上海内河跨航道桥梁防撞墩标准化设计探讨
岳申舟 欧阳龙山
摘 要：增设防撞墩是减轻内河跨航道桥梁安全隐患和提高桥梁防撞能力的一个主要工程措施。为批量解决内河跨航道桥梁的防撞设计问题，本文结合桥梁防撞标准，对防撞墩的标准化进行探讨和分析，提供标准化思路和相关设计成果，供相关工程参考。
关键词：内河；跨航道桥梁；防撞墩；标准化设计
中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）6-0039-02
1 防撞墩标准化设计案例
1.1防撞标准
某内河桥梁防撞工程所属航道等级为Ⅲ级，根据上海市地方标准《内河航道工程设计规范》（DG/TJ08-2116-2012），该桥梁防撞标准为：90TEU集装箱自航驳、撞击速度4.2m/s。防撞代表船型参数如下表：
为尽量减小单座防撞墩的规格尺寸，避免过多的占用河道面积，根据已有工程案例和经验，防撞墩在防撞标准作用下（满载正撞）允许被撞坏，但要求船舶撞击速度减小至零或反弹回去，从而确保船舶不继续撞击桥墩。
2防撞墩方案
满足上述防撞标准的桩基防撞墩定为A型，分别考虑A1型和A2型两种方案。
2.1 A1型
如图2-1所示，防撞墩宽5.0m、长7.6m，墩台顶标高取4.8m，墩台厚度取2.9m；墩台迎撞面采用弧形尖头设计，便于拨转船头；下部桩基由5根1000mm钢管桩组成。防撞墩迎撞面设置复合防护材料，使船舶撞击面相对柔软，一定程度上减小撞击面的破坏程度，延缓撞击时间和减小撞击力。
2.2 A2型
如图2-2所示，与方案A1相比，主要区别在于方案A2桩基采用灌注桩，直径取1.2m。防撞墩宽5.9m、长8.9m。
2.3 方案比较
A型防撞墩两个方案技术上均可行，主要区别在于桩基类型不同。A1型防撞墩规格尺寸相对较小，撞坏后钢管桩可以拔除，不会形成地下障碍物；但沉桩比较困难，传统的专业沉桩船无法进场，履带吊（陆上或船载）+震动锤的沉桩深度有限；目前较为成功的沉桩方法为双拼平板驳+陆上打桩机，该方法一次沉桩长度15m左右，需要水上接桩和多次接桩，但双拼平板驳占用的河道水域较多，对通航安全影响较大（可能需要封航），沉桩过程中的持续震动对附近建筑物有一定影响，且要求沉桩水域上空的架空管线高度满足打桩机富裕空间要求。
A2型防撞墩规格尺寸略大，撞坏后灌注桩难以拔除，一般水下泥面切割处理，会形成地下障碍物，但灌注桩成桩工艺对施工设备要求较低，对通航环境影响也小，相对来讲，成桩更具有可行性。
3防撞计算
3.1 静力学方法
关于桥梁防撞设计，目前可供参考的规范有公路行业、铁路行业相关规范。
3.1.1 撞击力计算
（1）公路行业规范。现行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）关于船舶对桥墩撞击力的规定中，没有1000吨级船舶撞击力经验数据列表，撞击力大小可采用规范中关于漂浮物的撞击作用计算公式：
式中，W — 漂浮物重量，取19920kN；V — 撞击速度，取4.2m/s；T — 撞击时间，应根据实际资料估计，无资料时取1s；g — 重力加速度，取值9.81 m/s2。
根据计算公式，船舶对桥墩撞击力计算结果影响较大的参数是撞击时间，结合规范取值及后文有限元动态模拟计算结果，取1.0～2.0s。经计算，船舶撞击力约为4264～8528kN。
（2）铁路行业规范。《铁路桥涵设计基本规范》（TB100002.1-2005）关于承台承受船舶及排筏撞击力计算公式，如下：
式中，γ — 动能折减系数，当船舶或排筏斜向撞击墩台时可取0.2，正向撞击时可取0.3；W — 船只或排筏重量，取19920kN；V — 撞击速度，取4.2m/s；α — 撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况确定，如有困难，可取α=20°；C1、C2 — 船只或排筏的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数，缺乏资料时可假定C1+C2=0.0005m/kN。
根据计算公式及上述取值，船舶对桥墩正向、斜向撞击力分别约为2726kN、1818kN。
3.1.2 静态计算方法存在的问题
