陳健鋒

(廣州市交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510600)

跨航道橋梁是鐵路、公路、城市道路、水路等交通運(yùn)輸通道的咽喉節(jié)點(diǎn),但是近年來(lái),伴隨著航運(yùn)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外船撞橋梁事件日趨增多,船撞問(wèn)題已經(jīng)對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)安全及航運(yùn)安全造成嚴(yán)重威脅[1]。因此,如何更有效地預(yù)防船撞事故的發(fā)生或減輕事故造成的損失,避免給社會(huì)生產(chǎn)帶來(lái)不必要的影響,對(duì)橋梁及其防撞設(shè)施展開(kāi)進(jìn)一步研究是非常必要的?，F(xiàn)階段,橋梁防撞設(shè)施包括主動(dòng)防撞設(shè)施和被動(dòng)防撞設(shè)施,其中被動(dòng)防撞設(shè)施包括了防撞墩、沙島、防撞套箱[2-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋墩防撞措施進(jìn)行了相關(guān)研究[5-7]。Ehlers等[8]通過(guò)有限元及試驗(yàn)相結(jié)合,研究了鋼結(jié)構(gòu)的防撞能力。王召兵[9]以北江航道整治工程為背景,通過(guò)Abaqus有限元軟件對(duì)不同樁基數(shù)量的防撞墩進(jìn)行驗(yàn)算模擬,并在此基礎(chǔ)上提出了集中式防撞群樁、圍欄式防撞群樁、浮式水上升降式防撞浮帶與防撞浮式套箱等四種防撞優(yōu)化方案。于洋[10]采用Abaqus有限元軟件對(duì)CFRP鋼管樁防撞墩進(jìn)行可行性分析,結(jié)果表明此種結(jié)構(gòu)相比于普通鋼筋混凝土防撞墩臺(tái)具有更加良好的抗沖擊能力。張新[11]采用midas Civil對(duì)直線(xiàn)型連接、三角形連接以及矩形連接的鋼管樁進(jìn)行抗撞分析,指出三種連接形式的防撞墩都能滿(mǎn)足抗撞要求。馬志敏等[12]通過(guò)Ansys有限元軟件分析了多個(gè)不同撞擊點(diǎn)下鋼管防撞墩的受力性能情況,得出減少系桿跨度、增加節(jié)點(diǎn)剛度可以有效減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力,從而提高結(jié)構(gòu)的抗撞能力。關(guān)莎莎[13]根據(jù)實(shí)際工程采用有限元軟件midas GTS NX分析了新建獨(dú)立防撞墩對(duì)周邊的施工影響。郁嘉誠(chéng)等[14]提出了隔離墩與自浮結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型防撞結(jié)構(gòu),并且通過(guò)midas Civil以及Ansys/LS-DYNA有限元軟件分析計(jì)算,確認(rèn)該防撞結(jié)構(gòu)相比于單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立防撞墩具有更有效的防撞保護(hù)效果。

可見(jiàn),現(xiàn)階段獨(dú)立防撞墩由于其造價(jià)成本相對(duì)更大,施工難度更大,有關(guān)獨(dú)立防撞墩的研究仍不夠深入,對(duì)于不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鋼管樁的防撞效果研究仍然相對(duì)較少,因此以大石大橋鋼管樁防撞墩方案設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),考慮樁間距、鋼管壁厚、系梁尺寸以及系梁數(shù)量等參數(shù),采用midas Civil軟件以及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析計(jì)算,驗(yàn)證及探討不同結(jié)構(gòu)形式的鋼管樁防撞墩的防撞效果。

1 工程概況

大石大橋全長(zhǎng)為455.5 m,現(xiàn)狀航道等級(jí)為VI(6)級(jí),為單孔雙向通航,設(shè)計(jì)最高通航水位2.944 m(85高程),設(shè)計(jì)最低通航水位為-0.55 m(85高程),通航凈寬為55.9 m,通航凈高為7 m,典型代表船舶為500 t船舶。

由于該橋?yàn)橹匾降郎弦延幸欢甏呐f橋,其橋墩自身已遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)狀的防船撞要求,因此,采用設(shè)置獨(dú)立式防撞墩的形式,可以與舊橋橋墩完全隔離,盡量避免船舶直接撞擊橋梁下部結(jié)構(gòu),同時(shí)考慮在船撞過(guò)程中,需要保護(hù)船舶人員的人身安全,故防撞墩結(jié)構(gòu)采用相對(duì)柔性的結(jié)構(gòu)。最終防撞墩結(jié)構(gòu)擬定采用三角形連接的鋼管混凝土防撞墩。

