乌江某斜拉桥抗撞性能验算及应对措施

摘要 近年来，船舶撞击桥梁事故频发，桥梁抗撞性能在设计阶段考虑甚少，为保证航运安全，文章针对20年以上桥龄的航道桥，对其抗撞安全性能进行评估。首先运用MidasCivil有限元软件建立了计算模型；然后根据相关规范要求，结合通航情况，对乌江某斜拉桥主桥桥墩进行了抗撞性能验算，结果发现交界墩在预定的1000t船舶撞击力作用下的强度不满足规范要求；最后根据验算结果提出了相应的应对措施，建议设置防撞钢套箱等措施保障桥梁运营安全。

关键词 船舶撞击力；抗撞性能；抗撞措施；安全评价；抗撞性验算

中图分类号 U443.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2025）02-0069-03

0 引言

近年来，我国桥梁建设迅猛发展，桥梁数量、里程数增长迅速。随着改革开放的不断深入，经济大发展下的航运事业日益发达，通航船舶吨位等级明显增加，船舶撞击航道桥梁的风险逐步提高。据了解，船撞桥事故频繁发生。据不完全统计，我国黑龙江、长江、珠江三大水系干流上发生的船撞事故已达300余起[1-2]。事故的发生给桥梁安全带来严重威胁，并造成巨大经济损失。因此，开展通航桥梁的抗船撞性能评估，并采取相应预防措施，保障桥梁运营及船舶通航安全十分必要[3]。

2002年陈国虞等[4]经过大量的缩小比例的模型试验以及仿真模拟，首次提出了柔性消能防撞装置，该装置可利用黏滞性高性能防撞元件实现动能转化为内能，不仅能够保护桥梁及船舶，而且防撞装置还能够重复使用；刘建成和胡志强等[5-6]通过对船撞桥过程中的构件损伤进行研究，总结了桥梁及防撞设施构件的损伤模式及其吸收能量的能力；2014年刘伟庆等[7]通过对润扬长江公路大桥进行船撞模拟分析，设计了复合材料防撞系统，该设施变形能力大、缓冲吸能效果好，可以同时减轻桥墩与船舶的损伤。该文以乌江某悬索桥为研究对象，采用MidasCivil软件计算桥墩抗撞承载力，从桥墩抗撞及变形能力验算结构的抗撞性能，并提出相应的防撞措施。

1 工程概况

乌江某桥主桥为155 m+155 m独塔双索面斜拉桥，引桥为3×40 m现浇箱梁，桥梁全长432.31 m。桥梁于2009年8月27日正式开工建设，2012年底建成通车。规划航道等级为Ⅲ级，通航代表船型为1 000 t级货船。

根据《公路桥梁抗撞设计规范》（JTG/T 3360-02—2020）规定，该桥属三级公路上的特大桥，其抗撞重要性等级为C2。该桥采用两水准船撞作用设计。船撞作用设防水准L1下的设防目标为P1，在设防水准L2下的设防目标为P2；该桥桥梁构件（包括柱式构件、支座及桩基础）在设防目标P1下的构件性能等级为JX1，在设防目标P2下的构件性能等级为JX2；该桥抗撞性验算对象为涉水桥墩3号交界墩及桩基础、涉水4号主塔下塔柱及桩基础、交界墩支座、5号桥台支座。