根据上述两本规范计算出的船舶撞击力大小，差异很大，撞击力取值是一大难点。根据本次桥梁防撞设计理念，防撞墩在撞击力作用下（满载正撞）允许被撞坏，采用静力方法是无法解决其结构计算问题，需采用有限元动态模拟方法。规范方法计算出的撞击力值可作为验证模型的参考。
3.2 有限元动态模拟法
3.2.1 计算方法
采用Ansys/LS-Dyna软件，进行有限元模拟。
3.2.2 计算条件
（1）船型：90TEU集装箱自航驳，满载排水量为1992t，附连水系数取0.05；
（2）撞击速度：取4.2m/s；
（3）撞擊水位：取设计最高通航水位3.75m；
（4）撞击方向：正撞。
3.2.3计算内容：船撞力大小、撞击能量、撞击时间、撞击速度、防撞墩位移等
3.2.4有限元建模
（1）撞击船舶。撞击船由船艏和船身两部分组成，均采用shell163壳单元模拟。船艏是主要撞击区域，其有限元模型包括外板、各层甲板、横向舱壁等细部构件。撞击过程中船身并不发生变形，仅对撞击船的刚度和质量有影响，将其处理成刚性。船艏撞击区材料考虑了材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响。船艏的材料模型选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，用改进后的Cowper-Symonds本构方程表征应变率对材料屈服强度的影响。有关参数为：密度7.85×10-9 t/mm3，弹性模量2.10×105MPa，硬化模量1.18×103MPa，屈服应力2.35×103MPa，泊松比0.3，硬化参数0，失效应变0.34，应变率参数C=40，P=50。由于船体中后部因远离撞击区域，实际不发生任何变形，仅提供刚度和质量的影响，用刚性实体单元简化模拟。
（2）防撞墩。在建立承台及桩基础的有限元模型时，采用solid164实体单元模拟，由于该工程覆盖层较深，覆盖层均为粘土，桩土相互作用的处理方法根据实际运算经验以及文献资料[3]，近似取冲刷线下4～6倍桩径处的位置进行固结处理。采用塑性随动模型来模拟防撞墩，有关参数为：密度2.50×10-9t/mm3，弹性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，屈服应力40MPa。
（3）复合材料。复合防護材料由复合材料面层、复合材料格构腹板及聚氨酯闭孔芯材组成。复合材料面层及复合材料格构腹板采用壳单元模拟，耗能材料采用实体单元模拟，不考虑界面剥离。复合材料面层采用线弹性材料*MAT_ELASTIC本构，密度为1.8×10-9 t/mm3，弹性模量1×104MPa，泊松比0.25；耗能材料采用弹塑性*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本构，密度为4×10-11 t/mm3，弹性模量48.54MPa，泊松比0.03。防撞设施厚度80cm，固定在防撞墩上。
4、计算结果
根据有限元模拟计算结果可知，在90TEU集装箱自航驳满载正撞、撞击速度4.2m/s情况下，防撞墩两个结构方案均可使船舶速度降到0，无多余能量撞击桥梁，从而保护桥梁安全。在这个过程中，防撞墩被撞坏，但桥梁免受撞击。
根据上述防撞墩方案设计和有限元动态模拟计算结果，A型防撞墩两个方案均满足上海内河Ⅲ级航道上跨桥梁的防撞设计要求，且正撞工况下，不需利用桥梁自身抗撞能力，达到了标准化设计要求，可供类似工程设计参考。
5 结论
（1）适合内河跨航道桥梁防撞的防撞设施主要有固定或浮式防撞装置和桩基防撞墩等两种类型；其中固定或浮式防撞装置设计需要利用桥梁自身的抗撞能力，需要“一桥一专题”进行研究，难以脱离桥梁予以标准化设计。
（2）除水域较为宽阔的跨航道大桥（如黄浦江）外，其他内河跨航道桥梁的自身结构抗撞能力一般较弱，如增设桩基防撞墩，可考虑船舶正面撞击后不继续撞击桥墩，船舶正面撞击能量均由防撞墩承受。
（3）桥梁防撞标准包括代表船舶吨级、撞击速度；从设计的角度来讲，桩基防撞墩的规格可根据防撞标准进行“定制”，仅与航道等级有关系。
（4）实际工程案例表明，防撞墩标准化设计成果可有效地解决成批内河跨航道桥梁的防撞设计问题，较大地提高实际设计工作的效率。
参考文献：
[1] 祝露， 刘伟庆， 方海. 内河桥梁用新型复合材料防船撞护舷的结构设计与工程应用[J]. 玻璃钢/复合材料. 2015，（7）：63-68
[2]DG/TJ08-2116-2012，内河航道工程设计规范[S].
