清云高速肇云大桥抗撞性能分析★
冯佳佳，朱登远，雷艳红，吴 华
(1.西藏大学工学院,西藏 拉萨 850000；
2.西藏大学理学院，西藏 拉萨 850000；
3.肇庆市公路发展有限公司，广东 肇庆 526040)
跨越航道桥梁是铁路、公路、城市道路、水路等交通运输通道的咽喉节点，近年来一些桥梁与船舶不匹配的安全风险凸显，多次发生船舶碰撞桥梁的事故，直接影响到交通运输的安全和畅通，关系到经济社会发展和人民群众生命财产安全，因此，对桥梁的抗撞性能进行分析显得尤为重要[1]。
1.1 桥梁基本情况
清云高速肇云大桥设计桥轴线采用直线跨过西江，桥轴线法线方向与水流流向交角约11°。桥梁通航孔设单孔双向通航，主桥跨径组合为(300+738+212) m。主墩承台平面尺寸为哑铃型，尺寸为59.15 m×15.7 m(长×宽)，通航孔跨径为738 m，净高30 m，本文主要对涉水通航桥跨的17号南主塔、16号北主塔和15号北过渡墩的抗撞性能进行分析。肇云大桥桥梁立面图见图1。
1.2 风险来源
根据海事部门提供，近5年来，发生“船碰桥”险情6宗，由于处置及时，没有发生船碰桥事故。可能引起船舶碰撞桥梁的风险因素有横流、气象条件(雷雨大风、大雾等)、船舶习惯航路、驾驶员安全意识淡薄、没有按驾驶技术操纵、不了解通航环境等。
1.3 水流条件
桥址最高通航水位为17.63 m，最低通航水位为0.73 m。桥轴线法线方向与水流流向交角约11°，最高通航水位工况下，桥区最大横向流速约0.34 m/s。这些流速超过0.30 m/s的点都离开桥墩位置约10 m，且横流在法线方向上衰减较快，通航孔中绝大部分区域横向流速较小。桥墩引起的横向流速在20 m范围之外对船舶的正常航行影响较小。在洪水期，受水中桥墩阻水作用影响，通航孔局部水域易产生横流，增加了船舶驾驶和操纵的难度，可能引起船舶碰撞桥梁事故。
1.4 通航条件
综合桥区航道条件、通航净空尺度、涉水桥墩通航影响等方面分析，桥区航道条件与桥墩布置相适应，通航净空尺度满足现状及区段通航代表船型通航要求，在洪水期，受水中桥墩阻水作用影响，通航孔局部水域易产生横流，增加了船舶驾驶和操纵的难度，可能引起船舶碰撞桥梁事故，其中通航孔左墩发生船舶碰撞事故概率大于通航孔右墩。
2.1 船撞力作用计算
肇云大桥所跨西江为Ⅰ级航道，通航船舶等级为3 000 t级，但根据现场调查，实际最大通航达5 000 t级船舶，根据航道整治代表船型、现状调查代表船型和珠江航务管理局函告代表船型的统计调查数据[2]，本次仿真代表船型尺寸如表1所示。
表1 设防代表船型尺寸表
与桥梁碰撞时，轮船撞击力[3-4]设计值按下式计算：
F=α×η×γ×V×[(1+CM)×M]0.62
(1)
(2)
(3)
其中，F为轮船撞击力设计值，MN；
α为轮船撞击力系数，取0.033；
η为几何尺寸的修正系数；
γ为撞击角度的修正系数；
V为船舶撞击速度,m/s；
CM为附连水质量系数，船艄正撞时宜取0.1～0.3，侧撞时宜取0.5～4.5；
M为满载排水量，t；
ΔH为被撞体厚度，m；
HS为船艄高度,m；
β为统计系数，取4.0；
θ为船舶轴线与碰撞面法线夹角，0°≤θ≤45°；
α0,b0均为参数，按照规范取值。
船舶撞击速度按图2速度曲线采用以下公式计算。
(4)
其中，V为船舶撞击速度，m/s；
VU为船舶在航道内的正常行驶速度,m/s；
VL为水域特征流速；
x为桥墩中心线至航道中心线的距离,m；
xC为航道中心线至航道边缘的距离,m；
xL为航道中心线至3倍船长处的距离,m。
根据所选用的设防代表船型，结合此桥梁的通航情况以及不同吨位船舶可能到达的桥墩、撞击速度及撞击水位，本次分析采用如表2所示的工况进行计算。
表2 撞击力计算工况表
2.2 计算方法与模型
