2024, Vol. 41扩展功能
文章信息
- 王永祥, 李文英, 贾小龙.
- WANG Yong-xiang, LI Wen-ying, JIA Xiao-long
- 既有防撞设施桥梁抗撞性能评估方法及应用
- Evaluation Method and Application for Bridge Anti-collision Performance of Existing Anti-collision Facility
- 公路交通科技, 2024, 41(5): 61-68
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2024, 41(5): 61-68
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2024.05.008
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文章历史
- 收稿日期: 2023-09-28
2. 西安中交土木科技有限公司, 陕西 西安 710075;
3. 极端环境绿色长寿道路工程全国重点实验室, 陕西 西安 710075
2. CCCC Civil Engineering Technology Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710075, China;
3. State Key Laboratory of Green Longevity Road Engineering in Extreme Environment, Xi'an, Shaanxi 710075, China
随着中国现代化进程的不断加快，跨江、跨海大桥逐渐增多。与此同时，船桥矛盾愈加突出，船撞桥事故屡有发生，如南京长江大桥、武汉长江大桥自建成以来已分别遭受28次、70次的船舶撞击。最典型的船撞桥事故是2007年发生于广东省的九江大桥船撞事故，造成桥梁200 m坍塌，8人死亡[1-3]。船撞桥事故因其危害严重、损失惨重、影响恶劣而受到全社会的广泛关注，桥梁预防船舶撞击刻不容缓[4-6]。桥梁加装防撞设施是应对船舶碰撞的有效措施之一[7-8]，中国从20世纪90年代开始[9]，越来越多通航桥梁加装了防撞设施。当前，面对航道升级、船舶大型化等通航条件变化，早期修建的桥梁及其防撞设施的抗撞能力能否满足要求，需进一步技术评估。而如何合理有效地开展抗撞性能评估，准确评价防撞设施防护效果，还存在诸多难点。
刘建成等[10]对桥墩在船桥碰撞中的响应及损伤进行研究，总结了船桥碰撞力、能量转换及桥墩冲击响应的一般规律和特点。阙水杰等[11]建立了不同桥墩有限元模型，从碰撞力、桥墩应力、应变等不同角度分析建模方式对碰撞结果的影响。招启嵩等[12]结合实际通航船舶情况，对某内河航道大桥通航孔桥墩进行抗撞性能分析。朱俊羽等[13]从墩顶位移和桥墩抗力两方面对受撞桥墩的安全性进行评估，提出了防撞建议。可见，现有文献主要针对桥梁结构自身开展冲击响应分析、抗撞性能研究等，而关于有防撞设施桥梁的抗撞性能评估方法研究还相对较少。《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02—2020，以下编号简称)详细介绍了新建桥梁中主体结构的抗船撞设计，对于桥梁抗撞性能评估具有重要参考意义。但该规范部分内容理论性强、技术要求高，缺乏针对性的流程和普适性的指导，技术人员在实际工程中以此为参考开展桥梁抗撞性能评估存在一定困难。
因此，本研究基于现有规范及相关研究成果，结合大量工程项目经验，考虑防撞设施防护效果，建立既有防撞设施桥梁抗撞性能评估的标准化框架流程。以某长江公路大桥为例，按照上述方法进行防撞设施防护效果评价及桥梁抗撞性能评估，为类似工程提供参考。
