跨江公路特大桥船撞力学分析研究

田 钦,程海根,康彩霞

(华东交通大学土木建筑学院,江西南昌 330013)

船撞桥问题在国外从 20世纪 80年代初开始得到认真的研究,经过 20年的努力,欧洲和美国等国家已经制定了专门的设计规范或指南。虽然目前我国有关大桥的安全保障部门采取了一系列的安全措施,但对防撞问题一直未得到足够的重视,也没有专门的设计规范或指南可供工程师使用。在公路桥梁设计规范中的相应条款过于简单,设计船撞力过低,对桥梁设计几乎没有影响,这不符合实际情况[12]。随着跨江的公路特大桥越建越多,以及大江航道等级的提高,大吨位的船只越来越多地进入了大江,加之建桥后的航道演变,这些跨大江桥梁被船撞的风险明显加大[9]。对这些特大桥进行船撞安全风险评价,并提出一些防范措施,就显得尤为重要。

1 船桥相撞有限元计算方法的研究

1.1 船 -桥碰撞力学计算研究方法

1.1.1 Minorsky理论

Minorsky船 -船碰撞理论[5]、[7]自 1975年公开发表后,已为众多的实验所证实,由此奠定了船 -船碰撞的分析基础,并推广应用于船 -桥碰撞,为国际桥梁工程界和各国学者公认。Minorsky的研究工作主要是将船 -船碰撞问题分为两个相互独立的部分,即动能损失和结构损伤,并用统计分析方法将它们联系在一起。

1.1.2 汉斯 -德鲁彻理论

汉斯和德鲁彻教授根据 CG-71955-A合同研究提出的理论,主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击[13]、[14]。该理论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统的数学模型,计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞击力、撞击过程的持续时间。

1.1.3 数值解法

数值解法产生于船 -船碰撞理论[16],引伸到船 -桥碰撞计算。数值方法中较有代表性的是 Petersen方法和梁文娟计算方法[4]。前者提出的方法可以模拟碰撞中船舶的水平运动,归结为两维问题;后者将该问题扩展为三维情况,考虑了碰撞中船舶六个自由度运动。在该方法中流体动力用切片法计算,碰撞力则假设为贯入量的非线性函数,通过六根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理[1]、[2]。

1.1.4 简化解析法

简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型,导出这些简化模型损伤的理论公式,分别计算出每一种简化模型的损伤力和变形能,最后合成总的船舶结构碰撞损伤力和能量。简化解析法是一种非耦合的方法[11]。

1.1.5 实验方法

通过碰撞模型实验,直接测量船-桥碰撞中碰撞力、变形能随撞深的变化曲线[15]。但由于实验方法耗费昂贵,一般难以实施。有关资料表明从 20世纪 60年代初开始,日本、德国等国的学者相继完成了少量船 -船碰撞试验,而船-桥碰撞试验的资料还未发现。

1.1.6 经验规范公式法

(1)我国《公路桥涵设计规范》(1989)将船舶撞击当作一种偶然载荷,对桥梁防撞问题做出了规定:位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台,设计时应考虑船只或漂流物的撞击力。对漂流物撞击力 P给出的计算公式为:

式中:P为撞击力(kN);

w为漂流物重力(kN);

V为水流速度(m/s);

g为重力加速度(9.81 m/s2);

T为撞击时间(s),无资料时取 1秒。

这是最简单的公式,但要获取确切的撞击时间是困难的。

(2)我国《铁路工程技术规范》(1985)第 3.4.6条规定,桥梁墩台承受船舶或排筏的撞击力P可按下式计算,即

式中:γ为动能折减系数(m/s1/2),当正向撞击时取0.3,斜向撞击时取 0.2;

V为船只撞击速度(m/s),采用航运部门提供的数据;

α为船只驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角,应根据具体情况确定,如有困难可采用 20°;W为船只重(kN);

C1、C2分别为船只的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数,缺乏资料时可定 C1+C2=0.0005 m/kN。

(3)美国《公路桥梁设计规范》对于通航桥孔的桥墩,船舶对桥墩的正面撞击力F为:

式中:V为船舶航行速度(m/s);

DWT为船舶重量(t).

(4)美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》(AASHTO)对货船、大型轮船等船舶等效静态冲击力按下式计算(即修正 Woison公式):

式中:Ps为静态等效冲击力(kN);

V为船舶碰撞时的速度(m/s);

DWT为船舶排水量(kN)。

(5)北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和渡轮的碰撞力计算公式为:

式中:D WT为船舶重量(t)。

除了以上经验公式外还有沃辛碰撞理论[3]:1976年,德国学者沃辛根据保护核动力船舶的核反应堆在碰撞下的安全问题而进行了大量实验,提出了沃辛经验公式;Saul和Svensson等对沃辛经验公式进行了修正,得到修正的沃辛公式;挪威公共道路局规定其公共道路系统桥梁和浮桥的碰撞荷载计算公式。

