忠州长江大桥浮式消能防撞装置防护性能研究

王 鹏，刘国贵，陶小兰

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.海南博鳌乐城国际医疗旅游先行区开发建设有限公司，海南 琼海 571435)

我国江河和海湾众多，内河航道里程已达12.73万km[1]，随着水陆交通高速发展，我国兴建了大量跨航道桥梁。其中跨越Ⅰ～Ⅶ级航道桥梁共约1.72万座，跨越Ⅴ级及以上内河航道桥梁共计4 715座，跨越沿海航道桥梁共计94座[2]。长江干线平均约20 km即架设1座桥梁，尤其在重庆、武汉、南京主城区，已形成桥群河段，平均每3 km～4 km就有1座跨江大桥。航道桥梁数量激增、船舶密度增加及大型化，造成船撞桥事故频发。重庆白沙沱长江大桥、武汉长江大桥和南京长江大桥自建成以来，船撞事故分别发生了100起以上、70起(直接经济损失超过百万的大事故超过10起)和30起[3]。据统计，仅发生在中国长江、珠江、黑龙江三大水系干流上的船撞桥事件就达到300起以上，造成了上亿元的经济损失[3]。当前针对抗撞能力不足、船撞风险较高的桥墩防护处置仍较为滞后，长江干线桥梁已设置桥墩防撞装置的有23座，仅占需要处置桥梁数的27.7%。而美国交通部门统计数字显示：大型桥梁通航运营期间，约10%会因船撞而垮塌，若不重视预防，甚至会达到50%以上[4]。为此，迫切需要开展相关研究，提出合理的防撞装置提升桥墩防撞需求。

防撞装置种类繁多，桥梁所处水文环境、结构形式各异，使得防撞保护处置极具个性化，需根据实际情况综合拟定。如重庆曾家岩嘉陵江大桥[5]采用复合材料防撞护舷装置沿高水位至低水位布置在桥墩两侧，重庆涪陵乌江大桥[6]则采用了混凝土格栅外挂复合材料护舷的方式，对大桥两侧拱脚进行了隔离。本文针对忠州长江大桥P9过渡墩抗撞能力不足的问题，基于已有研究成果，提出了一种钢结构浮式消能防撞装置，并采用数值模拟方法对该防撞装置的防护性能进行了分析，以期为工程顺利实施提供指导。

1 工程概况

忠州长江大桥位于忠县县城上游8 km处，是沪蓉国道主干线支线分水岭(鄂渝界)至忠县高速公路的关键性控制工程，东起康家沱，跨越马粪碛及长江主航道。大桥主跨为460 m斜拉桥，居国内同类桥梁第三，桥型布置见图1。主塔墩高247.5 m，居同类桥梁第二，仅低于苏通长江大桥。通航航道划分2个辅航道，一个主航道，设计最高、最低通航水位分别为174.7 m和143.78 m。单孔单向通航净宽不小于160 m，单孔双向通航净宽不小于320 m，通航净高不小于18 m。

单位：cm图1 桥型布置Fig.1 Bridge layout

忠县长江大桥位于三峡水库上游回水段，常年通航3 000 DWT～5 000 DWT的干散货船。桥区位于邓家沱弯道，下游接王家沱弯道。汛期弯道处水流速度较快，横流较大。此外，桥区浅滩分布较多，航行条件复杂，已经历了几起船舶或漂流物撞击事故。特别是2019年7月24日凌晨，一艘4 000 t危险品货船撞击大桥桥墩，导致表面混凝土脱落，横、纵向损伤宽度达到70 cm和30 cm。因此，需选用合适的防撞装置对桥墩进行保护。

2 防撞方案设计

根据《忠州长江大桥船撞风险评估及设防标准专题研究》[7]，大桥P9过渡墩抗撞能力不满足需求，抗力差为16%，抗力需求见表1。

表1 P9过渡墩抗力需求Table 1 Crash resistance requirements of P9

由于桥区水位落差高达33 m，为保障大桥安全运营，拟采用浮式消能防撞装置保护桥墩。该型防撞装置主要由多个板梁结构的密封舱室，桁架支撑结构以及鼓型橡胶构成，顶板、底板以及各横纵壁板板厚均为8 mm，强肋和水平桁为290 mm×120 mm×8 mm(h×b×t)的T型钢，弱肋为80 mm×50 mm×6 mm的L型钢，内部桁架为200 mm×150 mm×10 mm的工字钢。所有型钢和钢板均采用Q235钢材。为防止与桥墩发生硬性接触，在装置内侧设置鼓型橡胶，同时在与桥墩表面接触处设置滑动滚轮以满足随水位变动而自由浮动。整个防撞装置长为36.3 m，宽15.2 m，高3.3 m，防撞方案平面布置见图2。

3 碰撞系统有限元模型

根据船撞事故统计显示，桥梁受船舶撞击均发生在桥墩部位，为此，计算模型中桥墩与承台均采用实体单元、桩基采用梁单元进行划分。为缩短计算时间，其他不与船舶发生直接接触的部分采用尺寸较大的实体单元。土弹簧刚度根据规范[8]确定，取值见表2，并通过ls-dyna材料库的*MAT_SPRING_ELASTIC[9]模型模拟。

单位：mm图2 浮式消能防撞装置方案平面布置Fig.2 Plane layout of floating energy dissipation anti-collision device scheme