1 既有防撞设施桥梁抗撞性能评估方法桥梁加装防撞设施后的抗撞性能由桥梁自身及防撞设施二者的抗撞能力综合体现，因此，对于既有防撞设施桥梁，桥梁抗撞性能评估应考虑防撞设施防护效果后综合评估。本研究在现行JTG/T 3360-02—2020规范的基础上，考虑防撞设施防护效果，采用结构性能目标作为评估准则，建立既有防撞设施桥梁抗撞性能评估流程的标准化评估方法。该方法主要内容包括确定抗撞性能标准、确定设防代表船型、船舶撞击力计算及防撞设施防护效果分析，桥墩船撞效应计算及抗撞性能验算。其中抗撞性能验算一般包括抗弯、抗剪、基础整体稳定性和支座性能验算4项内容。桥梁抗撞性能评估方法框架流程如图 1所示。
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| 图 1 桥梁抗撞性能评估方法框架流程 Fig. 1 Framework process of evaluation method for bridge anti-collision performance |
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1.1 确定抗撞性能标准
桥梁抗撞性能标准包含桥梁结构的抗撞性能等级(P1，P2，P3)和桥梁构件的抗撞性能等级(JX1，JX2，JX3)两方面，由船撞重要性等级和船撞作用设防水准两者共同决定。P1(JX1)性能等级为结构长期功能降低的临界状态，P2(JX2)等级为结构部分功能丧失的临界状态，P3(JX3)等级为结构功能完全丧失的临界状态。
1.2 确定设防代表船型通航桥梁目标桥墩的设防代表船型可通过概率-风险分析方法确定。采用概率-风险分析方法确定设防代表船型时，需根据桥梁及航道的几何关系建立数学模型。根据统计数据对桥区水位分布函数、船舶航迹横向分布函数、船舶偏航角分布函数、停船距离分布函数及船舶撞击速度分布函数等进行求解，分布函数的取值应考虑其有界性。该方法依赖于统计数据，因此，数据源丰富的高等级航道应用效果更好。依据JTG/T 3360-02—2020规范，概率-风险分析方法确定设防船撞力FD计算为：
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(1) |
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(2) |
式中，Pexc, T为目标超越概率；Pexc (FD)为撞击力超越设定值FD的概率；Pi, j (FD)为第i个航道第j个吨位的船舶撞击力超越设定值FD的概率；Nc为航道总数目；Jvs为离散船舶吨位数目。得到设防船撞力FD后，进一步计算设防代表船型为：
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(3) |
式中，M为设防代表船型的满载排水量；a为船的撞击力系数，取0.033；η和γ分别为几何尺寸和撞击角度的修正系数；V为船舶撞击速度；CM为附连水质量系数，船艏正撞取0.1~0.3，侧撞取0.5~4.5。
采用概率-风险分析方法计算得出的设防代表船型与通航安全影响论证专题(或海事航道相关部门批复)给定的通航代表船型进行比较，取二者较大值作为桥梁设防代表船型。
1.3 船舶撞击力计算及防撞设施防护效果分析建立桥墩、防撞设施及代表船舶的有限元模型，根据工程具体情况确定计算工况，进行多种典型工况下船舶撞击力计算，对比分析有无防撞设施的计算结果，评价防撞设施的防护效果。
1.4 桥墩船撞效应计算将船舶撞击力时程曲线加载到桥墩上，得到桥墩船撞效应结果。船舶撞击力作用点可结合水位高程、船舶型深、载重状态等参数进行确定。一般情况下，桥墩船撞效应计算应考虑横桥向和顺桥向两个方向。
1.5 抗撞性能验算 1.5.1 抗弯性能验算依据JTG/T 3360-02—2020规范，轴压比小于0.5且剪跨比为1.5以上的钢筋混凝土柱式构件的弯曲变形性能按表 1及图 2规定计算，其他钢筋混凝土柱式构件的弯曲变形性能应进行专门研究。弯曲性能等级界限值为：
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(4) |
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(5) |
| 构件性能等级 | α限值 |
| JX1 | 0 |
| JX2 | 0.4 |
| JX3 | 0.6 |
