万博体育足球上海内河跨航道桥梁防撞墩标准化

来源:未知 作者:万博体育足球 日期:2018-11-21 03:06

  增设防撞墩是减轻内河跨航道桥梁安全隐患和提高桥梁防撞能力的一个主要工程措施。为批量解决内河跨航道桥梁的防撞设计问题,本文结合桥梁防撞标准,对防撞墩的标准化进行探讨和分析,提供标准化思路和相关设计成果,供相关工程参考。

  上海市内河航道“船舶大型化”的现象已经比较普遍;2008年通航船舶平均载重吨位仅276吨,2015年达到559吨,比2014年增大61吨,是2008年的2倍以上,充分显示了船舶大型化的发展趋势。上海市内河航道总里程近2100公里,全市内河航道上现有跨河设施(含桥梁、管线余座(条),其中跨河桥梁3100余座,平均560米1座,桥梁分布较为密集。除“一环十射”高等级航道外,本市内河航道等级仍基本维持1997年技术定级,航道等级普遍偏低。鉴于航道、桥梁等设施自身条件落后的现状和船舶大型化趋势,跨航道桥梁的水上安全形势将越来越严峻,有必要采取一系列措施消除或减轻其水上安全隐患;其中增设防撞墩是减轻桥梁安全隐患和提高桥梁防撞能力的一个主要工程措施。

  为有效提高上海内河航道的通航安全能力,需要批量解决跨航道桥梁的防撞问题,除少量通航水域较为宽阔的大桥外,如采取“一桥一专题”的设计工作方法,则设计工作量巨大,项目前期和设计周期也较长,难以满足上海市提出的尽早消除或减轻桥梁水上安全隐患的需求。对内河跨航道桥梁的防撞工程进行批量设计,将面对不同的桥梁设计条件,如何化繁为简,提出可靠的桥梁防撞方案,是迫切需要解决的问题。本文另辟蹊径,对桥梁防撞设施(主要是防撞墩)的标准化进行分析,提出标准化思路和相关设计成果,供相关工程设计参考。

  内河跨航道桥梁的防撞设施方案要考虑的因素和限制条件很多,要求防撞设施结构规模不能太大、不能明显占用通航水域、不能明显影响河道过水条件、不能影响地上地下管线的安全,还需要具备施工条件。根据作者对上海内河跨航道桥梁防撞方案的研究成果,适合上海内河跨航道桥梁的防撞设施主要有两种类型:

  1、固定或浮式防撞装置。适合水域宽阔的高等级航道大型桥梁防撞,需要利用桥梁自身的抗撞能力,属于直接式防撞设施。

  2、桩基防撞墩。适合水域狭窄的内河跨航道桥梁防撞,属于分离式防撞设施,正撞的情况,桥梁不直接承受船撞力。可以考虑在防撞墩迎撞面设置小规格缓冲材料。

  如上述两种类型防撞设施不具有施工条件,一般采用小规格缓冲材料对桥墩进行防护[1](承台端部、侧面和立柱),对于与黄浦江直接连通的支流桥梁,也可考虑采用防护桩,一般难以起到防撞作用,万博体育足球其防撞需要结合其他工程措施和管理手段,如设置警示标志标牌等等,提醒船舶驾驶人员通过桥梁时注意航向、航速,以顺利通过桥梁通航孔。

  固定或浮式防撞装置采用的材料主要有钢材、柔性复合材料等,缓冲材料主要有木材、橡胶护舷和柔性复合材料。从目前的民用材料技术发展来看,固定或浮式防撞装置和缓冲材料优先考虑柔性复合材料,目前市场上已有应用的柔性复合材料主要由纤维复合材料外面层壳体、腹板增强纤维复合材料空间格构体和增强聚氨酯弹性填充材料体组成。从工程设计和应用的角度来讲,柔性复合材料属于定制产品,其结构设计和安装均由厂家负责。对于小规格缓冲复合材料,总体设计方仅需提出桥墩防护范围和相关要求即可。固定或浮式复合材料防撞装置的应用则需“一桥一专题”,主要是因为需要利用桥梁自身的抗撞能力,跟桥梁自身的结构有关系,涉及复杂的动态有限元计算分析。

  根据上述分析,适合上海内河跨航道桥梁的防撞方案相对较少,其中固定或浮式防撞装置设计需要利用桥梁自身的抗撞能力,需要“一桥一专题”进行研究,难以脱离桥梁予以标准化设计。除水域较为宽阔的跨航道大桥(如黄浦江)外,其他内河跨航道桥梁的自身结构抗撞能力一般较弱,如增设桩基防撞墩,可考虑船舶正面撞击后不继续撞击桥墩,船舶正面撞击能量均由防撞墩承受。基于此,桩基防撞墩则可以脱离桥梁进行标准化设计,主要考虑因素如下:

