黄柏河大桥桥墩防撞设计.docx

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黄柏河大桥桥墩防撞设计

黄柏河大桥桥墩防撞设计

李本华1，宋辰阳2，笱永刚3，刘昊2，詹伟2

（1．宜昌市公路管理局湖北宜昌443000；2．宜昌市交通规划勘察设计研究院湖北宜昌443000；

3．宜都市公路管理段湖北宜昌443300）

摘要：

本文介绍了桥墩防撞装置的分类及功能，对比了主要规范船舶撞击力简化计算公式。

然后根据黄柏河大桥的特点制定了相应防撞设计方案，并根据我国《公路桥涵设计通用规范》进行了桥墩加固之前的墩柱防撞验算及加固后的墩柱防撞验算，结果表明防撞设计是合理可行的。

关键词：

桥墩防撞；设计方案；加固；防撞验算

1.桥梁防撞设计的必要性

近年来，船舶与桥梁墩柱的碰撞事故不断发生，对人民生命财产及环境都造成了巨大的损害，使得我国桥梁工程界对船舶与桥梁的碰撞问题越来越重视。

国际上关于船撞桥问题的系统研究始于20世纪80年代，由国际航运协会（PIANC）成立第19工作小组对船撞桥事故进行了大量的研究工作[1]，得出了一些重要的结论。

船舶与桥梁的碰撞是一种偶然事件，其碰撞形式有很大的不确定性，尤其是其碰撞荷载的大小不易确定[2]。

若按最不利的的情况进行防撞设计，则太过于保守，从经济性上看也不可行，所以必须容许一定的风险。

大型桥梁需要进行桥墩防撞设计，保证桥梁在发生较严重的船舶碰撞事故之后能保证结构的整体性，且对交通的影响最小，而且能够在相对较短的时间内完成对桥梁损伤的维修；在较小的碰撞事故之后能继续使用。