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| 图 2 钢筋混凝土构件弯矩-转角关系 Fig. 2 Relation between bending moment and rotation angle of reinforced concrete components |
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式中，θd为构件的性能等级界限值；θy为构件塑性铰区的等效屈服转角；K为构件极限塑性转角安全系数，取1.5；α为构件性能等级系数，取值见表 1；θpu为构件塑性铰区的极限塑性转角；ϕu和ϕy分别为塑性铰区极限曲率和屈服曲率；Lp为塑性铰区长度。
图 2中，a为截面等效屈服点；b为极限变形点；1，2，3分别对应构件的性能等级1，2，3；My为构件截面等效屈服弯矩；Mu为构件截面极限弯矩；θy为构件塑性铰区的等效屈服转角；θu为构件塑性铰区极限转角。
1.5.2 抗剪性能验算钢筋和钢骨混凝土构件的抗剪承载力为：
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(6) |
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(7) |
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(8) |
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(9) |
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(10) |
式中，Vyd，Vcd，Vwd，Vsd分别为构件、混凝土部分、箍筋部分、钢骨部分的抗剪承载力设计值；ϕs为抗剪冲击效应折减系数，取0.7；υc为混凝土剪切强度；Ag为横截面的毛截面面积；ng为圆形截面独立的箍筋环数量；Asp为同一截面上螺旋或环形箍筋的总截面积；fyh和fyw分别为箍筋和钢骨的屈服强度设计值；Lg为箍筋环中心线量取的箍筋环直径；s为箍筋间距；Av为加载方向同一截面上箍筋的总截面积；dj为加载方向上截面有效剪切高度；th和tw分别表示钢骨腹板高度和厚度。式(8)用于圆形截面，式(9)用于矩形截面。
1.5.3 基础稳定性验算桩基础是桥梁的重要组成部分，在抗撞性能验算中，桩基础的整体稳定性按表 2所示的规定进行计算，分为JX1，JX2，JX3共3个性能等级，一般情况下，可根据桩基屈服情况进行判定。
| 性能等级 | 界限值 | 性能描述 |
| JX1 | 一根桩屈服对应的承台质心处的位移 | 碰撞后桩基础正常工作 |
| JX2 | 半数以上的桩基础达到性能等级2的上限时承台质心处的位移 | 主要功能不受影响，无需大修即可继续使用 |
| JX3 | 性能等级2界限值的1.5倍 | 需维修加固 |
1.5.4 支座性能验算
对于设置有支座的桥墩，支座的抗撞性能指标按表 3所示的规定进行计算。一般情况下，支座破坏后无法修复，需及时更换，因此，支座仅有JX1和JX2两个性能等级。JX1性能等级下，板式支座需验算位移和静摩擦力，盆式支座滑动方向验算位移，固定方向验算水平承载力。JX2性能等级下，需考虑落梁风险，验算梁与盖梁之间的搁置长度。
| 性能等级 | 设计准则 | 性能描述 |
| JX1 | 板式支座：ΔR≤Δ0，FR≤Fdf 盆式支座：滑动方向ΔR≤Δmax， 固定方向FR≤Fmax |
支座保持正常功能 |
| JX2 | 验算梁与盖梁之间的搁置长度 | 支座发生破坏但不发生落梁，需更换 |
表 3中，ΔR为永久作用与船撞作用产生的水平位移之和；Δ0为橡胶层总厚度；Δmax为支座容许的最大滑动水平位移；FR为包括船撞作用偶然组合下的支座水平力设计值；Fdf为支座静摩擦力；Fmax为支座水平承载力设计值。