  1、内河航道代表船型、正常航行速度与航道等级相对应,每一等级航道所有上跨桥梁对应同一防撞标准,其中航道代表船型需结合实际考虑船舶大型化的发展趋势,适当的提高船舶等级。上海市内河航道最高等级为Ⅲ级,最低等级为Ⅶ级,Ⅶ级以下为等外级;根据上海市地方标准《内河航道工程设计规范》(DG/TJ08-2116-2012),水中桥墩防撞设计的设计最高航速最小值为15km/h(Ⅱ~Ⅴ级航道)和12km/h(Ⅵ~Ⅶ级航道)[2];每一等级航道均有代表船型,除上海市内河除黄浦江上游段(分水龙王庙~巨潮港)外,代表船型最大吨级为1000t(对应Ⅲ级航道)、最小吨级为100t(对应Ⅵ级航道)。

  桥梁防撞标准包括代表船舶吨级、撞击速度,同一等级航道上的上跨桥梁的防撞标准是一致的;对于上海市内河航道(除黄浦江上游段外),Ⅲ~Ⅵ级航道分别对应一种或两种规格桩基防撞墩,从设计的角度来讲,每一等级航道的桩基防撞墩规格是可以“定制”的。

  2、船撞数值计算较为繁琐复杂,耗时耗力,如“标准化”每一等级航道的桩基防撞墩规格,万博体育足球,将大大提高设计工作的效率。从工程设计的角度来讲,规范提供的船舶撞击力半经验公式一般用来防撞设施的方案设计,以初步确定结构规模,在此基础上,万博体育足球应采用数值计算法(采用通用有限元软件AQABUS、ANSYS等)进一步核实船撞力大小,根据数值模拟计算结果进一步调整结构方案,直至防撞设施方案满足设计要求。其中数值计算法耗时耗力,会影响设计工作的正常进度,如通过数值计算法“标准化”每一等级航道的桩基防撞墩规格,类似项目就可直接采用已有成果,不需重复计算,从而大大提高了设计工作效率。

  某内河桥梁防撞工程所属航道等级为Ⅲ级,根据上海市地方标准《内河航道工程设计规范》(DG/TJ08-2116-2012),该桥梁防撞标准为:90TEU集装箱自航驳、撞击速度4.2m/s。防撞代表船型参数如下表:

  为尽量减小单座防撞墩的规格尺寸,避免过多的占用河道面积,根据已有工程案例和经验,防撞墩在防撞标准作用下(满载正撞)允许被撞坏,但要求船舶撞击速度减小至零或反弹回去,从而确保船舶不继续撞击桥墩。

  如图4.2-1所示,防撞墩宽5.0m、长7.6m,墩台顶标高取4.8m,墩台厚度取2.9m;墩台迎撞面采用弧形尖头设计,便于拨转船头;下部桩基由5根Ø1000mm钢管桩组成。防撞墩迎撞面设置复合防护材料,使船舶撞击面相对柔软,一定程度上减小撞击面的破坏程度,延缓撞击时间和减小撞击力。

  如图4.2-2所示,与方案A1相比,主要区别在于方案A2桩基采用灌注桩,直径取1.2m。防撞墩宽5.9m、长8.9m。

  A型防撞墩两个方案技术上均可行,主要区别在于桩基类型不同。A1型防撞墩规格尺寸相对较小,撞坏后钢管桩可以拔除,不会形成地下障碍物;但沉桩比较困难,传统的专业沉桩船无法进场,履带吊(陆上或船载)+震动锤的沉桩深度有限;目前较为成功的沉桩方法为双拼平板驳+陆上打桩机,该方法一次沉桩长度15m左右,需要水上接桩和多次接桩,但双拼平板驳占用的河道水域较多,对通航安全影响较大(可能需要封航),沉桩过程中的持续震动对附近建筑物有一定影响,且要求沉桩水域上空的架空管线高度满足打桩机富裕空间要求。

  A2型防撞墩规格尺寸略大,撞坏后灌注桩难以拔除,一般水下泥面切割处理,会形成地下障碍物,但灌注桩成桩工艺对施工设备要求较低,对通航环境影响也小,相对来讲,成桩更具有可行性。

  现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)关于船舶对桥墩撞击力的规定中,没有1000吨级船舶撞击力经验数据列表,撞击力大小可采用规范中关于漂浮物的撞击作用计算公式:

  根据计算公式,船舶对桥墩撞击力计算结果影响较大的参数是撞击时间,结合规范取值及后文有限元动态模拟计算结果,取1.0~2.0s。经计算,船舶撞击力约为4264~8528kN。

  《铁路桥涵设计基本规范》(TB100002.1-2005)关于承台承受船舶及排筏撞击力计算公式,如下:

