体为加劲钢桁架，具有良好的整体强度。防撞设施外部包覆了高性能复合材料层，复合材料耐候性能极佳，在水中不易腐蚀，可有效解决防撞设施长期使用易腐蚀的难题。同时，防撞设施内部填充闭孔耗能材料，冲击时可有效延长撞击时间，削减撞击力。防撞设施与桥墩接触部分设计了橡胶阻力元件，可避免防撞设施在波浪作用下与桥墩发生“硬接触”。

防撞设施施工整体采用真空导入一次成型工艺。先制作相应的钢制加劲结构，再见闭孔耗能材料切割成相应的模块，包覆轴向纤维布后填充满整个钢制加劲结构中。再通过抽气口抽调钢制加劲结构内的空气，使其形成负压，真空导入树脂在负压的作用下导入钢制加劲结构，最后固话、成型。真空导入完成后，在钢制加劲结构外部通过复合材料积层工艺，在外表面包覆3mm厚的复合材料层。

4.2 防船撞设施消能效果

防撞设施整体的弹性模量介于桥墩刚度和船艏刚度之间，通过合理优化防撞设施内部结构布置，使得船-防撞设施-桥墩三者刚度获得良好的匹配。在瞬态动力学软件Ls-Dyan中模拟安装防撞设施的情况下船撞桥的情况。计算结果表明，在相同的边界条件下，船舶撞击力由4.6MN降低为3.4MN，有效削减船舶撞击力26%，可满足桥梁设防的要求。

5 结论

本文以京港澳高速沙河大桥为研究对象，论述了桥梁船撞能力评估的基本流程，首先采用有限元法计算船撞桥的实际船撞力，再根据桥梁的结构参数，对桥墩的抗撞设防能力进行校验，确定桥梁的抗船撞能力。主要得出以下结论

（1）采用瞬态有限元模拟仿真，计算出桥梁在最高通航水下的设防船撞力达4.6MN;

（2）根据京港澳高速沙河大桥桥墩实际尺寸及配筋计算得出在设防船撞力下大桥抗撞能力不满足要求;

（3）根据大桥情况，设计了自浮式钢覆复合材料防撞设施，经有限元校核计算，最大船撞力可降低26%，可有效保护桥梁安全。

参考文献：

[1]陈刚，叶建龙，何为，等.内河桩柱式桥墩抗船撞能力分析[J].桥梁建设，2010，（2）：14-17

[2]潘晋，吴卫国，王德禹，等.船-桥墩防护装置碰撞的有限元仿真[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2005，（4）：178-181.

[3]美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）2009：公路桥梁船撞设计指南（第二版）上海海洋钢结构研究所、宁波大学、重庆交通大学等译

[4]杨黎明，吕忠达，王礼力，等.桥梁抗船撞柔性防护方法及实船撞击实验[C].武汉：第二十届全国桥梁学术会议论文集（下），2012：948-954.

基金項目：河南省交通运输厅科研项目（2017J3）;常州市科技支撑计划（工业）（CE20180015）