2 工程案例分析 2.1 工程概况工程桥梁全长为2 580.08 m，主桥长为1 060 m，为(162.5+3×245.0+162.5) m的5跨预应力混凝土连续刚构桥。主墩均为双壁式墩，双壁中心距为10.5 m，墩身单壁为3×10 m矩形断面，基础采用16根ϕ3 m的钻孔灌注桩。桥梁原设计代表船型为5 000吨级船舶和3.2万吨级船队，现状区段代表船型为15 000吨级船舶和4.8万吨级船队。大桥2#~5#墩安装了水上浮式消能防撞设施(见图 3)。其中3#墩防撞设施型长为30.44 m，型宽为21.7 m，型深为4.0 m，吃水为2.0 m。以大桥3#主墩为例，采用本研究方法进行防撞设施防护效果评价及桥梁抗撞性能评估。
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| 图 3 浮式消能防撞设施一般构造 Fig. 3 General construction of floating anti-collision facility |
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2.2 确定抗撞性能标准
工程桥梁属特大桥，所在线路为2级公路，根据JTG/T 3360-02—2020规范，其船撞重要性等级取C1，采用L1和L2两水准设防，桥梁结构的抗船撞性能等级为P1，桥梁构件的抗船撞性能等级均为JX1。
2.3 确定设防代表船型根据式(1)~(3)，采用Matlab软件建立计算程序，进行设防代表船型求解。图 4为3#主墩船撞风险变化曲线，该桥墩设防船撞力FD为7.75×104 kN，与之对应的设防代表船型吨位为10 178 t。而该桥梁所在航道现状区段通航代表船型为15 000吨级船舶，故确定15 000吨级内河船为其设防代表船型。
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| 图 4 船撞风险变化曲线 Fig. 4 Variation curve of ship collision risk |
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2.4 船舶撞击力计算及防撞设施防护效果分析 2.4.1 建立有限元模型
采用ANSYS/LS-DYNA软件建立桥墩、防撞设施及代表船型有限元模型。建模过程中，防撞设施外板、底板、甲板、舱壁、钢护舷、船舶船艏、船身、甲板、舱壁等板材采用shell163板单元模拟。防撞设施水平桁、扶强材及船舶龙骨等采用beam161梁单元模拟，防撞设施各类橡胶护舷采用solid164实体单元模拟。钢材采用MAT024号材料模型，橡胶材料采用MAT027号材料模型[14-15]。防撞设施、船舶分别采用关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE建立自接触；护舷与防撞设施主体之间采用关键字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE建立连接；船舶与防撞设施之间采用关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE建立自动接触。桥墩桩底固定约束，船舶前进方向施加初始速度。有限元网格最小尺寸为2 cm，最大尺寸为50 cm。
2.4.2 计算工况依据JTG/T 3360-02—2020规范，选取正撞及侧撞情形，分别进行船舶撞击桥墩及防撞设施的对比分析，计算工况如表 4所示。
| 计算工况 | 碰撞对象 | 船舶吨级/t | 撞击速度/(m·s―1) | 撞击角度/(°) |
| 工况1 | 3#主墩 | 15 000 | 5.98 | 0 |
| 工况2 | 3#主墩 | 15 000 | 5.98 | 30 |
| 工况3 | 3#主墩防撞设施 | 15 000 | 5.98 | 0 |
| 工况4 | 3#主墩防撞设施 | 15 000 | 5.98 | 30 |
2.4.3 船舶撞击力计算
为更好观察整个动力时程分析过程，船舶撞击桥墩模型求解时间设置为2.5 s，船舶撞击防撞设施求解时间设置为4 s。在计算过程中，采用关键字*CONTROL_HOURGLASS进行沙漏控制，沙漏能控制在系统总能量的5%以内。采用*CONTROL TIMESTEP关键字控制时间步长，最小时间步长为3.32×10―6 s。对不同计算工况进行有限元分析，结果如图 5所示。