表2 土弹簧刚度Table 2 Stiffness of soil spring

防撞装置顶底板、壁板、纵横向加劲板均采用壳单元模拟，T型钢、L型钢、工字钢均采用梁单元建立，鼓型橡胶采用实体单元模拟，接触碰撞部位网格尺寸为100 mm，以便与船艏单元尺寸匹配，防撞装置划分共计52 884个单元。

船舶模型选取具有代表性的内河5 000 DWT散货船，该型船舶总长100 m，型宽16.8 m，型深7.8 m，设计吃水6.1 m，满载排水量6 700 t。全船采用壳单元划分，为精确反映碰撞过程，同时提高计算效率，船艏单元尺寸控制在100 mm以内，向船身过渡的网格划分逐渐稀疏，单元尺寸控制在400 mm以内。整船有限元模型共计90 291个单元，其中船艏部分52 798个单元。碰撞系统中壳单元算法选用缺省的Belytschko-Tsay单点积分，该算法在处理大应变问题中具有更高的精度与计算效率。同时为获得良好单元以保持数值计算的稳定性，控制四边形单元翘曲角不大于15°。梁单元算法选用3号Truss积分，实体单元算法选用缺省的Constant stress积分。碰撞系统有限元模型见图3。

(a) 船舶 (b) 桥墩 (c) 防撞装置

4 碰撞边界条件

4.1 材料本构模型

船舶与防撞装置所用钢材采用Cowper-Symonds本构模型描述受应变率影响的塑性行为，通过定义关键字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC实现[9]。Q235钢材料参数见表3。船身中后部远离碰撞接触区，几乎不发生变形，为提高计算效率，采用刚体模型，通过定义关键字*MAT_RIGID实现。

表3 Q235钢材料参数[10]Table 3 Material parameters of Q235 steel

桥墩混凝土材料采用连续盖帽本构模型模拟，通过关键字*MAT_CSCM实现。CSC模型常被用于低速冲击模拟，能够准确估计RC构件的冲击响应[11-12]。详细参数取值见表4。

表4 CSC模型本构参数[13]Table 4 CSC constitutive parameters

橡胶材料采用不可压缩Mooney-Rivlin本构模型，通过定义关键字*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER实现。橡胶材料密度1 138 kg/m3，泊松比0.49，常数A=3.97×105Pa，B=9.9×104Pa[14]。

4.2 接触定义

为模拟撞击过程中碰撞系统各部分受力行为，通过*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE分别定义船艏内部、防撞装置内部自接触；通过*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE定义船、防撞装置、桥墩之间自动面面接触。船-防撞装置、防撞装置-桥墩间的摩擦系数分别取0.3、0.25[15]。

4.3 碰撞工况

撞击船舶为5 000 DWT散货船满载以3.9 m/s速度撞击，选取了3个代表性撞击位置，见图4。其中位置1为船舶沿桥墩中轴线方向正撞；位置2为船舶平行于桥墩中轴线方向撞击侧边中点；位置3为30°斜撞防撞装置薄弱点。

图4 船舶撞击桥墩位置点Fig.4 Impact location

5 动力数值模拟结果分析

船舶以3.9 m/s速度沿桥墩中轴线方向正撞防撞装置，碰撞能量为51 MJ。撞击过程中的能量转化曲线见图5。系统总能量基本守恒，沙漏能占比10%以内，可认为数值模拟结果可靠。碰撞中动能逐渐转化为船舶和防撞装置内能、界面滑移能、沙漏能。由于船艏、防撞装置与桥墩间存在相互摩擦，因此界面滑移能不完全为零。

图5 撞击位置1能量时程曲线Fig.5 Energy time history curve of impact at position 1

不同撞击位置下，有/无防撞装置的船撞力时程曲线对比见图6。从图6可知，撞击位置1为防撞设计的最不利撞击工况，无防护下船撞力峰值约为33 MN，有防护下撞击力峰值为15.8 MN，折减了52%。位置2平行于桥墩中轴线方向撞击装置侧边中点，无防护下峰值力为29.7 MN，有防护下为13.7 MN，船撞力折减率达到54%。撞击装置薄弱处时船撞力折减率降低到27%。

(a) 位置1

桥墩受撞击其易受损部位为桩基，此时桩基主

要表现为受弯破坏。有/无防护的桩顶弯矩对比见图7。由图7可知，在设置防撞装置后，桩基受弯程度得到了大幅降低，最高可达78%。撞击过程中的墩顶最大位移对比见表5，位移折减率最高可达到60%。从表5可知，设置浮式消能防撞装置后，其撞击力远小于桥墩抗力，可有效保护桥墩。

(a) 位置1

表5 墩顶最大位移Table 5 Maximum displacement of pier top

各撞击位置下防撞装置与船艏的最大变形见图8、图9。由于防撞装置以薄钢板制作而成，碰撞中通过不可恢复的塑性变形吸收撞击能量，因此防撞装置均产生较为严重变形，但节段间未发生脱落，仍紧密连接。大部分碰撞能量由防撞装置吸收，船艏变形得到了很好的抑制，说明该防撞装置能有效保护桥梁与船舶。但船舶无法导向驶出桥区，被防撞装置镶住。

图8 防撞装置最大变形

图9 船艏最大变形

6 结论

1) 在P9过渡墩设置浮式消能防撞装置可有效保障大桥安全运营，最不利撞击工况下船撞力折减率达52%，墩顶位移折减率达60%，远小于桥墩抗力，此时桥墩具有足够的安全储备。

2) 防撞装置主要通过钢材塑性变形吸收撞击能量，船艏变形得到了很好的抑制，但无法拨转船舶，其能量交换率较高，防撞装置破坏较为严重。