以上的这些问题均需要在防撞设计中来解决，寻找到一个满足经济性、安全性及合理性的桥墩防撞设计方案。

2.桥墩防撞装置综述

桥墩防撞设施存在多种分类方式。

1991年国际桥梁和结构工程协会（IABSE）将通常使用的桥墩防护结构分为五类：

防护板系统、支撑桩系统、系缆桩保护、人工岛或暗礁保护、漂动保护系统。

而在20世纪80年代，日本学者岩井聪按照桥墩防撞装置按设置场所的不同，将防撞设施分为直接构造型和间接构造型两大类。

两大类中再按吸收船舶碰撞能量方式的不同分别划分为弹性变形型、抗压变形型及变位型。

我国的工程人员一般按照后一种分类方式来划分。

桥墩防撞设施要求具备的性能包括：

良好的能量吸收性、设置所占水域小、设施制作及安装简便、维护方便且具有良好的经济型。

3.船舶撞击力简化公式研究

3.1各国规范中的船舶撞击力简化公式对比

船舶和桥墩的碰撞可视为船与船相撞的特例。

两艘船相撞后，船的速度立即发生改变，结构也发生了改变。

从能量变化的方面看，碰撞中动能减少的部分转化为结构的弹性和塑性变形或者结构撕裂，还有部分转化为周围水的运动。

各国主要的包含船舶与桥墩撞击力计算公式的规范及其简化公式见表1。

表1主要规范船舶撞击力简化公式

规范

船撞力计算简化公式

公式中参数意义

AASHTO规范

DWT为船舶的载重吨位（吨）；V为船舶的撞击速度（m/s）

欧洲规范

V为碰撞体的撞击速度（m/s）；K为碰撞体的等效刚度（N/m）；M为碰撞体的质量（Kg）

《挪威桥梁载荷规范》

DWT为船舶重量（t）；V为船舶航速（m/s）

中国《铁路桥涵设计基本规范》TBl0002.1-2005

为动能折减系数；V为船只或排筏撞击墩台时的速度（m/s）；

为船只驶近方向与墩台撞击点处切线的夹角；W为船只重（kN）；

、

为船只的弹性变形系数和墩台的弹件变形系数

中国《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004

W为漂流物重力（kN）；V为水流速度（m/s）；T为撞击时间（s）；g重力加速度9.81（m/s2）

3.2基于冲量定理的简化公式推导

从经典牛顿力学理论中可知，两物体撞击的力与两物体相撞时候的速度和质量有直接相关。

表中除我国《公路桥涵设计通用规范》外其他四个规范的简化公式都是基于能量守恒定理推导出来的，只是系数的取值存在区别。

只有我国《公路桥涵设计通用规范》简化公式是基于冲量定理推导出来的。

下面对《公路桥涵设计通用规范》简化公式进行推导。

设有一艘船撞上桥墩，船的质量为M、速度为V，撞击后船的速度由V变为0，撞击持续时间为T，则由冲量定理得下式：

（1）

设W为漂流物重力（kN），则得到我国《公路桥涵设计通用规范》简化公式

（2）

由于船撞力在碰撞过程中是随时间不断变化的，因此

（1）式可表示为：

（3）

现设船舶与桥墩碰撞过程中最大撞击力为

，将碰撞过程等效简化为撞击力始终为

，持续时间为

的碰撞过程，则可以将式（3）等效得到，

（4）

依据相应的船撞力历程曲线，对式（4）进行数值积分，便可以计算得相对应的等效碰撞时间，然后可以按照下式算得船舶撞击力。

（5）

我国《公路桥涵设计通用规范》的船舶撞击力简化计算公式简明易操作，计算得出最不利情况下的最大船舶撞击力可十分方便的地于桥墩防撞验算。

4.黄柏河大桥桥墩防撞设计

4.1防撞设计依据及设计思路

黄柏河为长江沿线支流，本次设计按照内河三级航道，通航1000吨级货轮标准进行设计。

不考虑内河超载现象。

设计最高通航水位为66.500m，通常通航水位为64.328m，最低通航水位为62.500m；水位高差达4m。

《内河通航标准》（GB50139-2004）对水上过河建筑的通航净空尺度规定为：

三级航道通航净高不小于10m，通航净空宽度为55m。

而黄柏河大桥最高通航水位时净高达16m，通航孔宽30m，不满足规范要求。

防撞设计思路如下：

（1）由于航道要求较严，防撞设施的布置规模不能太大。

因此，部分需要较大布置范围的和较大的缓冲距离的防撞方式不宜采用，如重力方式，人工岛方式等。

（2）环绕航道附近的墩身，设置护舷，吸收一部分撞击动能，其主要荷载仍然由桥墩承担。

（3）发生小的船舶碰擦事故时，充分利用橡胶护舷消能，防撞墩主体结构不损坏。

（4）海事部门应进行通航限载、限速管理，建议过往船只载重不超过航道标准等级，按照2m/s的航速通过大桥。

4.2防撞设计措施

加固改造后，该桥下部结构仍然为双柱式桥墩。

双柱式桥墩系柔性墩，刚度较小，不能满足运营阶段的正常使用要求及防撞设计要求。

本次防撞设计，考虑加固双柱式桥墩，增大其自身刚度，使其自身强度能满足设计要求。

首先将两个直径为2m的下墩柱浇筑成实体，形成圆端形的实体墩截面，提高下部结构的整体刚度，从而满足运营阶段的正常使用要求及在偶然荷载（即船舶撞击力）作用下结构的承载能力规范要求。

然后在通航孔2#、3#、4#桥墩上墩柱设置橡胶防撞护弦，进行缓冲消能。

上墩柱橡胶防撞护舷采用型号为D500H×500×1500L的护舷，其性能如表2所示。

这种橡胶护舷具有如下的特点：

反力、吸能量适中；底部宽度尺寸小；重量轻，安装维修方便。

表2橡胶防撞护舷性能

型号

设计压缩变形（％）

性能

反力（kN）

吸能量（kN-M）

D500H×500×1500L

50

700

48

5.桥墩的防撞计算

5.1防撞计算参数

我国《公路桥涵设计通用规范》将船撞力作为偶然荷载，对内河船舶撞击作用标准值作出了的规定。

流物横向桥撞击力可按下式估算：

（6）

按承载能力极限状态要求，结构构件自身承载力及稳定性应采用作用效应基本组合和偶然组合进行验算。

黄柏河大桥通航等级为三级，横桥向为800KN，顺桥向为650KN，撞击作用点为计算通航水位线以上2m的桥墩宽度或长度的中点，考虑到通航最高水位66.5m和最低水位62.5m，设计计算中考虑船舶撞击作用点分别为距墩顶8.0m（标高68.5m）和12.0m（标高64.5m）处。