防撞墩采用端承樁設(shè)計(jì),樁底深入巖層3倍樁徑,樁頂距離最高通航水位3 m。鋼管內(nèi)徑為2 m,壁厚20 mm,為Q235鋼材;內(nèi)部填充的混凝土等級(jí)為C30,同時(shí)配置42根C32縱筋,鋼筋等級(jí)為HRB400;系梁材料為Q355B。

2 有限元模擬分析

2.1 船撞動(dòng)力荷載計(jì)算

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)[15],船舶撞擊力時(shí)程F(τ)按下列公式確定。

(1)

(0<τ<1)

(2)

(3)

(4)

α2=[(A-2B)τc+τcη(2A-1)+(B-A2)]/

(5)

(6)

式中:I0為初始動(dòng)量,MN·s;f(τ)為無(wú)量綱撞擊力-時(shí)間參數(shù);τ=t/T,無(wú)量綱撞擊力時(shí)刻;T為撞擊力持續(xù)時(shí)間,s;t為撞擊力時(shí)刻,s;τC、η均為統(tǒng)計(jì)量參數(shù)。

對(duì)于500 t船舶,撞擊力-時(shí)間參數(shù)可按下列公式確定

(7)

式中:a為常系數(shù),根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》取值為0.6;M為載排水量,t,取值為797 t;V為撞擊速度,m/s,可根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)計(jì)算所得,取值4.02 m/s。

通過(guò)計(jì)算,橫橋向撞擊和順橋向撞擊的船舶撞擊力如圖1所示。

圖1 船舶撞擊力

2.2 幾何模型建立

采用midas Civil 2021建立有限元模型,模型共117個(gè)節(jié)點(diǎn)、123個(gè)單元。幾何模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

在撞擊力作用下,樁基側(cè)向主要受土擠壓約束,因此側(cè)向約束模擬尤為關(guān)鍵,本模型側(cè)向約束根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363-2019)[16]計(jì)算得到的土彈簧參數(shù)進(jìn)行模擬。動(dòng)力計(jì)算中需要考慮瑞利阻尼,根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》,結(jié)構(gòu)阻尼比取3%。船舶撞擊點(diǎn)為最高通航水位以上2 m位置。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

利用非線(xiàn)性截面計(jì)算軟件Xtract對(duì)防撞墩進(jìn)行截面計(jì)算, 得出單根鋼管樁的等效屈服彎矩、 屈服曲率以及塑性轉(zhuǎn)角,最終的內(nèi)力和彎曲變形的驗(yàn)算結(jié)果如表1、表2所示?？梢?jiàn),獨(dú)立式防撞墩的能需比較為充裕,其抗撞性能滿(mǎn)足要求。

表1 獨(dú)立式防撞墩內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果

表2 獨(dú)立式防撞墩彎曲變形驗(yàn)算結(jié)果

3 參數(shù)分析

為了深入探討三角形布置的鋼管防撞墩的力學(xué)性能,在原方案的基礎(chǔ)上,考慮了以下4種關(guān)鍵參數(shù):樁間距;鋼管壁厚;系梁尺寸;系梁數(shù)量。以橫橋向撞擊為例,分析對(duì)比不同參數(shù)下的抗船撞效果。表3為不同參數(shù)時(shí)橫橋向撞擊下的計(jì)算結(jié)果。

表3 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 樁間距

樁間距設(shè)置為4.5、4.8(原方案)、5.5、6.5 m。從表3分析可得:隨著樁間距的增加,會(huì)導(dǎo)致土彈簧剛度有所提升,同時(shí)群樁中各樁之間的相互影響越來(lái)越小,橫橋向撞擊下的防撞墩最大彎矩會(huì)有所提高,但整體變化幅度并不大,其中最大彎矩所對(duì)應(yīng)的軸力(拉力)會(huì)有所降低,其降低幅度相對(duì)更大,從而導(dǎo)致在該軸力下的結(jié)構(gòu)等效屈服彎矩有所提升,最終結(jié)構(gòu)能需比有所增加。圖3為不同樁間距對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角的影響,可以看出,隨著樁間距的增大,轉(zhuǎn)角接近線(xiàn)性減小。綜上,樁間距的適當(dāng)增大對(duì)防撞墩的受力以及變形有利,因此,在實(shí)際工程中,兼顧樁基對(duì)河道影響以及地下管線(xiàn)的約束,可以適當(dāng)增大樁基的間距。

