高明大桥桥梁防船撞整治分析.pdf

PEOPLES TRANSPORTATION|412023 年 第 20 期 序言目前我国跨河、跨海桥梁运营里程数日益增多，水上交通事故时有发生。据统计，2016年2020年佛山辖区水上交通事故（含小事故）共56 宗，包含2019年龙江大桥桥墩被船舶撞击导致桥墩整体扭转事故。桥梁构造物作为交通出行通道之一，桥上车辆和行人川流不息，船舶撞击桥梁为重大交通事故，易造成交通断流、人员伤亡和国家财产的损失。以佛山市高明大桥、高明二桥、高明三桥桥梁防船撞整治工程作为研究对象，分析桥梁防船撞整治措施，掌握该类项目技术整治方式。桥梁概况高明大桥（旧桥）、高明二桥（扩建桥）、高明三桥（扩建桥）三座桥梁并列，位于国道324，横跨西江航道。高明大桥于1991年建成通车，2004年和2005年在高明大桥上下游两侧扩建高明二桥、高明三桥。高明大桥全桥共13跨，桥梁总长为1116.2m，跨径组合为（78.5+482.6）+（2110）+（579+68.2）m。主通航孔主跨采用中承式钢管混凝土拱桥，其孔径组合为（2110）m，与其毗邻的北主桥为（78.5+482.6）m上承式高明大桥桥梁防船撞整治分析随着水上交通的发展，过往船舶尤其是大型船舶对桥梁结构的安全威胁日趋严重。为保证桥梁结构安全，减轻甚至避免船舶碰撞墩台造成桥梁结构损伤，通过回顾佛山市高明大桥、高明二桥、高明三桥桥梁防船撞整治工程，分析桥梁防船撞的资料收集、整治方式、设计要点和注意事项，充分掌握桥梁防船撞整治措施，丰富桥梁防船撞整治经验，供后续桥梁防船撞整治项目作技术参考。文/孔启忠钢筋混凝土肋拱桥，南主桥为（579+68.2）m上承式钢筋混凝土肋拱桥。全桥13孔有14个墩台，两个桥台位于两岸软土地基上，采用带阻滑板的桩基组合结构；两个主通航孔与引桥的交界墩为沉井基础，墩身为加隔墙的V形空心墩，沉井基础设计进入强风化层；7号墩为高桩承台基础，嵌岩桩设计；其余墩设计采用桩基础，桩径分等截面D1.8m 和多截面D2.4D2.2m两种。高 明 二 桥、三 桥 全 桥 共27跨，其 中 左 幅 桥 长1331.28m，右幅桥长1321.28m。左幅桥跨径组合为（520+45.38+579+2110+482.6+45.38+720+215+20）m，右幅桥跨径组合为（520+45.38+579+2110+482.6+45.38+920）m。主桥采用预应力混凝土连续-刚构组合体系，跨径组合（45.38+579+2110+482.6+45.38）m；两端引桥分别为左幅桥（520）m和（720+215+20）m、右幅桥（520）m和（920）m的预应力混凝土简支空心板梁。主桥1012#主墩为双肢薄壁墩，墩底约8m范围内考虑防撞采用空心薄壁墩；59#、1316#墩为薄壁空心墩，4#、17#过渡墩为双柱墩；基础均为钻孔灌注桩。高明大桥桥面总宽12.56m；设计荷载：汽车-20，挂车-100，人群荷载3kN/m2；通航要求：在6#8#墩之间设42|PEOPLES TRANSPORTATION管理|Management置两个主通航孔，两侧各设一个副通航孔，通航水面净宽分别为90m和70m，通航水位以上高度分为为22m和18m；通航水位按 1/20洪水频率计算，8.01m（1956年黄海高程基准），通航孔的桥墩两端按曲线形式设计；设计水位：按1/300洪水频率设计，9.29m；桥墩防撞力：主通航孔中墩按3000kN计算，其边墩按国家一级航道防撞力的双倍计算。高明二桥、三桥设计荷载：汽车-超20 级，挂车-120；桥面宽度：212.5m，双向四车道；通航水位和净空：设计通航水位为8.596m（1956 黄海高程基准），设两个主通航孔：净宽90m，净高22m；船舶撞击力：横桥向1800kN，顺桥向1400kN。地震烈度：地震基本烈度6度，按7 度设防；设计水位：按 1/300洪水频率设计，9.29m。设计时桥位所处航道等级为级航道。