  式中,γ — 动能折减系数,当船舶或排筏斜向撞击墩台时可取0.2,正向撞击时可取0.3;

  α — 撞击点处切线所成的夹角,应根据具体情况确定,如有困难,可取α=20°;

  C1、C2 — 船只或排筏的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数,缺乏资料时可假定C1+C2=0.0005m/kN。

  根据计算公式及上述取值,船舶对桥墩正向、斜向撞击力分别约为2726kN、1818kN。

  根据上述两本规范计算出的船舶撞击力大小,差异很大,撞击力取值是一大难点。根据本次桥梁防撞设计理念,防撞墩在撞击力作用下(满载正撞)允许被撞坏,采用静力方法是无法解决其结构计算问题,需采用有限元动态模拟方法。规范方法计算出的撞击力值可作为验证模型的参考。

  (1)船型:90TEU集装箱自航驳,满载排水量为1992t,附连水系数取0.05;

  撞击船由船艏和船身两部分组成,均采用shell163壳单元模拟。船艏是主要撞击区域,其有限元模型包括外板、各层甲板、横向舱壁等细部构件。撞击过程中船身并不发生变形,仅对撞击船的刚度和质量有影响,将其处理成刚性。船艏撞击区材料考虑了材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响。船艏的材料模型选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,用改进后的Cowper-Symonds本构方程表征应变率对材料屈服强度的影响。有关参数为:密度7.85´10-9 t/mm3,弹性模量2.10´105MPa,硬化模量1.18´103MPa,屈服应力2.35´103MPa,泊松比0.3,硬化参数0,失效应变0.34,应变率参数C=40,P=50。由于船体中后部因远离撞击区域,实际不发生任何变形,仅提供刚度和质量的影响,用刚性实体单元简化模拟。

  在建立承台及桩基础的有限元模型时,采用solid164实体单元模拟,由于该工程覆盖层较深,覆盖层均为粘土,桩土相互作用的处理方法根据实际运算经验以及文献资料[3],近似取冲刷线倍桩径处的位置进行固结处理。采用塑性随动模型来模拟防撞墩,有关参数为:密度2.50´10-9t/mm3,弹性模量3.25´104MPa,泊松比0.2,屈服应力40MPa。

  复合防护材料由复合材料面层、复合材料格构腹板及聚氨酯闭孔芯材组成。复合材料面层及复合材料格构腹板采用壳单元模拟,耗能材料采用实体单元模拟,不考虑界面剥离。复合材料面层采用线弹性材料*MAT_ELASTIC本构,密度为1.8´10-9 t/mm3,弹性模量1´104MPa,泊松比0.25;耗能材料采用弹塑性*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本构,密度为4´10-11 t/mm3,弹性模量48.54MPa,泊松比0.03。防撞设施厚度80cm,固定在防撞墩上。

  根据有限元模拟计算结果可知,在90TEU集装箱自航驳满载正撞、撞击速度4.2m/s情况下,防撞墩两个结构方案均可使船舶速度降到0,无多余能量撞击桥梁,从而保护桥梁安全。在这个过程中,防撞墩被撞坏,但桥梁免受撞击。

  根据上述防撞墩方案设计和有限元动态模拟计算结果,A型防撞墩两个方案均满足上海内河Ⅲ级航道上跨桥梁的防撞设计要求,且正撞工况下,不需利用桥梁自身抗撞能力,达到了标准化设计要求,可供类似工程设计参考。

  1、适合内河跨航道桥梁防撞的防撞设施主要有固定或浮式防撞装置和桩基防撞墩等两种类型;其中固定或浮式防撞装置设计需要利用桥梁自身的抗撞能力,需要“一桥一专题”进行研究,难以脱离桥梁予以标准化设计。

  2、除水域较为宽阔的跨航道大桥(如黄浦江)外,其他内河跨航道桥梁的自身结构抗撞能力一般较弱,如增设桩基防撞墩,可考虑船舶正面撞击后不继续撞击桥墩,船舶正面撞击能量均由防撞墩承受。

  3、桥梁防撞标准包括代表船舶吨级、撞击速度;从设计的角度来讲,桩基防撞墩的规格可根据防撞标准进行“定制”,仅与航道等级有关系。

  4、实际工程案例表明,防撞墩标准化设计成果可有效的解决成批内河跨航道桥梁的防撞设计问题,较大的提高实际设计工作的效率。

  [1] 祝露, 刘伟庆, 方海. 内河桥梁用新型复合材料防船撞护舷的结构设计与工程应用[J]. 玻璃钢/复合材料. 2015,(7):63-68

  [3]中国船级社. 海上固定平台入级与建造规范. 人民交通出版社,1992.