主桥主梁为双向预应力混凝土结构，采用C55混凝土。箱梁为双向（纵向及横向）预应力混凝土结构，采用C50混凝土。斜拉索采用无黏结钢绞线斜拉索，索体由多股无黏结高强度低松弛的镀锌钢绞线组成，全桥共有15-31、15-37、15-43、15-55四种规格的斜拉索，标准索距为8 m，最长索166.7 m，外层为HDPE护套。下塔柱采用实心矩形断面，下塔柱断面尺寸由5.0 m（顺桥向）×3.108 m（横桥向）向下渐变至5.0 m（顺桥向）×5.4 m（横桥向）。索塔（含索塔上塔柱、中塔柱、下塔柱及横梁）采用C50混凝土。索塔基础采用C30混凝土，由直径2.5 m×12的钻孔群桩、22.5 m×14.5 m×5.0 m的承台、塔座组成。3号墩（即交界墩）采用门型框架结构，墩顶设盖梁。墩身采用双柱式矩形截面实心墩，截面尺寸为3 m×3 m。引桥桥墩、交界墩墩身及支座垫石均采用C40混凝土。5号桥台采用重力式混凝土桥台。桥台及搭板均采用C30混凝土。引桥及主桥桥墩均采用承台桩基础。主、引桥承台、塔座及扩大基础均采用C30混凝土。桩基础采用直径为2.5 m的C30水下钢筋混凝土桩。普通钢筋采用R235钢筋（公称直径＜12 mm）、HRB335（32 mm≥公称直径≥12 mm）和HRB400（公称直径32 mm）。

2 抗撞性能验算

2.1 有限元验算准则

根据《公路桥梁抗撞设计规范》相关规定，抗船撞性能验算需要满足如下公式：

式中，——桥梁构件的抗船撞性能；——桥梁构件在考虑船撞作用的偶然组合下作用效应设计值；——桥梁结构永久作用标准值；——设防船撞力；——水流、波浪压力标准值；——汽车荷载准永久值。

荷载取值如下：

（1）永久荷载包括桥梁混凝土结构自重、二期恒载、预应力荷载。自重选取26 kN/m3。二期恒载包括桥面铺装、人行道系、检修系统等。预应力荷载包括引桥箱梁、主桥主梁预应力荷载值。

（2）设防船撞力：乌江某桥设防代表船型选用1 000 t级货船，尺寸为63 m（船长）×11 m（船宽）×2.3 m（吃水）。各工况下设防船撞力的计算结果如表1所示：

设防船撞力作用点选取水面以上2.0 m处。

（3）流水压力的最高通航水位及最低通航水位作用于桥墩上的流水压力标准值，如表2所示：

该桥抗船撞性能采用偶然组合，取1.0×恒载＋0.4×汽车荷载＋1.0×船舶撞击作用。

2.2 抗船撞验算方法

《公路桥梁抗撞设计规范》要求墩柱轴压比小于0.5、墩柱剪跨比大于1.5，此时可采用规范中墩柱抗船撞性能等级判断方法——理想弹塑性弯矩-转角关系描述（M−θ曲线）。

经过计算，交界墩的最大轴压比位于墩底位置，为0.22；主塔的最大轴压比位于中塔柱位置，为0.95，均满足轴压比小于0.5的要求。仅计算高水位船舶横向撞击交界墩、主塔的工况。交界墩的最小剪跨比位于墩底以上6 m左右，为0.08；主塔的最小剪跨比位于塔底以上16 m左右，为0.14，均不满足墩柱剪跨比大于1.5的要求。因此，不可采用《公路桥梁抗撞设计规范》墩柱抗船撞性能等级的判断方法。然而，结合抗船撞性能等级判定方法中不同等级对应的构件所处的力学阶段，参照《公路桥梁抗震设计规范》、《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）相关规定，进行交界墩及主塔的抗撞性能验算，可知构件均属于偏心受压构件。因此，分别进行构件的正截面抗压验算及斜截面抗剪验算，并判定墩柱的抗船撞性能等级。

