洙水河麒麟桥通航安全风险及抗撞性能研究.pdf

-167-摘要：以跨越洙水河航道的麒麟桥为工程背景，结合相关规范，并借助有限元分析软件，对桥梁通航安全风险及抗撞性能进行研究。结果表明：桥区通航安全风险较高，桥梁抗撞性能不满足规范要求。研究结果可为后续桥梁防撞能力提升设计提供理论支撑和参考依据。关键词：通航风险；抗撞；有限元法中图分类号：U698文献标识码：AStudy on navigational safety risk and impact-resistant performance of Zhushui river Qilin bridgeZHU Xiaolei,YAN Xianliang,LIU Qi（Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250101 China）Abstract:TakingtheQilinBridgeacrossthewaterwayoftheZhushuiriverastheengineeringbackground,combinedwithrelevantspecifications,andwiththehelpoffiniteelementanalysissoftware,thenavigationsafetyriskandanti-collisionperformanceofthebridgearestudied.Theresultsshowthatthesafetyriskofthebridgeareaishigh,andtheanti-collisionperformanceofthebridgedoesnotmeettherequirementsofthecode.Theresearchresultscanprovidetheoreticalsupportandreferenceforthesubsequentdesignofbridgeanti-collisionabilityimprovement.Key words:navigationrisk;crashworthiness;finiteelementmethod引言近年来内河水运发展迅猛，航道扩能速度加快，船舶大型化趋势明显。既有跨河桥梁设计年代久远，一般较少考虑或未全面考虑大型船舶碰撞荷载作用，一旦发生船桥碰撞事故，极易造成桥梁坍塌受损、航道断航，威胁人民群众的生命财产安全。因此，对桥梁的通航安全风险及抗撞性能研究显得格外重要。以跨越洙水河航道的麒麟桥为工程背景，结合相关规范，并借助有限元分析软件，对桥梁通航安全风险及抗撞性能进行研究，以期为后续工程防撞设计提供理论支撑和参考依据。1 工程概况洙水河航道是京杭运河的重要支线航道，关于京杭运河洙水河航道改造工程初步设计的批复（鲁交规划2008209号）文件中，规定了本工程“航道底宽30m，设计边坡为13，全长51.8km”。麒麟桥位于山东省菏泽市巨野县麒麟镇麒麟村村北，采用（25+39+25）m预应力混凝土连续箱梁跨越洙水河航道，引桥为413m普通钢筋混凝土空心板，桥梁全长148.13m，桥宽7m，采用四级公路标准设计，设计速度20km/h。通航孔处主桥桥墩墩身采用圆头矩形断面，钻孔灌注桩基础。2 通航安全风险研究2.1 航道条件分析桥梁所处河段航道顺直，水流流速较小；航道最小通航水深3.8m，满足1000吨级船舶通航要求。桥梁实际通航净宽37.2m，满足单向航道通航净宽36m要求；桥梁实际通航净高6m，满足批复文件要求，但不能满足规范对级航道通航净高7m的要求。2.2 通航环境分析根据内河通航标准1要求，水上过河建筑物在通航水域设有墩柱时，应设置助航标志、警示标志和必要的墩柱防撞保护设施。本桥助航及警示标志不全、不规范，未设置有效防护装置，不利于桥区水域船舶通航安全。桥梁主跨桥墩位于河道内通航水域内，对船舶航行有一定影响，桥区通航环境一般。洙水河麒麟桥通航安全风险及抗撞性能研究朱小磊，闫显亮，刘 琦（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101）收稿日期：2022-10-10作者简介：朱小磊（1991），男，江苏连云港人，硕士研究生，工程师，研究方向为航道工程与桥梁工程研究设计。朱小磊，闫显亮，刘 琦：洙水河麒麟桥通航安全风险及抗撞性能研究-168-3 抗撞性能研究3.1 抗撞性能标准麒麟桥属中桥，根据公路桥梁抗撞设计规范2，船撞重要性等级为C3级，在L1级设防水准下设防目标为P2级（部分功能降低的临界状态），构件的抗船撞性能等级为JX2级，其性能描述见表1。表 1 桥梁构件的抗船撞性能等级构件的抗船撞性能等级性能描述柱式构件支座桩基础JX1无需维修支座可以保持正常工作碰撞后基础正常工作JX2可修复的损伤支座发生破坏，但不发生落梁；更换主要功能不受影响，无需大的维修即可继续使用JX3更换新构件-需维修加固3.2 有限元模型及撞击力利用MidasCivil有限元软件进行桥梁抗撞性能分析，有限元模型见图1。