圖3 樁間距對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)角的影響

3.2 鋼管壁厚

鋼管作為主要的受力構(gòu)件,在撞擊作用下,鋼管提供了足夠的彎曲變形能力,因此鋼管厚度的選擇尤為重要。

從表3可知,鋼管壁厚分別為18、20(原方案)、22、24 mm的防撞墩的承載能力有著明顯的區(qū)別。在相同情況下,20、22、24 mm的防撞墩能需比相較于18 mm的分別提升了11%、23%、34%。圖4為鋼管壁厚對(duì)防撞墩轉(zhuǎn)角的影響,可以看出,防撞墩的轉(zhuǎn)角變形與鋼管壁厚成反比關(guān)系。因此,隨著鋼管壁厚的提升,防撞墩的防撞效果有明顯提升。

圖4 鋼管壁厚對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)角的影響

3.3 系桿因素

系桿作為鋼管之間的聯(lián)系構(gòu)件,是群樁之間的傳力構(gòu)件,一旦其發(fā)生破壞,各樁之間就會(huì)失去聯(lián)系,因此即使作為防撞墩的次要受力構(gòu)件,也起到重要作用。因此,將系桿直徑分別設(shè)置為80、100、120、140 cm;系桿數(shù)量分別設(shè)置為2、3、4、5層,對(duì)防撞墩進(jìn)行分析。

從表3可知,D80系桿、D120系桿、D140系桿的最大應(yīng)力分別為365、255、207 MPa,相較于D100系桿(原方案),應(yīng)力分別減少了-16.6%、18.5%、33.9%,其中的D80防撞墩應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)355 MPa,已達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度,因此增大系桿尺寸可以有效降低系桿應(yīng)力水平。從表3、圖5可知,增大系桿尺寸,防撞墩抗彎能需比有所提升,轉(zhuǎn)角變形也會(huì)有所減小,即結(jié)構(gòu)彎曲變形能力有所提升。

圖5 系桿尺寸對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)角的影響

設(shè)置2、4、5層系桿的防撞墩系桿最大應(yīng)力分別為365、274、241 MPa。相較于3層系桿(原方案),應(yīng)力分別減少了-16.6%、12.5%、23%;從表3、圖6可知,增加系桿布置層數(shù),即增加系桿數(shù)量,可以減少單根系桿所承受的外力荷載,同時(shí)各樁基之間的聯(lián)系更為緊密,整體的結(jié)構(gòu)剛度也有所提升,樁基的最大彎矩會(huì)有所降低,最終防撞墩受力性能得到的改善。

圖6 系桿數(shù)量對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)角的影響

綜上所述,增大系梁尺寸、增加系梁數(shù)量都對(duì)防撞墩受力有著明顯的改善作用,但是在相同情況下,增加系梁的層數(shù)會(huì)比增大系梁尺寸的用鋼量更大,而系桿應(yīng)力水平相比降低更少,而鋼管樁的抗彎能需比提升幅度接近。因此,考慮造價(jià)成本以及施工焊接難度等因素,應(yīng)優(yōu)先考慮采用增大系梁尺寸的方法來(lái)改善防撞墩的受力問(wèn)題。

4 結(jié) 論

依托大石大橋,開(kāi)展了三角形布置的鋼管樁防撞墩的有限元分析研究,分析了該結(jié)構(gòu)的彎曲變形性能以及抗剪能力,并綜合分析樁間距、鋼管壁厚、系梁尺寸以及數(shù)量的影響,得到以下結(jié)論。

(1)所設(shè)計(jì)的防撞墩結(jié)構(gòu)具有良好的彎曲變形能力,能滿(mǎn)足抗船撞承載力要求,能為大橋提供有效的防撞保護(hù)。

(2)樁間距、鋼管樁壁厚的增大以及系梁尺寸及數(shù)量的增加都能對(duì)防撞墩彎曲變形性能有提升效果,其中鋼管樁壁厚的提升更有利于改善結(jié)構(gòu)的受力性能,其次是系梁的尺寸及數(shù)量。系梁尺寸的增加相比于系梁數(shù)量的增加更有利于降低系梁的應(yīng)力水平。在工程實(shí)際應(yīng)用中,建議在綜合考慮成本以及施工難度的基礎(chǔ)上,選用合適的方法來(lái)提高抗船撞能力。