2.3 主塔、交界墩抗撞性验算

2.3.1 正截面抗压性能验算

根据Midas Civil计算构件在不同工况下的轴力及承载能力值，具体结果见表3所示：

2.3.2 斜截面抗剪性能验算

根据Midas Civil计算构件在不同工况下的轴力及承载能力值，具体结果见表4所示。

主塔下塔柱在低水位—横桥向撞击作用下，下塔柱顶部最不利，最小安全系数1.63gt;1.0，正截面抗压满足要求。主塔下塔柱“构造验算”均满足规范要求，可不进行构件斜截面的抗剪承载力验算，斜截面抗剪满足要求。主塔截面或材料未达屈服状态，仍处于线弹性阶段。在船撞作用下，主塔抗船撞性能等级为JX1。同理可得，主塔桩基础抗撞性能等级也为JX1。交界墩立柱正截面抗压与桩基础斜截面抗剪验算的安全系数小于1，抗撞性能不能满足要求。

2.4 支座性能等级判定

主桥上部结构与主塔固结，在交界墩、桥台处均采用QZ7000SX±150球形钢支座；引桥上部结构在1号墩及2号墩处采用墩梁固结，在桥台及交界墩处均采用QZ8000SX±150球形钢支座。

由Midas Civil计算主桥、引桥支座位移及反力，其计算结果汇总见表5所示。

由计算结果可知，主桥、引桥支座横桥向位移及顺桥向位移均满足，最大支座反力均满足，即支座性能等级为JX1。

2.5 抗船撞性能等级判定

乌江某桥各构件性能等级的判定结论汇总，如表6所示：

综上，乌江某桥主塔及主塔桩基础均满足规范要求的抗撞性能；支座满足规范要求的抗撞性能；而交界墩立柱及交界墩桩基础均不满足规范要求的抗撞性能。

3 抗撞应对措施

（1）交界墩及桩基础抗撞性能不满足规范要求，应增设结构性防撞设施，提升抗船撞性能，而结构性防撞设施应首先满足抗撞性能需求。另外，交界墩紧邻河堤，水位较低，为防撞设施的安装创造了便利条件。鉴于此，交界墩防撞设施建议增设附着式防撞钢套箱。

（2）主塔及桩基础抗撞性能虽满足规范要求，但根据《公路桥梁抗撞设计规范》规定：本体已具有整体抗撞能力的桥梁，可采用局部防船撞设施对可能撞损的部位进行局部防护。考虑其局部防撞设施的选择应突出经济性因素。另外，主塔位于河道中央，水位较高，防撞设施的选择应充分考虑施工便利性的因素。综合以上情况，建议在主塔承台增设附着式橡胶护舷，塔柱增设漂浮型橡胶护舷。

4 结语

根据《公路桥梁抗撞设计规范》定义下的船舶撞击力，经验算，该桥在1 000 t船舶撞击力作用下，桥梁主塔立柱及桩基础均满足抗船撞性能要求，而交界墩立柱及桩基础的抗撞性能均不满足要求。

根据验算结果，该文提出了防撞措施的建议。主塔采用的防撞设施为橡胶护舷，而交界墩采取增设附着式防撞钢套箱的防撞措施加以保护。

参考文献

[1]杜旭升.船桥碰撞力学问题研究进展综述[J].黑龙江交通科技， 2007（3）：87-89.

[2]戴彤宇，聂武.船撞桥事故综述[J].黑龙江交通科技， 2003（2）：1-3.

[3]朱海涛，陈国虞，倪步友.我国桥梁防船撞的回顾和展望[C].中国公路学会桥梁和结构工程分会2013年年会暨全国桥梁学术会议.中国公路学会桥梁和结构工程分会.2013：136-142.

[4]陈国虞，王礼立，杨黎明，等.桥梁防撞理论和防撞装置设计[M].北京：人民交通出版社， 2013.

[5]刘建成，顾永宁，胡志强，等.桥墩在船桥碰撞中的响应及损伤分析[J].公路， 2002（10）：33-41.

[6]胡志强，顾永宁，高震，等.基于非线性数值模拟的船桥碰撞力快速估算[J].工程力学， 2005（3）：235-240.

[7]刘伟庆，方海，祝露，等.润扬长江公路大桥船撞数值模拟与复合材料防撞系统设计[J].玻璃钢/复合材料， 2014（12）：5-12.