桥梁第三、四跨为通航通道，对2、3、4号墩进行防撞设计。

由于2号墩墩高最高，在船舶撞击力下最为不利，仅取2号墩进行验算。

计算采用桥梁有限元软件MIDASCIVIL，建立下部结构桥墩模型进行桥墩内力计算。

5.2防撞设计之前墩柱验算

防撞设计之前桥墩为柱式柔性墩，下墩柱直径2.0米，上墩柱维修加固后1.9米。

根据荷载工况进行计算。

计算结果见表3。

表3防撞设计之前墩柱验算结果

墩中（墩柱变截面处）

墩底（基础结合部）

N（kN）

M（组合）（kN.m）

N（kN）

M（组合）（kN.m）

由表中结果可见，在不进行防撞措施设置之前，墩柱底承受不了设计的船舶撞击力，无法满足防撞设计要求。

5.3防撞设计墩柱验算

黄柏河大桥桥墩防撞设计按照规范采用偶然组合，只进行结构承载能力极限状态计算。

荷载组合如下：

1.0×恒载+1.0×汽车活载+1.0×（温度力+制动力+风力）+1.0×船舶撞击作用。

设计计算中根据上部结构活载情况，分别取如下四个荷载工况进行结构内力计算。

计算荷载工况见表4。

表4桥墩防撞设计墩柱验算荷载工况

荷载

恒载

单侧行人

双侧行人

单车道

双车道

制动力

温度力

风力

撞击力

工况1

1

0

0

0

0

0

1

1

1

工况2

1

1

0

1

0

1

1

1

1

工况3

1

1

0

0

1

1

1

1

1

工况4

1

0

1

0

1

1

1

1

1

注：

表中1表示参与组合，0表示不参与组合。

根据midas计算结果，提取以上四个工况下各控制截面的计算结果见表5。

表5防撞设计墩柱验算结果

低水位船舶撞击截面

高水位船舶撞击截面

上墩柱柱底截面

N（kN）

M（组合）（kN.m）

N（kN）

M（组合）（kN.m）

N（kN）

M（组合）（kN.m）

轴力最大

6518.29

2476.02

6571.52

3392.76

弯矩最大

5646.5

953.22

外力

6518.3

3885.2

5646.5

1674.8

6571.5

5188.9

抗力

16989.5

6481.6

23902.7

3994.2

13616.7

7040.6

富裕度

62%

40%

76%

58%

52%

26%

下墩柱墩底截面

顺桥向

横桥向

N（kN）

M（组合）（kN.m）

N（kN）

M（组合）（kN.m）

N（kN）

M（组合）（kN.m）

N（kN）

M（组合）（kN.m）

轴力最大

17618

11255.99

17618.8

15163.37

弯矩最大

13855.99

16639

15635.3

17827.37

外力

17618

34075.62

35614.56

16639

17618.8

69076.9

15635.3

65671.39

抗力

64484

124720.9

95671.7

44697.5

109428.9

429030.9

97240.3

408428.4

富裕度

74%

73%

63%

63%

84%

84%

84%

84%

以上结果显示：

设置防撞措施后桥墩能满足荷载提升要求，能够承受设计要求的船舶撞击力，并且还有足够的富余量。

6.结论

黄柏河大桥的防撞设计是典型的旧桥桥墩基本承载力不够，在进行下部结构加固处理增强其结构刚度及强度之后，结合实际情况采取相应合理可行的防撞措施，同时考虑到了结构可靠度、环境适应性、经济合理性以及施工可行性。

这种类型的防撞设计具有其自身的特点，对我国大量的类似旧桥防撞设计做出了有益的探索和尝试。

参考文献

[1]．邵旭东等，从美国阳光大道桥被撞重建看现有桥梁防撞风险评估[J]，公路，2007（8），33—37．

[2]．严仁军等，水路航运与桥墩防撞研究[J]，交通科技，2003，198（3），72—74．

[3]．黄锋旺，船舶碰撞荷载计算[J]，中南公路工程，1999，24（3），50—51．

[4]．中华人民共和国交通部．公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）[S],2004．

[5]．中华人民共和国国家标准．内河通航标准（GB50139-2004）[S]，2004．