忠县康家沱长江大桥桥墩船舶撞击分析

忠县康家沱长江大桥桥墩船舶撞击分析

忠县康家沱大桥位于忠县境内，距宜昌航线428.8公里。该桥东起康家沱,跨越马粪碛及长江主航道,西至高粱背,处于河段上、下弯道的过渡段,桥位上游有1.5km长的顺直段,下游顺直段长达3.5km左右。长江呈南北向穿流过桥位区,与桥轴线近直角相交。桥位处,长江宽约1130m左右,水深17m左右,深泓线偏忠县岸。忠县康家沱长江大桥主桥采用205m+460m+205m3跨预应力混凝土斜拉桥,石柱岸配112m+200m+112m3跨预应力混凝土连续刚构作主引桥。川江航道实行船舶定线制后,上水船舶从主桥忠县岸205m边跨通行,下水船舶从主桥460m中跨通行。由于两岸接线高程的限制,桥面距常水位高度约120m,主塔墩及过渡墩墩身均超过100m,极不利于抵抗船舶撞击。桥区河段系长江干线,航道等级为I-(2),现行的《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)所规定的内河I级航道中3000DWT(t)等级的船舶撞击标准值,横桥向撞击为1400kN,顺桥向撞击为1100kN。该标准值与桥区河道通航的实际情况相差较大,设计单位联合同济大学土木工程防灾国家重点实验室参考美国AASHTO规范并结合船舶撞击桥梁有限元仿真计算,对忠县康家沱长江大桥桥墩船舶撞击进行计算分析,并根据确定的船舶撞击力对桥梁结构进行验算,验算结果表明主塔墩可以承受5000t级干散货船或300TEU集装箱船的撞击,过渡墩身采用上、下游分离的墩身,难以抵抗船舶的撞击,将船舶撞击点以下的分离式墩身改为整体式墩身方可满足规范的要求。1计算船舶沉降力(1)重庆昌段以下简称川江桥区河段系长江干线,主要通行船队和机动单船。依据《长江干线航道发展规划》(交通部2003年1月2日批准),桥区河段在至2010年通航由1000、1500t驳船组成的3～6千t级船队,至2020年通航由2000t驳船组成的6千t至1万t级船队,长江干线重庆～宜昌段船队发展趋势为:双排双列1942KW+4×3000t船队或双排3列1655KW+6×1500t船队。交通部自2002年开始进行三峡库区及川江船型标准化工作,陆续公布了川江和三峡库区船舶的标准船型。依据交通部最新公布的标准船型(“交通部2004年30号公告”),桥区河段将通行的最大机动单船为5000t级干散货船。根据上述情况,忠县康家沱长江大桥船舶撞击力计算采用1942KW+4×3000t双排双列船队为设计代表船队、5000t干散货船为设计代表单船。(2)船舶操纵速度长江在重庆市境内长680km,为长江干线上游段。该段水面平均比降0.18‰,平均流速2m/s。2003年7月18～20日对桥区河段进行了流速、流向等观测,资料表明主流线顺直,表面流量在1.2～2.1m/s之间,水面比降为0.64‰～0.109‰,桥轴线附近表面流速在1.5～1.7m/s之间。2004年11月25日、30日测量主流表面流速分别为0.31m/s、0.46m/s。通航论证单位通过建立数学模型,计算了三峡坝前水位135m和三峡水库正常调度运行20年末、50年末桥区河段的流速分布情况如表3。根据船舶驾驶的需要,为保证船舶航行中的可操纵性(主要时舵的可操作性)我国长江航运规定,船舶上行最低航速为4km/h,即1.11m/s,下行最低航速为8km/h,即2.22m/s。长江航道中船舶的通常航速的调查结果为:轮船上行航速通常为12km/h,即3.33m/s;轮船下行航速为15km/h,即4.16m/s。船队航行速度比轮船低,上行航速约为8km/h,即2.22m/s;下行航速约为12km/h,即3.33m/s。对于船舶碰撞桥梁的速度,可以进行以下分析:①对于漂流的船舶,如脱锚、断缆、失机亦失舵、失机不失舵等情况,船舶将顺水漂流,一旦发生船桥碰撞,撞击速度取为水流速度是合理的;②对于失舵不失机的情况,由于动力尚存,驾驶员可以对船舶采取减速措施,因此船舶的碰撞速度应大于水流速度,但应明显小于船舶的航速;③长江忠县航段为多雾区,多年平均雾日70～130d。