1.1.7 非线性有限元方法

以上对于船桥碰撞的常用工程计算方法中,考虑的因素比较简单,主要是从冲量公式、能量公式等出发,根据经验数据导出的计算方法,对工程应用具有一定的指导意义[8]。但这些经验公式都没有全面地考虑船舶、桩基、承台、墩台等的具体类型、结构、材料等因素的影响。而目前我国的交通基础设施建设发展迅速,跨江甚至跨海大桥不断兴建,桥梁的结构形式不断更新,同时船舶吨位和航速也不断增加,因此,对于不同的船桥撞击类型,仅采用传统的工程公式计算,越来越难以满足我国现代化建设的需要。

近年来随着非线性有限元分析技术和计算机硬件系统的发展,船桥碰撞问题的计算有了新的突破。采用非线性有限元技术,对于不同类型的船桥碰撞问题可以较为精确地描述船舶和桥梁复杂的几何形状、材料本构、破坏损伤等信息,从而能够得到更精确的结果,较传统的经验公式计算体现出了较大的优势。

1.2 船桥相撞模型经验规范公式法计算撞击力结果的比较

一艘重为 237.7765 t(折合 2330.2097 kN)的船,行驶入江中,行驶速度为 11节(5.659 m/s),正面撞击大桥桥墩。采用经验公式法计算撞击力。

(1)采用我国《公路桥涵设计规范》(1989)计算撞击力得:

(2)采用我国《铁路工程技术规范》(l 985)计算撞击力得:

(3)采用美国《公路桥梁设计规范》计算撞击力得:

(4)采用美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》(AASHTO)计算撞击力得:

(5)北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和渡轮的碰撞力.计算撞击力得:

从以上的经验公式的计算结果可以看出,美国规范计算的碰撞力结果是最大的,我国铁路规范计算的结果是最小的,结果相差近 8倍。由此可以得出,美国的规范对于船桥碰撞力的计算是偏于安全的,而且这个力作为一个活载计算,安全富裕度高;我国的规范对于碰撞力的计算是比较粗糙的,而且只是作为一个偶然荷载进行计算,安全富裕度低;欧洲的规范计算结果和美国差不多。这也就可以解释为什么我国的桥梁容易被撞断,而美国、欧洲的桥梁抗撞击能力强。这就使研究修正我国规范中碰撞力的计算公式,变得尤为重要。

2 桥梁防撞设施的研究与应用

采用桥梁防撞的目的是防止桥梁因船舶撞击力超过桥墩的设计承受能力,保护桥梁结构安全。工程上通过采用不同型式的防撞设施,可以阻止船舶撞击力传到桥墩(或桥梁),或者通过缓冲消能防撞设施,延长船舶的撞击时间,减小船舶撞击力,从而最终保护桥梁安全。防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行设计。

2.1 防撞设施的性能要求

防撞设施一般应满足如下要求[10]:

(1)吸能能力要大,但更重要的是将船的动能仍保留在船上,最新的办法是防撞装置将船头拨歪,使船离开墩而不被镶住,即不咬住船头。

(2)防撞设施不能影响航道的通航,占用航道范围尽量少。

(3)通过合理的结构形式、各种缓冲材料的布置,尽量减小通航船舶的损伤。

(4)防撞设施制造、安装、维护和修理经济性较好,现在一般可做到只占桥梁建设费用的 5%左右。

(5)防撞设施具有很好的可靠性和安全性。

(6)应适应水位变化的要求:枯水、洪水;涨潮、退潮。

(7)不因设置防撞装置而增加新的问题,如回流沉积、妨碍捕捞养殖等。

2.2 防撞设施的设计原则

由于桥、船和防撞设施都是造价昂贵的工程建筑物,所以,对于设计防撞设施的目的和要求,是按照下列原则处理的。

(1)大桥的破坏后果最为严重,确保桥梁安全是防撞设施设计的首要目的,为了保证大桥的安全,即使防撞设施和船舶损坏,也是合理的、必要的。

(2)防撞设施的损坏是允许的,但应易于修复,以使大桥不失受保护状态。

(3)船舶是碰撞事故的责任方,但船舶的沉没也是极大的经济损失,而且影响航道畅通,应予避免,所以,对船舶的保护在防撞设施的设计中也应给予必要的适度考虑,应避免沉船事故。

3 结束语

规范化的桥梁防撞研究在我国处于起步阶段,不断发生的船撞桥事故却使这一课题研究越来越具有必要性和紧迫性。目前,建立统一的适用于实际的船桥碰撞规范研究是这一领域有待完善和今后发展的重点。此外,相关基础学科,如船舶、桥墩的材料本构模型定义、船舱内压载水影响、船桥碰撞力学等理论的不断完善并应用于船-桥碰撞力学计算方法中,也可以进一步提高船撞桥的研究技术,相信非线性有限元技术的桥梁防撞研究技术将会在这一研究领域发挥更重要的作用。

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