株洲湘江八桥防船撞设施设计及仿真计算分析

顾民杰，伏耀华，王君杰

[1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.上海船舶运输科学研究所有限公司，上海市 200135；3.同济大学，上海市 200092]

0 引言

株洲湘江八桥（清水塘大桥）为跨越湘江的特大型桥梁工程，主桥为跨径100 m+408 m+100 m中承式钢桁拱桥。桥面按人车上下分离式布置，上层为双向6车道城市主干路，下层布置慢行系统，其下层梁体通过吊杆下挂于上层主梁结构。大桥为国家重点推进项目——清水塘老工业区改造的配套基础设施工程，其建设对改善现状交通、加强两岸联动、推动片区转型、促进片区发展具有里程碑式意义。

湘江是长江七大支流之一，也是湖南境内最大的河流，下游连通长江黄金水道，具有通江达海的优越水运自然条件。湘江八桥桥位属湘江长沙综合枢纽库区Ⅱ级航道，桥区跨越湘江水道，通桥区航道船舶较多，且桥位毗邻铜塘湾港区码头，通航环境较为复杂，桥梁存在被船舶撞击的风险。因此，设计一个合理、经济的桥梁防船撞结构设施，化解船撞风险，是大桥设计中的一个重要环节。

根据港口航道规划，大桥桥区最大通航船型为3 000吨级船舶，基于该防船撞等级，根据前期船舶撞击风险分析的结果，设计了一种可行的防撞设施来保护桥墩。为验证防撞设施的设防效果，本文基于有限元分析技术[1]，利用MSC-Dytran仿真模拟了一艘3 000吨级货船以4.42 m/s的速度分别撞击桥墩和防撞设施的工况，计算分析在设防工况下的船舶撞击影响。同时仿真模拟了2 000吨级船舶在失控状态下以漂流状态撞击桥梁时桅杆和大桥下层主梁碰撞的工况，计算桅杆撞击力大小，确定警示拦截方案，以减小对大桥的撞击力，最大程度地保护桥梁的安全。

1 桥梁防撞方案

桥梁的防撞体系分为主动防撞和被动防撞。主动防撞结合桥区水域实际情况和通航环境，通过完善助、导航设施，建立桥区主动防撞预警系统，对过往船舶、工程船舶、靠离泊船舶实施有效监控，防止船撞桥事件的发生。考虑到本工程毗邻港区，无法通过主动防撞预警降低港区船舶失控漂流撞桥风险，故被动防撞设施尤为重要。

被动防撞方案的形式多种多样，有释能附体防撞系统、群桩防撞系统、人工岛防撞系统等。根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩位置、桥墩外形、水流速度、水位变化情况、通航条件、碰撞速度等因素综合分析，本项目拟采用浮式释能附体系统作为被动防撞设施。

释能附体防撞设施具有诸多优点：占用航道空间少；易于制造、安装和维护；对撞击船舶的能量（动能）进行消能缓冲，使船舶结构不能直接撞击桥墩结构；在各种水位条件和各种船舶的装载状态下，撞击的船舶结构不能直接触到墩壁，水下的球艏部分不能直接撞到墩身；结构形式和结构布置合理，使船撞事故发生后，通过防撞结构的变形、压溃和撕裂，拨动船头方向，让碰撞船舶带走更多能量，减少桥梁吸收的能量，降低船撞力；一旦发生船撞，结构易损，但拆除更换较容易。综上，释能附体防撞设施具有很好的可靠性、安全性和经济性。

浮式防撞设施内部通过型材、板材、肘板等组成骨架，外部焊接钢板，内外层间填充吸能材料，形成一个整体后附着在承台外侧。防撞设施外部设计成流线形，以改善波流力，同时在船撞时可以有效调拨船首，使撞击船舶的能量大部分保留在船舶上，最大限度地减少桥墩、船舶和防撞设施的损伤。

主墩浮式释能附体防撞设施总长45.7 m，型宽13.2 m，型深3.8 m。根据防撞功能的不同采用变截面的形式，主迎撞侧厚4.5 m，次迎撞侧厚2.0 m。为减轻结构重量和减小波流力的影响，释能附体外板开有减轻孔。释能附体外部安装护舷，小型船舶撞击时，护舷起到初期缓冲和消能的作用，同时可对船舶加以保护。图1、图2分别为防撞设施平面和立面示意图。

图1 主墩释能附体防撞设施平面示意图（单位：cm）

图2 主墩释能附体防撞设施立面示意图（单位：cm）

2 有限元仿真分析

利用Patran建立船桥碰撞有限元模型，定义模型材料属性、载荷、速度、约束等条件，利用MSC.Dytran进行仿真计算[2]，验证防撞设施的吸能效果。

2.1 有限元模型

有限元模型中，撞击船的船体后半段采用刚性板单元模拟，船艏部采用可变形的弹塑性板单元模拟。对碰撞区内的船体结构，计算模型做了比较精细的描述，对于远离碰撞区的结构，由于在碰撞中基本上不发生变形，因此为了减小模型规模、提高计算效率，简化为由船体外板和甲板组成的刚性模型，船艏和后半段中间采用了过渡单元连接[3]。大桥桥墩采用刚性板单元模拟，防撞钢套箱采用弹塑性板单元模拟。有限元模型如图3至图6所示。