雾天船舶航行将受到一定影响,船舶大型船舶的驾驶人员亦比平时更加谨慎,减慢航速,当发现可能与桥梁发生碰撞时,亦将采取必要的紧急减速和避让措施,因此船舶的碰撞速度应大于水流速度,但应明显小于船舶的航速,这一点与第(2)种情况是类似的。由此可得到代表单船及船队的撞击速度(表4、表5、表6、表7)。(3)cbpb型①1942kw+4×3000t船队按AASHTO《桥梁船舶撞击设计指南》,驳船的撞击力为:PB=6.0×104aB当aB≥0.1m时,PB=6.0×106+1600aB式中PB——等效静力驳船撞击力;aB——驳船船艏损坏长度(m)。按下式计算:aB=3100×(1+1.3×10−7KE−−−−−−−−−−−−−−√−1)KE=500CHMV2aB=3100×(1+1.3×10-7ΚE-1)ΚE=500CΗΜV2CH——水动力质量系数。②5000t干散货船按AASHTO《桥梁船舶撞击设计指南》,撞击力为:PB=0.122DWT−−−−−√⋅VΡB=0.122DWΤ⋅V(4)计算公式适用情形AASHTO《桥梁船舶撞击设计指南》的设计船艏撞击力计算公式适用于船头正撞情形,而且是正撞刚性壁的情形。因此对于按AASHTO设计船撞击力计算公式得到的结果尚应根据忠县康家沱长江大桥的具体情况作进一步的综合评判。碰撞面积和接触面积船舶与桥墩碰撞时,整个碰撞过程是将船舶的动量变为零,最后再给船舶1个反方向很小的动量。在冲量相同的情况下,当力越大时,所用的时间就越少,因此接触面积越大,力的峰值越大,碰撞所持续的时间也就越短。采用仿真研究图示的理想化例子,图中最左边的块体为1个刚体,上面固结着3个弹性圆筒,这3个圆筒在物理尺寸和材料特性上是完全一样的,最右边的是刚性墙。分别计算1个、2个、3个圆筒碰撞刚性壁产生的撞击力。从上述计算结果可以得出同样的结论:接触面积大,碰撞持续时间短,但碰撞力大,接触面积小,碰撞持续时间长,碰撞力小。对于此简单例子,撞击力近似与接触面积成比例。接触面积小,撞击力小,但圆筒的破损长度增加,见图4。碰撞的持续时间考虑船舶航行方向与刚性壁法线成0°、30°和45°3种情形,计算结果如图5、6。图中X为刚性墙的法线方向,Y为刚性墙的切线方向。当船与刚性墙的法线方向的夹角在0°到45°之间变化时,随着角度的增加,碰撞的持续时间减小,0°的时候,碰撞的持续时间最长,45°的时候,碰撞的持续时间最短。这是因为角度越大,船舶沿刚性墙的法线方向(即X方向)的速度分量就越小。当船舶斜向撞击刚性墙时,X方向的速度变为零或者反方向时,船舶就会与刚性墙脱离,所以X方向的速度越小,船舶脱离刚性墙所用的时间就会越少,也就是碰撞持续的时间越短。X方向船撞力的大小,主要取决于船舶在X方向的速度分量的大小及船舶与刚性墙之间的接触面积,Y方向船撞力的大小则和摩擦系数的值、船在Y方向的速度分量的大小以及X方向的船撞力的大小有关。碰撞角度的影响比较复杂,但总的来说,斜向碰撞的撞击力比正碰小,减小的百分比依具体情况不同。船舶撞击的安全工况对于过渡墩,横桥向船头撞击过渡墩接触的特征尺寸5m左右,小于驳船和轮船宽度的1/3。对于主塔墩,横桥向船头撞击时,接触的特征尺寸约为驳船和轮船宽度的1/2。根据已有的船舶撞击事故调查和失控船舶航行状态的分析,船舶沿垂直于桥轴线的角度正撞的概率极小,在桥梁的船舶撞击设计中可不考虑这种工况。根据以上的分析,小的碰撞接触面积和斜角度碰撞都会减小船舶的碰撞力,接触面积的减小,碰撞力减小,但同时船舶的破损将增加,斜向碰撞会使船舶发生偏转,减小转化为势能的动能,因而碰撞力也随之减少。因而忠县康家沱长江大桥设计的过渡墩引用0.7的修正系数,对于主墩引用0.8的修正系数,船舶撞击力取值如表8。2向撞击立柱岸过渡船舶撞击主桥分成4种情况,船舶顺桥向撞击石柱岸主塔墩、船舶横桥向撞击石柱岸主塔墩、船舶顺桥向撞击石柱岸过渡墩、船舶横桥向撞击石柱岸过渡墩。