某钢箱梁斜拉桥船撞设防标准研究

王 鹏， 油川洲

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.青海省交通规划设计研究院有限公司， 西宁 810008)

2017年，广东洪奇沥大桥、莲溪大桥、斗门大桥与磨刀门大桥相继遭受船舶撞击，造成了巨大损失[1]，船舶撞击是跨航道桥梁倒塌的主因之一。近年来，有关船桥碰撞风险概率评价[2-4]及碰撞机理[5-7]的研究得到越来越多的关注。《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》根据船撞桥事故发生前船与桥墩的相互位置为基础，提出了一个具有三概率参数的计算船桥碰撞概率的积分路径方法[8]。该方法考虑了水位变化频率、船舶横向分布(几何分布)对碰撞概率的影响，使模型更加符合实际情况，在重庆曾家岩嘉陵江大桥、涪陵乌江大桥复线桥等多个工程上得到应用[9-10]。

本文针对某跨海钢箱梁斜拉桥，采用三概率参数路径积分方法对大桥船撞风险进行了分析，计算了典型水位下桥梁自身抗撞能力，并通过数值模拟研究了主要桥墩的船舶撞击力，所得结论可为工程顺利实施提供指导。

1 工程概况

钢箱梁斜拉桥主桥为(146+338+146) m双塔3跨双索面组合梁斜拉桥，设计最高通航水位为6.714 m，最低通航水位为-1.206 m。采用单孔双向通航方案，主桥通航孔跨径338 m，通航净宽不小于270 m，净高不小于28 m，侧高与净高一致，桥型布置、主梁、主塔断面见图1～图3。

2 桥梁自身抗撞能力分析

2.1 桥梁极限抗船撞能力的计算方法

根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[11]4.4.1条的规定，内河船舶的撞击作用点，假定为计算通航水位线以上2 m的桥墩宽度或长度的中点，内河船舶对桥梁墩台的撞击作用可以按“静力法”来计算。

采用Midas Civil软件，将横桥向的水平船撞力施加到水位线以上2 m的地方，计算桥墩或桩基的最不利内力，确定控制截面；对桥墩或桩基的控制截面进行M-φ分析，进而得到控制截面等效屈服弯矩；调整水平船撞力大小，比较控制截面最大弯矩和等效屈服弯矩。当控制截面最大弯矩达到等效屈服弯矩时，对应的水平船撞力，即为桥墩在该水位下的极限船撞抗力。

2.2 抗力计算有限元模型

该钢箱梁斜拉桥主桥自身抗撞能力计算按照实际设计情况建立桥梁模型。

模型中，桥塔为C50混凝土，过渡墩墩身为C40混凝土，桩基与承台为C30混凝土，混凝土材料弹性模量分别为34.5 GPa、32.5 GPa、30 GPa，密度 2 500 kg/m3。

斜拉索材料为Wire1770钢绞线，弹性模量205 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。主梁为Q345钢材，弹性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。

单位：cm

单位：cm

(a) 正立面

主梁与拉索采用刚性连接，桩土效应采用m法计算各层土的等效刚度。根据钻孔资料，碰撞范围内各桥墩土层分别为淤泥质粉质粘土、粉质粘土、细砂、中砂、粗砂，m值分别取1 000 kN/m4、2 000 kN/m4、4 000 kN/m4、5 000 kN/m4、6 000 kN/m4。荷载组合为恒载+汽车+人群+船撞力。计算模型见图4。

图4 抗力计算模型

2.3 计算结果

选取不同水位下分别计算主桥主墩、过渡墩抗撞能力，计算结果如表1所示。分析计算结果发现大桥抗力均按桩基抗弯控制，且随撞击水位下降，抗力逐渐增大。

表1 桥墩抗撞能力

3 桥梁船撞风险分析

3.1 桥梁船撞概率安全评估方法

根据文献[2,8]提出的具有三概率参数(航迹分布、偏航分布、停船距离分布)计算船桥碰撞频率的积分路径方法，其积分路径模型的积分式为：

(1)

式中：PC为桥梁的年碰撞概率；αi为第i种水位出现的频率；Pwi为第i种水位下的年碰撞频率；Nj为第j种船舶的年通航量；λ(s)为船舶单位航行距离的失误概率。

公式(1)考虑了年水位变化对桥墩船撞频率的影响，式中的角度θ1、θ2由图5确定。由图5可以看出，航迹分布、偏航分布、停船距离分布3种参数均服从正态分布。图5中，A点为船舶偏航的初始位置，D、E点为桥墩角点，θ1～θ2为偏航撞击桥墩范围的上下临界碰撞范围，通过三重积分即可得到在第i种水位的碰撞概率，考虑全年水位叠加可得到桥梁年碰撞概率。