防船撞整治前分析航道基本概况高明二桥、高明三桥横跨西江下游出海航道，现状技术等级为级，通航 3000t级船舶，航道维护尺度为6m100m650m（水深航宽最小弯曲半径），维护水深年保证率98%。规划为级航道，为主要航道，通航3000-5000t级海轮。据统计，高明二桥、高明三桥过桥船舶吨位等级从268DWT到7460DWT均有，船舶长度为12.66104.6米，船舶宽度为4.3820.3米，船舶吃水为0.4231.11米，船舶过桥最小航速为0.5节，最大航速为14.8节，经分析平均过桥航速为5.8节。现状全桥未设置防撞墩、防撞护舷等结构性防撞设施。现状桥梁抗船撞性能复核本次整治提升前，根据 公路桥梁抗撞设计规范（JTG/T3360-02-2020）等相关规范及海事数据等资料，对高明二桥、高明三桥进行抗船撞性能复核验算。1）抗撞性能标准：公路等级为一级公路；船撞重要性等级为C1；船撞作用设防水准为L2；桥梁结构的抗船撞性能等级为P1；桥梁构件的抗船撞性能等级为JX1。2）复核验算代表船型：（1）现状航道等级代表船型：3000t级海轮；（2）规划航道等级代表船型：5000t级海轮（总长 112型宽179m型深，满载吃水7m）。3）船撞验算工况：根据综合评估报告4，最高撞击点时，3000t级海轮及5000t级海轮均可达9#13#墩。（1）计算吨位：根据代表船型尺度数据以及规范 公路桥梁抗撞设计规范 附录D，5000t 级海轮满载排水量计算取6710t，3000t 级海轮满载排水量计算取5118t。（2）撞击点：复核验算采用与综合评估报告一致的撞击点。9#墩、13#墩撞击点距离承台顶面 3.8m，10#12#墩撞击点距离承台顶面3.3m，均撞击桥墩墩身部位。（3）撞击速度：复核验算采用与综合评估报告一致的撞击速度。（4）计算工况：本次验算采用以下7 种工况进行计算，每种工况分为横向桥和纵桥向；5000t级海轮复核时选择不利的10#、11#主墩进行验算；如表1所示。表1 高明二桥、高明三桥复核验算工况工况桥墩号船舶吨级撞击速度（m/s）水位强迫振动法最大撞击力横桥向(MN)顺桥向(MN)110#主墩3000t 级海轮4.88高水位撞击点21.5310.77211#主墩3000t 级海轮4.88高水位撞击点21.5310.77312#主墩3000t 级海轮4.88高水位撞击点21.5310.7749#过渡墩3000t 级海轮3.95高水位撞击点18.579.29513#过渡墩3000t 级海轮3.95高水位撞击点18.579.29610#主墩5000t 级海轮4.90高水位撞击点37.0418.52711#主墩5000t 级海轮4.90高水位撞击点37.0418.52 PEOPLES TRANSPORTATION|432023 年 第 20 期 4）本次计算下部结构桩基建立全长模型，并考虑现状河床冲刷对桩基的影响。土体对桩基的作用采用土弹簧约束模拟，土弹簧刚度取值采用 公路桥涵地基与基础设计规范 JTG 3363-2019附录L 规定的m 法计算确定。5）荷载与组合（1）自重与二期荷载：结构重力（包括结构附加重力）由程序根据构造尺寸，材料容重，自重系数等自动计算。二期荷载按均布荷载考虑，主要包括：桥面铺装、防撞护栏等。（2）活载：汽车-超20，挂车-120。（3）船撞力：按强迫振动法撞击力-时间参数取值，纵向撞击力取横向撞击力的0.5 倍。（4）水流压力：按接触结构面形式取值，合力作用点在设计水位线以下0.3 倍水深处。（5）荷载组合：1.0 恒载+1.0 船撞力+1.0 水流压力+0.4活载（进行强度验算）。6）有限元模型计算采用规范推荐的强迫振动法进行验算，通过采用Midas Civil中的时程分析方法，输入节点动力荷载F(t)，计算得到相应的船撞效应值，如图1。计算采用未考虑防撞设施进行验算。7）验算结果汇总复核验算表明：高明二桥、高明三桥抗撞性能不满足所跨航道现状通航代表船型（3000t级海轮）及所跨航道规划通航代表船型（5000t 级海轮）要求，如表2、表3所示。