船舶撞击点取为最高通航水位以上2m,荷载组合考虑结构自重、浮力、公路-级荷载、船舶撞击力。(1)船舶沿桥连接主要柱塔，并与石柱相连2主框架底板的负荷效应和试验主墩墩身单侧配筋面积Ag=1680.9cm2,构件承载力设计值NR=2.353E+06kN,墩身截面强度满足要求。计算各个钢围堰的刚度钢围堰底部为7.0m厚的封底混凝土,顶部为6.0m厚的承台,且钢围堰内有填芯混凝土,整个钢围堰有较大的刚度,因此假定整个钢围堰为一个大承台进行计算。桩基直径为3.0m,截面配置80根直径32mm的R335钢筋,构件承载力设计值NR>Nj,桩身截面强度满足要求。位移伸缩缝提前损害在巨大的船舶撞击力作用下,梁端伸缩缝处的顺桥向位移是设计所关心的,瞬间过大的位移将会导致大位移伸缩缝提前损坏。经计算发现,梁端位移仅2.2cm,这主要是由于船舶撞击点以下采用刚度很大的单箱八室整体式墩身。(2)主塔之间边界条件忠县康家沱长江大桥采用全飘浮体系,在主塔处设有0号索。主梁与主塔之间设有纵、横向限位块,留有一定的间隙。船舶横桥向撞击主塔墩时,偏安全仅考虑主塔墩单独承受船舶撞击力,忽略主梁、斜拉索的共同作用,在计算模型上将承台以上的主塔墩作为一根悬臂梁。2主框架底板的负荷效应和试验主墩墩底单侧配筋面积Ag=577cm2,构件承载力设计值NR=2.438E6kN,墩身截面强度满足要求。主柱桩基计算构件承载力设计值NR>Nj,桩身截面强度满足要求。构件抗起重设计汽车荷载满布中跨使得主塔墩底弯矩达到最大,如此时发生船舶顺水流方向(即横桥向)撞击主塔墩,为最不利的情况。构件承载力设计值NRxy>N。注:双向计算参照美国规范(AASHTO)(1989)第8.16.4.3条。(3)过渡墩承台计算分析主桥过渡墩处采用球型钢支座,设计吨位16MN、顺桥向允许位移量±450mm,横桥向允许位移量±20mm,最大转角0.02rad。因纵、横桥向较大的允许位移量,计算假定过渡墩单独承受船舶撞击力,在计算模型上将承台以上的主塔墩作为一根悬臂梁。因过渡墩基础采用双壁有底钢吊箱施工,高度达6m的承台下为6m厚的封底混凝土,且钢吊箱围堰内有填芯混凝土,整个钢吊箱围堰有较大的刚度,因此作为一个大承台进行计算。过渡墩原采用上、下游分离的墩身,承受船舶撞击力时,墩身截面强度不满足要求,将船舶撞击点以下的分离式墩身改为整体式墩身,墩身截面强度方满足要求。构件设计验算过渡墩墩底截面荷载效应:N=193121kN,Q=-11430kN,M=627591.6kN·m。墩身单侧配筋面积Ag=339.56cm2,构件承载力设计值NR=4.11E+05kN,墩身截面强度满足要求。构件承载力设计值NR>Nj,桩身截面强度满足要求。构件设计验算过渡墩墩底截面荷载效应:N=193121kN,Q=-20460kN,M=959983.2kN·m。墩身单侧配筋面积Ag=1016cm2,构件承载力设计值NR=1.17E+06kN,墩身截面强度满足要求。构件承载力设计值NR>Nj,桩身截面强度满足要求。4抗船舶撞击安全性评价目前忠县康家沱长江大桥抵抗船舶撞击主要靠桥梁结构自身强大的刚度,船舶与桥梁主墩或过渡墩的碰撞接近刚性碰撞,巨大的撞击力对碰撞部位墩身将产生较大的局部破坏,对船舶都将产生很大的破坏。墩身碰撞部位的损坏可以修复,但船舶所受到的损坏有可能导致人民生命、财产遭到重大的损失,特别是客船、旅游船与桥墩的碰撞将可能导致大量人员的伤亡。因而需要考虑设置柔性防撞装置,将刚性碰撞转化为柔性碰撞,既保护桥梁结构,又最大限度减少船舶在碰撞中的破坏,保护人民生命、财产的安全。另一方面随着三峡工程蓄水最终达到175m高程,桥位处河段的通航条件得到根本的改善,目前主塔墩和过渡墩尚可承受5000t级以下船舶的撞击,未来将有较多的3000t～5000t级货船或更大型的船舶通过,甚至更大型船舶通过桥位,因而对当前及未来通航船舶