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| 图 5 不同工况计算结果 Fig. 5 Calculation results under different conditions |
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由图 5计算结果可以看出，船舶撞击桥墩过程中，主要靠船艏变形吸收能量，船舶撞击力峰值较大，撞击时间较短。工况1船舶撞击力峰值为9.56×104 kN，峰值出现在0.8 s，工况2船舶撞击力峰值为4.65×104 kN，峰值出现在0.7 s。船舶撞击防撞设施过程中，防撞设施变形耗能，相比船舶撞击桥墩，船舶撞击力峰值具有明显的衰减，撞击时间延长。工况3船舶撞击力峰值为5.05×104 kN，峰值出现在2.9 s，工况4船舶撞击力峰值为2.25×104 kN，峰值出现在2.7 s。
2.4.4 防撞设施防护效果分析提取有限元计算结果进行对比分析(见表 5)。由表 5可以看出，在本研究计算工况下，防撞设施较好地发挥了耗能缓冲防护效果。对比工况1和工况3，防撞设施应对代表船舶正面撞击时，撞击力峰值削减率为47.2%。对比工况2及工况4，防撞设施应对代表船舶侧面撞击时，撞击力峰值削减率为51.6%。同时，增加防撞设施后，船舶撞击作用时间有效延长，撞击力峰值滞后。
| 船舶撞击桥墩 | 船舶撞击防撞设施 | 峰值削减率/% | |||
| 计算工况 | 计算结果/(×104 kN) | 计算工况 | 计算结果/(×104 kN) | ||
| 工况1 | 9.56 | 工况3 | 5.05 | 47.2 | |
| 工况2 | 4.65 | 工况4 | 2.25 | 51.6 | |
2.5 桥墩船撞效应计算
采用MIDAS/CIVIL软件建立桥梁模型，主梁和桥墩均采用梁单元模拟，嵌岩桩桩底固结[16-17]，采用m法计算得到地基土弹簧刚度，桩身施加节点弹性支撑以模拟桩土之间相互作用[18]。
将2.4.3节的船舶撞击力时程曲线分别加载到3#主墩上，进行船撞效应分析，计算结果见表 6。由表 6可见，增加防撞设施后，桥墩船撞效应明显降低，主要表现在桥墩的弯矩及剪力减小。轴力主要受自重影响，则无明显变化。
| 防护情况 | 构件名称 | 计算方向 | 计算轴力/kN | 计算弯矩/(kN·m) | 计算剪力/kN |
| 无防撞设施 | 墩身 | 横桥向 | 110 911 | 1 459 546 | 68 464 |
| 顺桥向 | 125 703 | 346 633 | 26 132 | ||
| 桩基 | 横桥向 | 95 325 | 25 042 | 8 231 | |
| 顺桥向 | 36 571 | 4 965 | 2 153 | ||
| 有防撞设施 | 墩身 | 横桥向 | 110 911 | 865 352 | 38 288 |
| 顺桥向 | 113 246 | 178 301 | 12 397 | ||
| 桩基 | 横桥向 | 65 713 | 14 256 | 4 601 | |
| 顺桥向 | 31 530 | 2 436 | 932 |
2.6 抗撞性能验算 2.6.1 抗弯性能验算
桥梁构件的抗船撞性能等级均为JX1，因此，桥墩墩身和桩基在船撞作用下的截面计算弯矩应小于截面等效屈服弯矩。根据桥墩一般构造图，利用Xtract软件建立桥墩构件截面模型进行截面抗弯特性计算。桥墩抗弯性能验算结果见表 7。
| 防护情况 | 构件名称 | 计算方向 | 计算弯矩/(kN·m) | 截面等效屈服弯矩/(kN·m) | 抗弯性能判定结果 | 安全系数 |
| 无防撞设施 | 墩身 | 横桥向 | 1 459 546 | 1 610 000 | 满足 | 1.1 |
| 顺桥向 | 346 633 | 544 300 | 满足 | 1.6 | ||