图3 3 000吨级船舶有限元模型

图4 主墩有限元模型

图5 主墩与钢套箱有限元模型

图6 船与钢套箱碰撞有限元模型

2.2 防撞计算工况

撞击工况根据AASHTO规范给出的建议选取，防撞船型根据规划考虑3 000吨级货船满载高水位以4.42 m/s的速度分别正面撞击桥墩和钢套箱防撞设施，并对防撞效果进行分析（见表1）。

表1 设计防撞计算工况表

2.3 船和防撞钢套箱碰撞有限元模拟计算结果

非线性动态有限元模拟技术可以对结构细节和碰撞时间历程给出良好的仿真效果[4]，且较为精确地计算碰撞力。3 000吨级货船以4.42 m/s的速度正面撞击桥梁主墩防撞钢套箱时碰撞力及碰撞体响应的计算结果见图7至图13。

图7 碰撞力时程曲线

图8 船舶速度时程曲线

图9 船舶位移时程曲线

图13 1.0 s时钢套箱变形及等效应力分布图

通过计算分析可得，3 000吨级货船在满载状态下以4.42 m/s的速度正面撞击桥墩防撞钢套箱，最大碰撞力为27.7 MN,设防前的最大碰撞力为37.1 MN，主墩的船舶撞击力降低了约25.3%。

图10 船首和套箱吸能时程曲线

图11 1.0 s时碰撞变形及等效应力分布图

图12 1.0 s时船艏变形及等效应力分布图

主墩采用释能附体防撞设施后，船桥碰撞过程有了缓冲区域。船舶撞击后，艏部与防撞设施直接碰撞，碰撞区域内的释能附体局部产生重大压溃和变形。在防撞套箱的各构件中，外钢板吸收能量最多，内钢板吸收的能量次之。水平筋板的设置对系统各部分冲击力、冲击深度和吸收能的影响大于竖向筋板[5]。碰撞过程的总能量是44.9 MJ，防撞设施吸收的能量为12.7 MJ，防撞设施的释能效率为28.2%。同时，船艏较设防前破损范围有所减小，防撞设施起到了较好的缓冲和消能作用。

3 船舶桅杆撞击桥梁计算分析

3.1 船舶桅杆撞击下层桥面情况分析

根据《内河通航标准》规定，Ⅱ级航道过河建筑物通航净空高度不小于10.0 m。主桥边跨为2 000吨级内河船舶通航孔，吃水线以上高度为12.0 m，因而在最高通航水位时，存在桅杆撞击下层慢行系统桥面的风险，如图14所示。

图14 桅杆撞击桥梁人非道示意图

3.2 桅杆撞击工况有限元模拟

采用有限元模拟船舶桅杆和桥梁碰撞区域主梁，设定对应的边界条件，进行有限元仿真计算分析（见图15）。

图15 2 000吨级船舶桅杆撞击钢梁结构的计算模型

3.3 桅杆撞击工况

由于2 000吨级船舶仅在失控状态下有撞击桥梁的可能，因此选取漂流状态进行计算。计算工况见表2。

表2 桅杆撞击桥梁计算工况表

3.4 计算结果

船舶撞击力及桅杆破损响应结果如图16~18所示，可知若船舶在失控情况下以漂流速度撞击大桥下层桥面，在碰撞过程中，随着碰撞时间的进程，桅杆变形逐步增大，碰撞力也逐步增加，最后桅杆破损吸能。

图16 船舶撞击力时程曲线（设防前）

图17 桅杆破损吸能曲线（设防前）

图18 3 s时桅杆破损变形应力云图（设防前）

根据计算结果（见表3）可知，设防前若2 000吨级船舶漂流撞击大桥下层桥面，最大撞击力为0.38 MN，警示拦截设防后，船舶撞击速度降低，2 000吨级船舶漂流撞击横梁最大撞击力降为0.24 MN，撞击力降低约37%，因此警示拦截设防十分必要。

表3 桅杆撞击桥梁计算结果

4 结语

（1）结合桥位处航道、船型、桥墩结构等实际情况，对主墩采用释能附体防撞方案，不仅具有良好的防撞性能，还兼具经济性和易维护性。

（2）通过有限元分析和对比研究，主墩采用释能钢套箱防船撞设施。该设计防撞释能效率可以达到28.2%。此防撞设计方案具有较好的设防效果，对桥梁和船舶起到了很好的保护作用。

（3）对通航水域的桥梁，需注意通航净空高度和船舶实际吃水线以上高度的关系，若非通航孔通航净高不满足规范要求，需按规定设置明显的警示标志，并采取防止船舶碰撞的保护措施，加强通航监管，防止船舶的桅杆撞击大桥主梁，造成经济损失。

（4）在本项目中首次采用有限元分析的方法模拟了船舶桅杆撞击大桥主梁的情况，精准计算出撞击力大小，为设防设施的选择提供了可靠的理论基础，保障了大桥和船舶的安全。