图5 三参数概率积分模型

3.2 风险分析参数

桥区航道维护水深为1.0 m，航宽100 m，弯曲半径500 m，可通航3 000吨级船舶。大桥设计最高通航水位采用当地历史最高潮位，为6.714 m；设计最低通航水位采用低潮累积频率为90%的潮位计算，最低通航水位为-1.206 m。根据硇洲岛的实测资料统计，本海区属日潮不等的不规则半日潮型，平均高潮位为2.88 m，平均低潮位为1.15 m，平均潮差为1.74 m，平均海平面为1.90 m。根据现场调研，并结合桥位处的潮汐情况，选取了6个典型水位，如表2所示。计算船撞风险时，考虑到全年的水位变化，先计算出不同水位下桥墩以及全桥的船撞风险，然后再按照不同水位出现的概率进行加权求和。大桥桥区船舶年通航密度预测如表3所示。船舶的上下行典型航速分别为4 m/s和5 m/s。根据DBJ/T 50-106—2010《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》[8]对重要桥梁可接受风险的要求，大桥的可接受风险以10-4作为参考。

3.3 风险分析

大桥在近期、中期和远期通航密度下船撞风险分析结果见图6。

由图6可知，全桥年倒塌频率均逐渐增加，在2016年、2025年、2050年的预测通航密度下，年倒塌频率分别为3.79×10-5/年、1.08×10-4/年、1.61×10-4/年，风险临界年限为2024年，即从2024年开始，船撞风险将高于可接受风险10-4/年。

为确定桥梁船撞设防标准，分别选取了不同的桥墩抗力进行计算，得到了桥梁在2050年通航密度下船撞风险随桥墩抗力变化的曲线，见图7。

表2 典型水位参数

表3 船舶年通航密度预测

图6 船撞风险变化趋势

图7 船撞风险-抗力曲线

由图7可知，随着抗力的增加，全桥风险逐渐降低，C组抗力水平下，桥梁风险正好处于可接受的临界风险。此时C组抗力即为大桥各桥墩的设防船撞力，大桥主墩设防船撞力为25 MN，过渡墩为15 MN。根据船舶偏航撞击各桥墩的撞击速度反推可得到大桥各桥墩设防代表船舶，如表4所示。

表4 桥梁设防船舶

由表4可知，大桥采用梯次设防，靠近航道的主墩按3 000 DWT设防，远离航道的过渡墩按2 000 DWT设防。

4 船撞桥墩数值模拟

采用基于显式算法的LS-DYNA对船桥碰撞过程进行了数值模拟分析，桥梁精细化有限元模型见图8，相撞结构物之间的碰撞作用采用接触算法来完成[12]。在船艏内部定义自动单面接触，船、桥之间定义自动面面接触，摩擦因数取0.25[13-14]。桥墩墩身、承台、桩基采用实体单元进行划分，主梁采用梁单元模拟，斜拉索采用索单元模拟。拉索与主塔、主梁间的连接采用rigid body固接。土弹簧刚度根据文献[15]确定，通过Ls-dyna材料库的*MAT_SPRING_ELASTIC[16]模型模拟。

图8 桥梁有限元模型

桥墩在不利工况下最大撞击力如表5所示。在最高通航水位6.714 m水位下，3 000 DWT船舶空载，以3.49 m/s 的速度撞击主墩最大船撞力为15.6 MN；平均海平面1.9 m下，3 000 DWT船舶满载撞击最大船撞力为23.8 MN，均小于桥梁自身抗力，主墩抗撞能力满足要求。过渡墩在最高通航水位与平均水位下，2 000 DWT船舶撞击最大船撞力分别为4.7 MN、10.4 MN，过渡墩自身抗力为7 MN，最高水位下过渡墩抗撞能力不满足要求，抗力差为33%。工况2、工况4桥墩受撞击损伤应力示意见图9。对于主墩受船舶撞击下，承台出现局部轻微损伤；过渡墩墩身与桩基均出现较大损伤，混凝土主拉应力最大达到9.8 MPa。

表5 不利工况计算结果

(a) 主塔

5 结论

1) 在2016年、2025年和2050年的预测通航密度下，大桥年倒塌频率分别为3.79×10-5/年、1.08×10-4/年、1.61×10-4/年，风险临界年限为2024年。

2) 大桥采用梯次设防，主墩设防代表船舶为 3 000 吨级，过渡墩设防代表船舶为2 000吨级。

3) 主墩与过渡墩设防船撞力分别为23.8 MN、10.4 MN，6.714 m水位下桥墩自身抗力分别36 MN、7 MN，过渡墩不满足防撞要求。

4) 为避免桥墩受撞出现损坏，同时降低碰撞事故中的船舶损伤，建议在主墩承台处增设柔性复合材料防撞护板，过渡墩设置复合材料防撞套箱。