[3]中国船级社. 海上固定平台入级与建造规范. 人民交通出版社，1992.
摘 要：增设防撞墩是减轻内河跨航道桥梁安全隐患和提高桥梁防撞能力的一个主要工程措施。为批量解决内河跨航道桥梁的防撞设计问题，本文结合桥梁防撞标准，对防撞墩的标准化进行探讨和分析，提供标准化思路和相关设计成果，供相关工程参考。
关键词：内河；跨航道桥梁；防撞墩；标准化设计
中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）6-0039-02
1 防撞墩标准化设计案例
1.1防撞标准
某内河桥梁防撞工程所属航道等级为Ⅲ级，根据上海市地方标准《内河航道工程设计规范》（DG/TJ08-2116-2012），该桥梁防撞标准为：90TEU集装箱自航驳、撞击速度4.2m/s。防撞代表船型参数如下表：
为尽量减小单座防撞墩的规格尺寸，避免过多的占用河道面积，根据已有工程案例和经验，防撞墩在防撞标准作用下（满载正撞）允许被撞坏，但要求船舶撞击速度减小至零或反弹回去，从而确保船舶不继续撞击桥墩。
2防撞墩方案
满足上述防撞标准的桩基防撞墩定为A型，分别考虑A1型和A2型两种方案。
2.1 A1型
如图2-1所示，防撞墩宽5.0m、长7.6m，墩台顶标高取4.8m，墩台厚度取2.9m；墩台迎撞面采用弧形尖头设计，便于拨转船头；下部桩基由5根1000mm钢管桩组成。防撞墩迎撞面设置复合防护材料，使船舶撞击面相对柔软，一定程度上减小撞击面的破坏程度，延缓撞击时间和减小撞击力。
2.2 A2型
如图2-2所示，与方案A1相比，主要区别在于方案A2桩基采用灌注桩，直径取1.2m。防撞墩宽5.9m、长8.9m。
2.3 方案比较
A型防撞墩两个方案技术上均可行，主要区别在于桩基类型不同。A1型防撞墩规格尺寸相对较小，撞坏后钢管桩可以拔除，不会形成地下障碍物；但沉桩比较困难，传统的专业沉桩船无法进场，履带吊（陆上或船载）+震动锤的沉桩深度有限；目前较为成功的沉桩方法为双拼平板驳+陆上打桩机，该方法一次沉桩长度15m左右，需要水上接桩和多次接桩，但双拼平板驳占用的河道水域较多，对通航安全影响较大（可能需要封航），沉桩过程中的持续震动对附近建筑物有一定影响，且要求沉桩水域上空的架空管线高度满足打桩机富裕空间要求。
A2型防撞墩规格尺寸略大，撞坏后灌注桩难以拔除，一般水下泥面切割处理，会形成地下障碍物，但灌注桩成桩工艺对施工设备要求较低，对通航环境影响也小，相对来讲，成桩更具有可行性。
3防撞计算
3.1 静力学方法
关于桥梁防撞设计，目前可供参考的规范有公路行业、铁路行业相关规范。
3.1.1 撞击力计算
（1）公路行业规范。现行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）关于船舶对桥墩撞击力的规定中，没有1000吨级船舶撞击力经验数据列表，撞击力大小可采用规范中关于漂浮物的撞击作用计算公式：
式中，W — 漂浮物重量，取19920kN；V — 撞击速度，取4.2m/s；T — 撞击时间，应根据实际资料估计，无资料时取1s；g — 重力加速度，取值9.81 m/s2。
根据计算公式，船舶对桥墩撞击力计算结果影响较大的参数是撞击时间，结合规范取值及后文有限元动态模拟计算结果，取1.0～2.0s。经计算，船舶撞击力约为4264～8528kN。
（2）铁路行业规范。《铁路桥涵设计基本规范》（TB100002.1-2005）关于承台承受船舶及排筏撞击力计算公式，如下：
式中，γ — 动能折减系数，当船舶或排筏斜向撞击墩台时可取0.2，正向撞击时可取0.3；W — 船只或排筏重量，取19920kN；V — 撞击速度，取4.2m/s；α — 撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况确定，如有困难，可取α=20°；C1、C2 — 船只或排筏的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数，缺乏资料时可假定C1+C2=0.0005m/kN。
根据计算公式及上述取值，船舶对桥墩正向、斜向撞击力分别约为2726kN、1818kN。
3.1.2 静态计算方法存在的问题
根据上述两本规范计算出的船舶撞击力大小，差异很大，撞击力取值是一大难点。根据本次桥梁防撞设计理念，防撞墩在撞击力作用下（满载正撞）允许被撞坏，采用静力方法是无法解决其结构计算问题，需采用有限元动态模拟方法。规范方法计算出的撞击力值可作为验证模型的参考。
