乐城大桥船撞设防标准与防护方案研究

何沛建, 冯 侠

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067; 2.桥梁工程结构动力学国家重点实验室, 重庆 400067)

随着我国交通强国建设的稳步推进,跨越江河湖海的桥梁数量和规模在不断增加,同时水路交通发展势头迅猛,通过桥梁的船舶吨位和数量日趋增大和增多,因此船撞桥事故率也在逐年上升[1]。2020年12月,交通运输部、国家铁路局和国铁集团共同发布了《船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案》,将桥梁的船撞风险整治提上日程。

欧美国家在船撞事故[2]的惨痛教训下,最早重视并开展了船桥碰撞问题的研究。美国道路工程师协会在1991年针对美国的内河桥梁提出了基于风险的船撞设计技术标准和设计方法,编写了《公路桥梁船撞设计指南》,提出了基于风险的船撞设计技术标准和设计方法,内容涵盖了设计船舶的确定、碰撞概率分析、碰撞力的计算、船舶破损长度的计算、防撞保护系统设计等。在1997年,欧洲为指导桥梁的防船撞设计,出版了欧洲统一规范第一卷(Eurocode 1)第2.7分册[3]。

我国项海帆、王君杰、耿波等[4-6]在国内最早开始了对船撞桥问题的研究。招商局重庆交通科研设计院有限公司和同济大学主编了我国首部桥梁船撞设计指南—《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》(DBJ/T50-106—2010)[7],该指南于2010年由重庆市建委颁布。我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[8]对于跨低等级航道(四级及以下)的桥梁直接给出了设计船舶撞击力,跨高等级航道(一到三级)建议开展船撞专题研究确定船撞设防标准。我国《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02—2020)[9](简称抗撞规范)是国内一部较为完善的桥梁船撞设计规范,对桥梁的设防水准、碰撞概率、倒塌概率、撞击速度、轮船对桥墩的撞击力、防撞措施等给予了较为详细的介绍。

通过对比分析,我国的抗撞规范与美国、欧洲规范主要思路一致,均是将船撞事故处理为风险事件,根据可接受风险的水平来指导桥梁的船撞设计。本文主要依照我国抗撞规范的方法,对桥梁船撞设防标准以及防护方案开展研究。

1 工程概况

在建乐城大桥位于海南博鳌乐城国际医疗旅游先行区,跨越万泉河,与琼海市城区直线距离约2 km,距离上游的文琼高速桥约530 m,距下游朝阳大桥约10 km。主桥采用独塔空间索面自锚式悬索桥,跨径布置为(35+130+130+35)m,如图1所示。上部结构主梁采用钢混结合梁,标准段主梁采用钢箱梁,塔区及主缆锚固区域采用混凝土梁,锚跨采用预应力混凝土梁。下部结构主塔采用“钻石型”混凝土桥塔,八边形承台以及16根2.2 m桩径的桩基础;辅助墩和过渡墩采用花瓶墩,其下设4根桩径2.5 m的桩基础,过渡墩下设4根桩径1.5 m的桩基础。桥区航道规划等级为Ⅶ级,设计最高通航水位为6.80 m,最低通航水位为1.02 m(1985国家高程基准,下同)。通航孔位于P10和P11号桥墩之间,单孔双向通航,通航孔尺寸为43.6 m×7.5 m。

注:图中尺寸除标高以m计外,其余均以cm计。

2 桥墩抗力计算

2.1 抗船撞性能标准

根据抗撞规范,乐城大桥船撞重要性等级为C1等级,大桥抗船撞性能设防目标为P1,失效概率以1×10-4控制,结构及构件的抗船撞性能等级为JX1,结构不允许出现损伤,且保持弹性状态。

2.2 计算方法

根据抗撞规范6.1.4条的规定,内河船舶的撞击作用点,假定为计算通航水位线以上2 m的桥墩宽度或长度的中点。内河船舶对桥梁墩台的撞击作用可按“静力法”来计算[10-11]。

乐城大桥的桥梁船撞抗力计算步骤如下:

1) 在对应计算水位以上2 m位置,沿横桥向或顺桥向,在桥墩上施加一水平撞击力,求出桥墩各构件(墩柱、桩基础)在荷载作用下的内力及其最不利荷载效应组合,确定控制截面;

2) 对桥墩墩身和桩基进行正截面抗弯承载力计算、斜截面抗剪承载力计算,求出各极限状态构件控制截面极限抗力,调整水平船撞力大小,将抗力与荷载效应组合值进行比较,当抗力等于或略大于荷载效应组合值时,对应的水平船撞力即为极限船撞抗力[12];