图 1 主桥结构有限元模型结合到港船型统计数据及内河通航标准1，设防船型采用1000吨级船舶，其总长型宽型深分别为56m9.8m3.5m。采用强迫振动法计算船撞效应，综合航道水流条件和船舶实际航速情况，撞击速度取3m/s，计算得到船舶撞击力时程曲线，见图2。将5#主墩作为被撞桥墩进行模拟，考虑最不利工况，即撞击点位于承台顶面以上6.5m处进行相关分析。3.3 抗撞性能分析3.3.1 桥墩抗撞性能分析（1）弯曲变形性能验算根据公路桥梁抗撞设计规范2要求，柱式构件的性能等级按构件转角或塑性铰区转角划分，需对桥墩底部截面进行弯矩（M）-曲率（）曲线研究，见图3。0.2 0.4 0.6 0.8 1.05 0004 0003 0002 0001 0000撞击力/kN横桥向撞击力无量纲时间图 2 船舶撞击力时程曲线 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025曲率（1/m）25 00020 00015 00010 0005 0000弯矩/（kNm）图 3 桥墩弯矩-曲率曲线实际弯矩曲率曲线等效弯矩曲率曲线桥墩横桥向等效屈服曲率为1.22010-3m-1，极限屈服曲率为24.1910-3m-1，计算可得弯曲变形性能等级的界限值为22.03610-3rad；桥墩顺桥向等效屈服曲率为1.88710-3m-1，极限屈服曲率为53.1410-3m-1，计算可得弯曲变形性能等级的界限值为27.99810-3rad。输入撞击力时程曲线，利用MidasCivil进行时程分析，对桥墩的最大转角进行模拟计算，见图4。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORDISPLACEMENTDisplacementX-旋转2.00736e-0047.86878e-0041.37302e-0031.95916e-0032.54530e-0033.13144e-0033.71759e-0034.30373e-0034.88987e-0035.47601e-0036.06215e-0036.64829e-003系数=3.0685E+002THALL:横桥向MAX:310MIN:335文件：麒麟桥单位：rad日期：07/29/2021表示-方向X:-0.612Y:-0.612Z:0.500-0.000 305-0.000 304-0.000 302-0.000 292-0.000 285-0.000 276-0.000 266-0.000 254-0.000 240-0.000 225-0.000 201-0.006 619-0.006 621-0.006 624-0.006 630-0.006 639-0.006 648-0.006 630-0.006 559-0.006 427-0.006 227-0.005 919-0.004 360图 4 撞击力下桥墩最大转角2023 年第 3 期山东交通科技-169-经分析，墩底横桥向最大转角为4.36010-3rad，低于设计值22.03610-3rad；顺桥向墩底最大转角为2.19110-3rad，低于设计值27.99810-3rad，桥墩弯曲变形性能满足要求。（2）抗剪承载力验算根据公路桥梁抗撞设计规范2相关公式计算可得墩底截面横桥向和顺桥向的抗剪承载力分别为7130kN和6353kN。输入撞击力时程曲线，利用MidasCivil进行时程分析，对船撞力作用下墩底截面最大剪力进行模拟计算，见图5。4.61391e+0020.00000e+000-4.20987e+002-8.62176e+002-1.30337e+003-1.74455e+003-2.18574e+003-2.62693e+003-3.06812e+0033.50931e+003-3.95050e+0034.39169e+003MID AS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE剪力-yTHALL:横向桥文件：麒麟桥单位：kN日期：07/29/2021MAX：94MIN：98表示-方向X:-0.612 Y:-0.612 Z:0.500图 5 撞击力下墩底最大剪力经分析，墩底截面横桥向最大剪力为4392kN，低于设计值7130kN；顺桥向最大剪力为2438kN，低于设计值6353kN，桥墩抗剪承载力满足要求。3.3.2 支座抗撞性能分析本桥主墩采用板式橡胶支座，过渡墩和桥台处采用滑板橡胶支座，根据JX2性能等级对应的支座性能描述，支座可以发生破坏，但不能发生落梁。输入撞击力时程曲线，利用MidasCivil进行时程分析，对船撞力作用下支座位移进行模拟计算，见图6。