桥梁主体结构船撞效应宜采用质点碰撞法或强迫振动方法计算，船撞计算模型与方法的选取应满足桥梁抗撞性能验算的要求[5-6]。本次分析采用规范推荐的强迫振动方法计算，采用有限元软件进行，该有限元软件可通过时程分析，添加时间-力的函数节点动力荷载，从而实现强迫振动方法，并得到船撞的动力效应。桥梁主体结构船撞效应计算应采用全桥结构分析模型，并考虑土-基础的相互作用，根据桥址附近地质情况，采用m法模拟桩基土弹簧作用。
本次计算按照结构实际情况建立全桥有限元模型，采用梁单元进行模拟。有限元模型如图3所示。
2.3 荷载与组合
1)恒载：结构重力(包括结构附加重力)、桥面铺装、人行道及栏杆、防撞护栏等。
2)活载：公路-Ⅰ级。
3)碰撞力：碰撞力按上节要求的荷载数值，纵向撞击力取横向撞击力的0.5倍。
由于肇云大桥为悬索桥，本次验算考虑运营风荷载，故验算采用的荷载组合为：1.0×恒载+0.4×汽车荷载+1.0×船舶撞击作用+1.0×运营风荷载。
1)工况一：17号南主塔，5 000 t，撞击速度2.8 m/s，撞击水位25.13 m。
a.横桥向撞击效应见图4。
b.顺桥向撞击效应见图5。
根据以上计算效应可以看出，索塔受力最不利位置为塔底截面，桩基础为桩顶截面，并根据计算结果确定船舶的撞击效应。
c.截面抗力。
根据原竣工图，索塔塔底截面、桩基础截面尺寸及配筋图来计算截面抗力，其中钢筋和钢骨混凝土构件的抗剪承载力按式(5)计算：
Vyd=φs(Vcd+Vwd+Vsd)
(5)
其中，Vyd为构件的抗剪承载力设计值,kN；
Vcd为混凝土部分的抗剪承载力设计值,kN；
Vwd为箍筋部分的抗剪承载力设计值,kN；
Vsd为钢骨部分的抗剪承载力设计值,kN；
φs为抗剪冲击效应折减系数，取0.7。
构件的弯矩-转角关系应采用理想弹塑性模型描述,将构件截面的弯矩界限值作为等效屈服弯矩值，采用截面分析软件计算桥墩及桩基截面的等效屈服弯矩作为截面极限抗弯承载力(见表3)。
表3 偶然组合下索塔、桩基抗弯及抗剪承载能力验算结果表(工况一)
根据以上计算结果，采用5 000 t级的船舶撞击索塔时，偶然组合作用下，桥梁索塔和桩基截面抗弯及抗剪承载力均满足规范[7]要求，索塔截面最小安全系数为1.43。因此在此情况下，桥梁受到船舶撞击处于安全状态。
2)工况二：17号南主塔，5 000 t，撞击速度2.8 m/s，撞击水位-2 m:采用5 000 t级的船舶撞击索塔时，偶然组合作用下，索塔受力最不利位置为下横梁塔柱截面，桩基础为桩顶截面，在最不利位置处的桥梁索塔和桩基截面抗弯及抗剪承载力均满足规范要求，低水位撞击工况最小安全系数为6.82，因此在此情况下，桥梁受到船舶撞击处于安全状态。
3)工况三：16号南主塔，5 000 t，撞击速度1.5 m/s，撞击水位25.13 m：由于16号南主塔结构与受力形式与17号北主塔一致，受到的撞击速度和撞击力均小于17号北主塔，因此在此工况下该索塔与桩基一定是稳定的。
4)工况四：15号北过渡墩，3 000 t，撞击速度1.5 m/s，撞击水位25.13 m：采用3 000 t级的船舶撞击过渡墩时，偶然组合作用下，桥墩受力最不利位置为墩底截面，桩基础为桩顶截面，在最不利位置处的过渡墩墩身和桩基截面抗弯及抗剪承载力均满足规范要求，墩身截面最小安全系数为1.95。因此在此情况下，桥梁受到船舶撞击处于安全状态。
本论文通过现场实地调研分析结合统计调查数据确定了设防代表船型及船撞力的计算；
通过规范推荐的强迫振动法，考虑了船撞击桥的动力效应，采用有限元软件对肇云大桥抗撞性能进行了验算分析，得到以下验算结论：1)在通航孔范围内，17号南主塔在5 000 t级船舶、航速3 m/s、撞击力作用于高水位点工况作用时，桥梁结构受力为最不利工况，桥梁索塔及桩基抗撞性能均满足规范要求，索塔截面最小安全系数1.43。2)在非通航孔范围内，15号北过渡墩在3 000 t级船舶、航速1.5 m/s、撞击力作用于高水位点工况作用时，桥梁结构受力为最不利工况，15号过渡墩及桩基抗撞性能均满足规范要求，过渡墩墩身截面最小安全系数1.95。