3) 比较桥墩各构件抗弯和抗剪极限状态对应的极限船撞抗力,选取其中最小值作为桥墩的极限船撞抗力。

2.3 船舶可达性分析

结合船舶吃水和最高水位下桥墩处的水深,分析船舶的可达性,从而确定有撞击风险的涉水桥墩。乐城大桥最高通航水位为6.80 m,以150座客船和15 m级游艇作为桥梁设计代表船型,2种船型的主尺寸总长×型宽×设计吃水分别为38.1 m×6.8 m×0.7 m和15.0 m×5.0 m×1.2 m,其余分析参数如表1所示。对比船舶吃水深度和各桥墩水深可知,在建乐城大桥需进行风险论证的桥墩为P8～P10号墩,150客位旅游船和15 m级游艇均可达。

表1 船舶可达性分析

2.4 有限元建模

采用有限元分析软件Midas Civil,按结构实际情况建立乐城大桥主桥模型,如图2所示。桥梁主体采用梁单元模拟,斜拉索采用桁架单元模拟,支座按弹性约束模拟,刚度按支座实际刚度取值,桩侧土压力采用土弹簧模拟,弹簧刚度根据土质参数及“m”法计算得到。荷载考虑了结构自重、汽车、及船撞力的影响。

图2 乐城大桥全桥模型

2.5 抗力计算结果

根据《博鳌乐城先行区乐城大桥工程航道通航条件影响评价报告》,选取最高通航水位6.8 m、平均水位1.98 m和最低通航水位1.02 m三个典型水位,进行桥墩、桩基横、顺桥向的自身抗撞能力计算,结果如表2所示。

表2 桥墩抗力计算结果

3 船撞设防标准确定

3.1 概率—风险分析法

根据抗撞规范提出的船撞桥概率—风险分析方法,为了获得桥梁的船撞设防标准,先需确定目标超越概率Pexc,T,再根据条件Pexc(FD)=Pexc,T,从而确定设防船撞力FD。其中,Pexc(FD)按式(1)和式(2)计算:

(1)

Pi,j(FD)=N(Ci,wj|T)Pclsn(Ci,wj)P[F0

(2)

3.2 分析参数

1) 船舶流量

工程所在水域目前尚未通航,暂无船舶流量。根据《万泉河航运一期工程初步设计》,嘉积码头近期建设规模为2个150客位级游船泊位,远期增建2个150客位游船泊位,设计年运送游客458.8万人次,预计船舶流量约126艘次/d。龙池港码头近期建设规模为1个150客位级游船泊位,远期增建1个150客位游船泊位,设计年运送游客229.4万人次,预计船舶流量约63艘次/d。结合万泉河航运远期规划,嘉积码头4个150客位级游船泊位和龙池港码头2个150客位级游船泊位建成后,总设计年运客量为688.2万人次。按每艘客船150人满员计算,远期日均通过桥区的船舶数量为126艘次。

2) 水流速度

根据《博鳌乐城先行区乐城大桥工程航道通航条件影响评价报告》,桥区航道水流流速介于0.96 m/s～1.56 m/s,水流流向基本沿河道走向,航道横向流速值不大,数值介于0.01 m/s～0.26 m/s,流速分布均匀,流向基本为142°,水流条件基本良好。

3) 船速

150客位游船的上下行典型航速分别为5.14 m/s和5.21 m/s。

3.3 船撞设防标准确定

根据桥区现状、船舶远期流量、船舶航速、流速等资料,采用概率—风险分析法,倒塌风险按10-4控制,确定了各涉水桥墩的设防船撞力和设防代表船型。

构建A、B、C、D四组桥墩自身抗力值,从A组到D组抗力值逐渐增大,相应的年倒塌频率逐渐变小,如图3所示。当P8过渡墩、P9辅助墩、P10主墩的抗力为C组(分别取0.3 MN、0.5 MN、1.8 MN)时,全桥的年倒塌频率恰好接近于可接受风险10-4/年,对应船舶吨位为20 DWT、30 DWT、50 DWT。根据抗撞规范要求,设防代表船型不宜低于航道通航条件影响评价的要求,航评报告提出该桥防撞标准按不小于150座客船设计。因此,乐城大桥的设防代表船型最终定为P8墩按20 DWT设防,P9墩按30 DWT设防,P10主墩按150座客船设防。乐城大桥的设防船撞力为P8墩0.3 MN,P9墩0.5 MN,P10号墩按150客座船重新计算得到设防船撞力为2.7 MN。