| 桩基 | 横桥向 | 25 042 | 40 500 | 满足 | 1.6 | |
| 顺桥向 | 4 965 | 49 810 | 满足 | 10 | ||
| 有防撞设施 | 墩身 | 横桥向 | 865 352 | 1 610 000 | 满足 | 1.9 |
| 顺桥向 | 178 301 | 532 200 | 满足 | 3.0 | ||
| 桩基 | 横桥向 | 14 256 | 51 700 | 满足 | 3.6 | |
| 顺桥向 | 2 436 | 47 250 | 满足 | 19.4 |
由表 7可见，有无防撞设施防护时，3#主墩墩身和桩基在横桥向、顺桥向船舶撞击力作用下所承受弯矩均小于桥墩构件截面等效屈服弯矩，桥墩抗弯性能满足要求。增加防撞设施后，桥墩抗弯性能安全系数有较明显的提升，其中墩身横桥向抗弯性能安全系数可由1.1提升至1.6。
2.6.2 抗剪性能验算根据式(6)~ (10)可得3#主墩抗剪性能验算结果(见表 8)。由表 8可见，无防撞设施时，3#主墩墩身及桩基在横桥向船舶撞击力作用下所承受剪力均大于自身抗剪承载力设计值，抗剪性能不满足要求。有防撞设施时，3#主墩墩身和桩基在横桥向、顺桥向船舶撞击力作用下所承受剪力均小于桥墩自身抗剪承载力设计值，桥墩抗剪性能满足要求。增加防撞设施后，桥墩抗剪性能安全系数有较明显提升，其中墩身横桥向抗剪性能安全系数可由0.6提升至1.1，桩基横桥向抗剪性能安全系数可由0.9提升至1.5。
| 防护情况 | 构件名称 | 计算方向 | 截面计算剪力/kN | 构件抗剪承载力设计值/kN | 抗剪性能判定结果 | 安全系数 |
| 无防撞设施 | 墩身 | 横桥向 | 68 464 | 41 064.5 | 不满足 | 0.6 |
| 顺桥向 | 26 132 | 36 017.5 | 满足 | 1.4 | ||
| 桩基 | 横桥向 | 8 231 | 7 064.6 | 不满足 | 0.9 | |
| 顺桥向 | 2 153 | 7 064.6 | 满足 | 3.3 | ||
| 有防撞设施 | 墩身 | 横桥向 | 38 288 | 41 064.5 | 满足 | 1.1 |
| 顺桥向 | 12 397 | 36 017.5 | 满足 | 2.9 | ||
| 桩基 | 横桥向 | 4 601 | 7 064.6 | 满足 | 1.5 | |
| 顺桥向 | 932 | 7 064.6 | 满足 | 7.6 |
无防撞设施时，桥墩抗剪性能不足，这是因为在船舶大型化趋势下，桥区航段设防代表船型发生了变化，由5 000吨级提升到了15 000吨级。
2.6.3 桩基础稳定性验算根据本研究桩基船撞效应计算结果及桩基抗弯性能验算结果可知，有无防撞设施防护时，3#主墩在横桥向、顺桥向船舶撞击力作用下，桩基处于弹性状态，满足桩基础整体稳定性JX1级性能等级要求。
2.6.4 验算结果综合抗弯、抗剪及桩基础稳定性验算结果可知，工程桥梁3#主墩在15 000吨级代表船舶5.98 m/s速度撞击下，不考虑防撞设施防护效果时，桥墩抗撞性能不满足JX1性能等级要求。考虑防撞设施防护效果时，桥墩抗撞性能可满足JX1性能等级要求。
3 结论本研究基于现有规范及相关研究成果，对桥梁抗撞性能评估方法流程进行研究，建立了既有防撞设施桥梁抗撞性能评估方法的标准化框架流程。以某长江公路大桥为例，按照上述方法进行了防撞设施防护效果评价及桥梁抗撞性能评估。
(1) 典型计算工况下，桥墩防撞设施较好地发挥了耗能缓冲防护效果，延长了撞击时间，削减了船舶撞击力，船舶正撞时撞击力峰值削减率为47.2%，船舶侧撞时撞击力峰值削减率为51.6%。
(2) 不考虑防撞设施防护效果时，桥墩抗撞性能不满足要求，主要表现为墩身及桩基横桥向抗剪不足。考虑防撞设施防护效果时，桥墩抗撞性能得到改善，其中墩身横桥向抗剪性能安全系数可由0.6提升至1.1，桩基横桥向抗剪性能安全系数可由0.9提升至1.5。
(3) 既有防撞设施桥梁抗撞性能评估方法的标准化框架流程系统全面，可用于已建桥梁防撞设施评价及抗撞性能评估。
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