1086420-2-4-6-8-104#桥墩5#桥墩6#桥墩7#桥台 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0无量纲时间支座位移/cm图 6 撞击力下各支座位移支座横桥向的最大位移为8.7cm，顺桥向的最大位移为4.9cm，均小于梁与盖梁之间的搁置长度。支座虽发生局部位移，但不会导致落梁，支座抗撞性能满足要求。3.3.3 桩基础抗撞性能分析船撞作用属于瞬时荷载，地基在短暂的撞击荷载作用下，单桩的抗压承载能力可直接取其极限承载力。根据公路桥涵地基与基础设计规范3相关公式计算可得单桩的竖向受压极限承载力为7426kN，竖向抗拔极限承载力为2276kN。输入撞击力时程曲线，利用MidasCivil进行时程分析，对船撞力作用下主桥各桩基的轴力进行模拟计算，见图7。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE轴力4.27425e+0033.06021e+0031.84617e+0036.32125e+0020.00000e+000-1.79596e+003-3.010002+003-4.22405e+003-5.43809e+0036.65213e+003-7.86618e+003-9.08022e+003THALL:横向桥文件：麒麟桥单位：kN日期：07/29/2021MAX：164MIN：132表示-方向X:-0.680 Y:-0.522 Z:0.515图 7 撞击力下桩基础最大轴力分析图7可得，在顺桥向船撞力作用下，桩顶截面最大轴压力为5968kN，小于设计值；桩顶截面最大轴拉力为0kN，无轴拉力；在横桥向船撞力作用下，桩顶截面最大轴压力为9080kN，桩顶截面最大轴拉力为4274kN，均远超其极限承载力，故桩基础抗撞性能不满足要求。4 结语（1）麒麟桥通航净空尺度满足批复文件要求，但不满足级航道通航净高7m的要求；桥梁助航及警示标志不全、不规范；主墩位于通航水域内，桥区通航安全风险较高。（2）麒麟桥主桥桩基在横桥向船撞力作用下，单桩轴向受力大于极限承载力，桩基础抗撞性能不满足要求，需开展桥梁防船撞能力提升专项设计。（3）进行桥梁抗撞性能研究时，设防船型为1000吨级货船。在后续进行桥梁防撞能力提升设计时建议考虑2000吨级货船船撞力，以充分保护碰撞船舶及桥梁结构的安全。参考文献：1 中华人民共和国交通运输部.内河通航标准:GB 朱小磊，闫显亮，刘 琦：洙水河麒麟桥通航安全风险及抗撞性能研究-170-501392014S.北京:中国计划出版社,2014.2 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗撞设计规范:JTG/T 3360022020S.北京:人民交通出版社,2020.3 中华人民共和国交通运输部.公路桥涵地基与基础设计规范:JTG 33632019S.北京:人民交通出版社,2019.（上接第145页）专业出现的冲突。经过多次沟通协调、互相提资、修改后完成最终的设计文件。图 3 管线专业模型3 Dynamo 的运用3.1 地形高程与坡度分析通过CAD高程点地形表面工具创建地形模型，在方案阶段利用Dynamo进行高程与坡度分析，在场区选址时综合考虑选择填（挖）方较小区域，减少土石方工程量，见图4。图 4 地形高程与坡度分析3.2 编号添加在建筑三维模型设计中需要为三维构件进行添加编码，在模型中会出现多个同类构件，手动添加会耗费设计人员大量时间。通过Dynamo为同类构件自动编号会显著提升工作效率。基本思路：（1）筛选族类型获取同类型构件；（2）获取构件坐标按照规则排序；（3）将编号写入对应参数栏。4 结语三维正向设计一直作为BIM技术在设计阶段应用的阶段性目标，近年来通过业内学者的努力，三维设计的技术路线基本打通。但是想要在社会层面推广下去，还需降低三维软件的难度，减少学习成本，提升建模效率。新事物的发展必然要经历由小到大，由不完善到完善的过程，当三维设计的效率超过二维设计效率的时候，BIM设计才会迎来高效普及。参考文献：1 王莺.BIM正向设计模式研究与畅想J.智能建筑与智慧城市,2022（4）:120-122.2 卜萍.BIM正向设计在某幼儿园项目中的建模J.建筑技术开发,2022,49（5）:24-26.3 陈亚琴.探析建筑结构设计中BIM技术的应用J.中国建筑金属结构,2022,485（5）:111-113.4 何延宏.浅析BIM技术在建筑结构设计中的应用J.建筑结构,2022,52（8）:164.5 张初倍.BIM正向设计在建筑暖通中的应用J.工程建设与设计,2022（9）:145-147.6 刘志忠,申靖宇.BIM技术正向设计建模标准研究J.大众标准化,2022,365（6）:4-6.7 张琳,BIM技术在建筑给排水设计中的应用分析J.工程与建设,2022,36（1）:82-83,86.