对于南京栖霞山长江大桥桥梁防碰撞性能的分析

吴鹏飞

（苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 210000）

0 前言

随着我国公路、铁路等运输基础建设的迅速发展，跨江航道的桥梁数量日益增加，加之船舶大型化的发展，使得船舶发生碰撞的风险也日益增加。根据航道分段标准的统一要求，急需提出各船型、船队的具体实施范围，并在此基础上开展桥梁安全风险隐患自查评估。为响应交通部、江苏省交通运输厅、南京市交通运输局等主管部门的政策，南京公路发展（集团）有限公司针对南京栖霞山长江大桥，即南京长江四桥开展通航安全风险及抗撞性能综合评估[1]。

1 工程概况

1.1 工程位置

南京栖霞山长江大桥位于长江江苏南京区段内，在南京长江第二大桥下游约10 km处，距离长江入海口约320 km。

1.2 桥型方案

栖霞山长江南京主桥总长28.996 km。其中，长江大桥全长5.448 km，南接段21.86 km，主跨1 418 m三车道吊悬索桥，全部按六车道的标准施工。设计时速100 km。2012年，栖霞山长江南京大桥在2012年12月24日正式开通。

1.2.1 桥型布置

该方案主桥主跨1 418 m，桥跨布置为575+1 418+483=2 476 m（主梁：409+1 418+364=2 191 m)。北侧锚碇I.P.桩号AK16+629.785，南侧锚碇I.P.桩号AK19+105.785，北塔中心线桩号AK17+204.785，南桥塔中心线桩号AK18+622.785.

在两岸各锚碇间的净间距为2 440 m，所有的锚碇都设在了堤坝之外，为保证桥体的安全提供了一定的空间。该桥的主跨处和两侧的侧向跨越几乎涵盖了全部的河道，并将上下两条航道布置在主要的航道中。

1.2.2 主体结构

桥梁的索塔为复合式。刚构式索塔的结构形式为拱门式，拱塔采用钢筋混凝土结构，上下横梁采用预应力混凝土结构，拱梁和竖杆采用钢结构。

塔底的设计高度为7.000 m，塔顶设计高为236.400 m，塔冠顶高度为230.600 m。在高耸的顶部，左、右两根中轴线的间距为34 m，而在底部和右侧的中间线的间距为45.5 m。

按索塔的主缆线间距和加劲梁的宽度计算，两座塔柱横桥均呈内倾状态，其倾角为1/38.92。塔柱顺桥的横向宽度从塔基到标高93.000 m，从12.0 m沿拱形过渡到8.8 m，其曲线半径2 312.1 m；标高93.000 m到顶部8.8 m。横桥从塔底到塔高48.000 m，从9.0 m沿拱形过渡到6.5 m，塔柱外圆弧形半径674.7 m，塔柱内部曲线半径672.6 m；从标高48.000 m到顶部都是6.5 m。桥梁总体布置图如图1。

图1 桥梁总体布置图

1.3 桥位处船舶通航流量情况

根据交通主管部门提供的船舶流量统计数据，以及我单位在现场得到的船舶流量监测数据结果，南京栖霞山长江大桥桥位处船舶流量统计结果如下：

南京栖霞山长江大桥桥位处日均通行船舶流量为866.2艘；峰值通行流量为66～72艘/h；平均载重吨位为10 380 t；最大吨位为120 000 t（巴拿马货船GREEN SAPPHIRE；船型尺度240×37×12.50 m）；累 积频率85%、90%、95%的船舶吨位分别为18 970 t、20 480 t、24 360 t[2]。南京栖霞山长江大桥通过船舶载重量分布规律如表1。

表1 南京栖霞山长江大桥通过船舶载重量分布规律

进一步分析，通过南京栖霞山长江大桥桥区的船舶以货船、油轮为主，两种类型船舶占比分别为86.4%、11.6%。经分析可知，南京栖霞山长江大桥桥位处船舶基本沿着主辅通航孔通行，通航秩序良好。主航道的维修水深为12.5 m，航宽500 m，是一条可用于大船实际吃水4.5 m或50 m的航程。桥位为深水道以北200 m航宽推荐航路，可用于低空吃水4.5 m以下、船长小于50 m的小型船只；南部向下的所有小艇都在向下航行，并尽量沿着红色浮标连接的一边向下游航行。但是，在大桥的栖霞山港口，以及金陵石油化工1～8号的船只将会从大桥的南端向下游移动。