3.2 有限元动态模拟法
3.2.1 计算方法
采用Ansys/LS-Dyna软件，进行有限元模拟。
3.2.2 计算条件
（1）船型：90TEU集装箱自航驳，满载排水量为1992t，附连水系数取0.05；
（2）撞击速度：取4.2m/s；
（3）撞擊水位：取设计最高通航水位3.75m；
（4）撞击方向：正撞。
3.2.3计算内容：船撞力大小、撞击能量、撞击时间、撞击速度、防撞墩位移等
3.2.4有限元建模
（1）撞击船舶。撞击船由船艏和船身两部分组成，均采用shell163壳单元模拟。船艏是主要撞击区域，其有限元模型包括外板、各层甲板、横向舱壁等细部构件。撞击过程中船身并不发生变形，仅对撞击船的刚度和质量有影响，将其处理成刚性。船艏撞击区材料考虑了材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响。船艏的材料模型选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，用改进后的Cowper-Symonds本构方程表征应变率对材料屈服强度的影响。有关参数为：密度7.85×10-9 t/mm3，弹性模量2.10×105MPa，硬化模量1.18×103MPa，屈服应力2.35×103MPa，泊松比0.3，硬化参数0，失效应变0.34，应变率参数C=40，P=50。由于船体中后部因远离撞击区域，实际不发生任何变形，仅提供刚度和质量的影响，用刚性实体单元简化模拟。
（2）防撞墩。在建立承台及桩基础的有限元模型时，采用solid164实体单元模拟，由于该工程覆盖层较深，覆盖层均为粘土，桩土相互作用的处理方法根据实际运算经验以及文献资料[3]，近似取冲刷线下4～6倍桩径处的位置进行固结处理。采用塑性随动模型来模拟防撞墩，有关参数为：密度2.50×10-9t/mm3，弹性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，屈服应力40MPa。
（3）复合材料。复合防護材料由复合材料面层、复合材料格构腹板及聚氨酯闭孔芯材组成。复合材料面层及复合材料格构腹板采用壳单元模拟，耗能材料采用实体单元模拟，不考虑界面剥离。复合材料面层采用线弹性材料*MAT_ELASTIC本构，密度为1.8×10-9 t/mm3，弹性模量1×104MPa，泊松比0.25；耗能材料采用弹塑性*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本构，密度为4×10-11 t/mm3，弹性模量48.54MPa，泊松比0.03。防撞设施厚度80cm，固定在防撞墩上。
4、计算结果
根据有限元模拟计算结果可知，在90TEU集装箱自航驳满载正撞、撞击速度4.2m/s情况下，防撞墩两个结构方案均可使船舶速度降到0，无多余能量撞击桥梁，从而保护桥梁安全。在这个过程中，防撞墩被撞坏，但桥梁免受撞击。
根据上述防撞墩方案设计和有限元动态模拟计算结果，A型防撞墩两个方案均满足上海内河Ⅲ级航道上跨桥梁的防撞设计要求，且正撞工况下，不需利用桥梁自身抗撞能力，达到了标准化设计要求，可供类似工程设计参考。
5 结论
（1）适合内河跨航道桥梁防撞的防撞设施主要有固定或浮式防撞装置和桩基防撞墩等两种类型；其中固定或浮式防撞装置设计需要利用桥梁自身的抗撞能力，需要“一桥一专题”进行研究，难以脱离桥梁予以标准化设计。
（2）除水域较为宽阔的跨航道大桥（如黄浦江）外，其他内河跨航道桥梁的自身结构抗撞能力一般较弱，如增设桩基防撞墩，可考虑船舶正面撞击后不继续撞击桥墩，船舶正面撞击能量均由防撞墩承受。
（3）桥梁防撞标准包括代表船舶吨级、撞击速度；从设计的角度来讲，桩基防撞墩的规格可根据防撞标准进行“定制”，仅与航道等级有关系。
（4）实际工程案例表明，防撞墩标准化设计成果可有效地解决成批内河跨航道桥梁的防撞设计问题，较大地提高实际设计工作的效率。
参考文献：
[1] 祝露， 刘伟庆， 方海. 内河桥梁用新型复合材料防船撞护舷的结构设计与工程应用[J]. 玻璃钢/复合材料. 2015，（7）：63-68
[2]DG/TJ08-2116-2012，内河航道工程设计规范[S].
[3]中国船级社. 海上固定平台入级与建造规范. 人民交通出版社，1992.