图3 倒塌概率随抗力变化趋势

4 防护方案

4.1 抗撞性能验算

乐城大桥全桥的船撞风险由横桥向的船撞风险控制,对比桥墩横桥向自身抗力以及设防船撞力,如表3所示。由表3可知,P8～P10号墩自身抗力均大于设防船撞力,即各涉水桥墩抗撞能力均满足远期船撞需求。

表3 基础自身抗力与设防船撞力对比

4.2 防护方案设计

根据乐城大桥抗撞性能验算结果,其基础的自身抗力均大于设防船撞力,表明桥梁可依靠结构自身抗撞。但需考虑以下3个方面的因素:1) 乐城大桥规划船舶桥区以观光旅游船为主,船舶速度较快,易操控失误撞击桥墩;2) 旅游船舶上的人员数量较多,一旦船舶发生较大损伤导致船舶侧翻等情况,事故后果不堪设想;3) 主墩形状独特,被船舶撞击后,修复难度及费用较大。

因此,建议P10主墩增设柔性防撞设施,以避免主墩局部损坏,同时也可降低碰撞事故中的船舶损伤,实现对桥梁和船舶的双重保护[13]。

纤维增强复合材料由纤维材料和基体树脂组成,具有高强度、耐腐蚀、抗冲击、质量轻等优点,是近年防船撞领域常用的防护材料之一[14-15]。由于乐城大桥自身抗撞能力满足需求,同时纤维增强复合材料具有优异的抗冲击性能,因此,乐城大桥船撞防护方案为:在高水位至低水位间,P10主墩四周布置厚度为60 cm的柔性纤维复合材料防撞护板,如图4所示。防撞护板外壳为纤维增强复合材料,内部填充聚氨酯泡沫,旨在消能和防止内部进水,其船撞力折减效果虽弱于内部添加了缓冲元件的防撞护舷,但成本更低,同时满足本项目防护需求。

图4 防撞护板立面布置

4.3 有效性验证

运用MAS.Patran软件建立防撞装置和桥墩有限元模型,并通过FEMB程序进行船桥碰撞模型前处理,再采用LS-DYNA有限元动力分析软件,对船舶碰撞桥墩和防船撞装置的过程进行了仿真模拟。

1) 模型参数

有限元模型中GFRP复合材料采用*MAT_ELASTIC(*MAT_1),其本构参数如表4所示。主墩混凝土材料采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE(*MAT_111)材料模型,其本构参数如表5所示。

表4 GFRP本构参数

表5 HJC损伤本构参数

2) 边界条件

接触定义:船舶和桥墩与护板、护板与桥墩的接触通过*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE定义,碰撞船舶内部、复合材料护板内部自接触通过*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE分别定义。静摩擦系数取0.3,动摩擦系数取0.2,允许初始穿透。

3) 模型与计算结果

采用实体单元建立P10主墩有限元模型,撞击船舶的计算满载吨位为150 t,计算船舶的撞击速度为3.45 m/s,撞击角度为与桥梁法向成0°角。

计算工况共计2个:(1) 工况1为船撞裸墩;(2) 工况2为船撞带防撞护板的桥墩。工况1和工况2对应的计算模型如图5和图6所示,船舶撞击力变化情况如图7所示,船舶撞深变化情况如图8所示。由图7可知,船舶撞击力最大值为分别为3.59 MN和2.92 MN,折减率18.6%。由图8可知,船头撞深最大值分别为0.32 m和0.21 m,折减率34.3%。结果表明,柔性防撞护板不仅可起到防止桥墩被剐蹭的作用,还能有效折减船撞力和船头撞深,保护游客及船员的人身安全以及船舶、桥梁的财产安全。

图6 船撞防撞护板(工况2)

图7 撞击力变化时程

图8 船头撞深变化时程

5 结论

1) 根据抗撞规范概率-风险分析法计算结果,乐城大桥P8号过渡墩的设防代表船型为20 DWT,P9号辅助墩的设防代表船型为30 DWT,P10主墩的设防代表船型为150客座船。

2) 乐城大桥P8号过渡墩、P9号辅助墩、P10主墩的设防船撞力分别为0.3 MN、0.5 MN、2.7 MN,各涉水桥墩的抗撞性能均满足要求。

3) 针对乐城大桥的船撞防护,提出了柔性复合材料防撞护板方案,根据有限元验证结果,该方案能避免船舶局部剐蹭桥墩,同时有效保护船舶和船上人员的安全。