2 抗撞性能验算

2.1 抗撞性能标准

按照《公路桥梁抗撞设计规范》（JTG/T3360—02—20）（下文简称《抗撞规范》），按船舶碰撞重要性等级和碰撞作用设防程度来决定该桥墩的抗船撞设防指标。经分析，南京栖霞山长江大桥的抗船撞性能等级为JX1；桥梁抗船撞性能要求达到桥梁被防撞船型撞击后支座可以保持正常功能。

2.2 设防代表船型确定

根据交通运输部长江航务管理局《长江局关于印发长江干线船舶碰撞桥梁隐患治理自查评估区段通航代表船型船队的通知》（长航函道〔2021〕84号），桥位处设防代表船型为50 000 t海轮，同时兼顾100 000 t海轮（减载至70 000 t）[2]。

2.3 船舶可达性分析

北塔附近的水下地形高程在-5.3～-4.3 m之间，在最高通航水位7.98 m下，水深为12.28～13.28 m，最大可达50 000 t货船。

南塔附近的水下地形高程在-14.6～-17.3 m之间，在最高通航水位7.98 m下，水深为22.58～25.28 m，可满足50 000 t货船和100 000 t货船（减载至70 000万 t）通行。

2.4 有限元模型建立

使用Midas Civil有限元软件对整体桥梁进行建模，单元性质使用实体单元（墩台）加梁单元（桩基）模拟建模，模型考虑桩土作用，使用节点弹性支承建立土弹簧以模拟桩土效应。如图2所示。

图2 有限元模型建立

2.5 计算条件

2.5.1 船舶排水量

根据规范，船舶排水量和船舶载重量可按下式计算：

散货船：DWT=0.75-0.85*M。

因此，经换算，船舶排水量取70 000/0.75=93 333.3 t。

2.5.2 撞击船速

根据前文分析，该报告计算船速取不利值，即25 km/h。

计算质量为93 333.3 t，换算航速为6.94 m/s，根据规范得到70 000 t级代表载重船舶撞击力时程曲线如图3。

图3 撞击力时程曲线

2.6 撞击墩台应力验算

70 000 t代表船型撞击工况下，桥墩单元应力分布如图4所示。

图4 撞击墩台截面应力分布图（整体坐标系）

从图4中可以看出，在撞击向（整体单元坐标系Y向），墩台撞击截面最大压应力位于撞击点位置，最大压应力11.11 MPa，整个构筑物上最大拉应力为4.52 MPa；从XY向应力分布可以看出，压应力与拉应力呈间隔分布，最大拉应力3.95 MPa，最大压应力2.78 MPa。按C40混凝土抗压强度设计值（19.1 MPa）、抗拉强度设计值（1.71 MPa）进行控制，撞击点处墩台发生局部混凝土拉裂破坏，开裂深度较50 000 t代表船型工况有所增加，承台混凝土开裂深度约3.4 m左右。

3 结论

根据计算结果显示：

（1）在70 000 t船舶船型撞击工况下，墩台、承台下部基桩顶部均未开裂；桥墩各构件的抗拉强度、抗剪强度、桥墩最大位移等指标均满足JX1级防撞要求。

（2）钢套箱受撞击截面受到的压应力均小于抗压强度，但拉应力大于抗拉强度，局部混凝土受拉开裂。但开裂比例较小，各截面开裂比例为0.14%～0.68%，开裂部位位于撞击钢套箱处局部区域，未扩散至桥墩，不影响桥墩的结构性能，且损伤可修复。经评价，桥墩的抗拉强度、抗压强度、位移等指标均满足规范要求。

（3）综上，在现有的防撞钢套箱结构体系下，南京栖霞山长江大桥受到7 0 000 t级船舶的撞击能满足JX1级的防撞性能要求。