防船撞整治提升方案整治提升标准根据项目桥梁所在航道通航等级、上下游桥梁影响、桥址冲刷、结构型式、实际通航船舶吨位及船舶流量等情况，结合 桥梁通航安全风险及抗撞性能综合评估工作及技术指南（2021年8月）第7.2条设防代表船型的确定原则，进行防船撞整治提升，确定整治提升标准如下：1）主通航孔主墩：满足原设计批复航道等级、3000t级海轮代表船型的撞击要求，不满足需要采取措施进行整治提升。2）副通航孔过渡墩：副通航孔仅在建设年代较早的高明大桥原设计批复文件中提有要求，在扩建的高明二表2 3000t级海轮复核结果墩号代表船型验算结构结构承载力本次复核横桥向纵桥向10#12#主墩3000t级海轮墩身抗弯满足10#墩不满足、11#墩满足、12#墩满足抗剪满足满足桩基抗弯不满足满足抗剪不满足满足9#、13#过渡墩3000t级海轮墩身抗弯满足满足抗剪满足满足桩基抗弯不满足不满足抗剪不满足不满足表3 5000t级海轮复核结果墩号代表船型验算结构结构承载力本次复核横桥向纵桥向10#、11#主墩5000t级海轮墩身抗弯满足不满足抗剪满足满足桩基抗弯不满足不满足抗剪不满足10#墩满足、11#墩不满足图1 Midas Civil节点动力荷载输入示意图44|PEOPLES TRANSPORTATION管理|Management桥、高明三桥设计批复文件中，副通航孔并未提及。故本次采取适当补充增加防撞措施，目的是减少混凝土结构局部破损，保护船舶。3）非通航孔引桥墩：结合主动防撞预警系统、航标等进行防护，暂不考虑被动防撞措施。整治提升方案根据整治提升思路及原则，根据各墩不同的防撞性能标准提出对应的防船撞性能提升方案，如表4所示。整治提升方案计算分析1）计算目标：（1）采用3000t级海轮代表船型对整治提升后的主墩进行防撞能力计算；（2）按现状明确过渡墩的防船撞能力。2）计算模型：采用有限元软件Midas Civil计算，抗撞性能标准、船撞验算工况中相关计算参数取值、船撞效应计算与前述一致。3）整治提升加固模拟主墩加固后验算荷载工况如表5所示。4）建立高明大桥、高明二桥、高明三桥模型，对三座桥梁承台连接模型边界条件处理，采用弹性连接并释放弯矩刚度进行模拟，模型如图2、3所示。5）计算结果汇总（1）高明大桥、高明二桥、高明三桥承台横向连接后，在保证横桥向连接可靠的前提下，采用3000t级海轮高水位撞击点撞击桥梁10#12#主墩时，偶然组合作用下墩身和桩基承载力均满足要求，墩身（上肢）截面最小安全系数为1.5，桩基截面最小安全系数为 1.4。（2）过渡墩抗船撞能力计算：采用4.42MN（强迫振动法横桥向最大加载值）撞击桥梁过渡墩时，偶然组合作用下桥墩墩身及桩基承载力满足要求，墩身截面最小安全系数为4.5，桩基截面最小安全系数为1.2。（3）由上述计算结果可知，整治提升方案可满足主墩3000t级海轮船撞力要求，过渡墩防船撞能力约为4.42MN（采用强迫振动法横桥向加载最大值）。结语伴随水上交通运输发展，跨河海桥梁结构安全受过往船舶影响严重，采取技术可行的防船撞措施加固桥梁下部构造，保证桥梁结构运行安全是迫切的。跨河海桥梁防船撞是现下桥梁结构运行安全的重点，分析佛山市高明大桥、高明二桥、高明三桥桥梁防船撞整治方案，掌握桥梁防船撞整治提升的思路和措施，作为类似桥梁防船撞整治提升技术支撑，可丰富桥梁防船撞整治经验。（作者单位：佛山市高明区交通运输事务中心）表4 高明二桥、高明三桥桥梁防船撞整治方案航道墩号结构型式整治提升标准防船撞加固措施通航孔主墩双肢薄壁墩群桩基础按3000t 级海轮进行整治提升高明大桥、高明二桥、高明三桥承台横向连接；三座桥墩身、承台周围设置橡胶护舷。非通航 孔过渡墩双肢薄壁墩群桩基础维持现状防撞能力三座桥梁墩身、承台周围设置橡胶护舷。表5 桥梁整治提升方案对比表加固措施模拟荷载工况验算代表船型最大撞击力(MN)三座桥梁承台连接1.0 恒载+0.4 活载+1.0撞击力+1.0 流水压力3000t级海轮21.53（横）；0.521.53（顺）图3 强迫振动法时程函数的输入图2 三座桥梁承台连接边界处理