1、投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02164-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-05;修订日期:2022-11-10基金项目:国家自然科学基金(52171274);重庆英才计划 创新创业示范团队(CQYC201903204)第一作者:邓皓天(1998)，男，汉族，重庆人，硕士研究生。研究方向:海洋工程结构。E-mail:Deng_ht1998163 com。*通信作者:刘宪庆(1986)，男，汉族，山东潍坊人
2、，博士，讲师。研究方向:海洋工程结构。E-mail:liuxianqing_1986126 com。引用格式:邓皓天，刘宪庆，余葵，等 斜拉桥船撞风险分析 J 科学技术与工程，2023，23(5):2164-2170Deng Haotian，Liu Xianqing，Yu Kui，et al Ship collision risk analysis of cable-stayed bridgeJ Science Technology and Engineering，2023，23(5):2164-2170斜拉桥船撞风险分析邓皓天1，2，刘宪庆1，2*，余葵1，2，周强1，2，唐亮3(1 重庆交
3、通大学河海学院，重庆 400074;2 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074;3 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074)摘要随着内河航道通航船舶吨位及密度的增加，船桥碰撞风险加剧，成为影响桥梁正常运行以及内河通航安全的关键因素之一。基于 AASHTO 模型，以长江某斜拉桥为例，采用 Xtract 软件和 MIDAS 全桥模型分别计算桥墩控制截面的极限弯矩和桥墩内力，分析确定桥梁桥墩抗力;采用现行规范、经验公式与有限元计算的方法确定桥区通航代表船型对桥墩的撞击力;运用 AASHTO 模型计算桥梁年撞击概率和年撞损概率，确定桥梁风险水平并提出合理化建议。结果表明:该
4、桥梁主墩及辅墩的风险概率均在可接受范围内。关键词AASHTO 模型;桥梁;船舶;碰撞;风险分析中图法分类号U443.22;文献标志码AShip Collision isk Analysis of Cable-stayed BridgeDENG Hao-tian1，2，LIU Xian-qing1，2*，YU Kui1，2，ZHOU Qiang1，2，TANG Liang3(1 Hehai College，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2 National Engineering esearch Center for I
5、nland Waterway egulation，Chongqing 400074，China;3 State Key Laboratory Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing 400074，China)Abstract With the increase of tonnage and density of inland waterway navigable ships，the risk of ship-bridge collision is increas-ing，which has become one of t
6、he key factors affecting the normal operation of bridges and inland navigation safety Based on theAASHTO model，taking a cable-stayed bridge in the Yangtze iver as an example，the ultimate bending moment and internal force ofthe pier control section were calculated by Xtract software and MIDAS full br
7、idge model，and the resistance of the bridge pier was ana-lyzed and determined The impact force of the representative ship type on the bridge pier was determined by the current code，empiricalformula and finite element calculation method AASHTO model was used to calculate the annual impact probability
8、 and annual damageprobability of bridges，determine the bridge risk level and put forward reasonable suggestions The results show that the risk probabilityof the main pier and auxiliary pier of the bridge is within the acceptable range Keywords AASHTO model;bridge;ship;collision;risk analysis近年来，上海大治
9、河桥、湖南平江大桥、上海斜塘大桥、广州洪奇沥大桥和珠海莲溪大桥相继遭受到不同船舶撞击，造成了不同程度的损失1。2021年 1 月，交通运输部印发关于深化防范化解安全生产重大风险工作的意见(交安监发2021 2号)，给出 交通运输安全生产重大风险清单，并将船舶碰撞桥梁风险列入交通运输领域安全生产重大风险清单中。因此，对桥梁结构进行船舶撞击风险评估尤为重要。耿波2 建立了一个桥船安全评估系统，并利用此系统对两座长江大桥进行安全评估。赵君黎等3 将中国桥梁防撞规范与美国、欧洲等规范进行比较研究，发现差异较大。郑植等4 对通明海特大桥桥墩在不同水位下的抗力水平进行分析，并对通明海特大桥的防护装置进行研
10、究。张星星等5 基于美国国家公路与运输协会(American AssociationofStateHighwayandTransportationOfficials，AASHTO)模型，对桥间距、桥位以及能见度进行修正计算，并对典型桥型进行风险概率计算，结果表明风险概率评价较为合理。唐勇等6 将 AASHTO模型、KUNZI 模型和改进的 KUNZI 模型进行比较分析，建议选用前两者的较大数值作为桥墩的碰撞概率。彭可可7 对 AASHTO 模型进行改进，对双塔双索面斜拉桥船的动态偏航概率、年撞击频率进行计投稿网址:www stae com cn算。邵伟峰等8 对 AASHTO 模型进行改进，提
11、出动态桥梁碰撞概率，对白居寺长江大桥进行了船撞风险评估。付旭辉等9 利用有限元法与 AASHTO 模型计算对比，对珠海淇澳大桥进行船撞能力评估。现有的防撞设施有拱形自浮式水上升降防撞装置10、纤维增强复合材料(fiber reinforced poly-mer，FP)防撞浮箱11、新型装配超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)防 撞 装置12、框架结构新型防撞装置13 等防撞设施，但是加装防撞设施后仍存在较大风险，如 2020 年 6 月 9日，西江大桥的防撞浮箱船舶侧向撞击后损毁，直接经济损失 900 万元，次生安全隐患明显。目前对于大跨度
12、斜拉桥船撞风险研究还不够完善14。斜拉桥是大跨度桥梁最主要的桥型，因此现以长江某斜拉桥为例，基于 AASHTO 模型对其涉水桥墩进行船撞风险分析，对自身抗撞能力、船舶撞击力以及桥梁年撞击概率和年撞损概率进行计算，确定桥梁船撞风险，并提出合理化建议。1工程概况1.1桥梁概况算例桥为436 m 双塔双索面斜拉桥。主桥桥长879 m，桥跨组合为主桥(35.5+186+436)m 双塔斜拉桥，全桥长度 1 198.94 m。该斜拉桥的整体布置图见图 1。7#12#表示桥墩编号图 1斜拉桥整体布置图Fig.1Overall layout of cable-stayed bridge1.2桥区水域情况通过
13、调查，距离工程最近的水工建筑物主要有某危险品码头、某航道基地趸船和天然气管道穿越工程以及某油码头。1.3桥区河段水流条件桥梁在长江干流上，河道呈“U”形，水流条件见表 1。表 1桥区河段水流条件Table 1iver flow conditions in bridge area工况水位/m流速/(m s1)夹角/()相对横向流速/(m s1)低水位175701510 44016 1 43高水位198054010 44005 1 43洪水位203065510 44005 1 43从表 1 可以看出，低水期桥区河段水流流速较小;高水期河道中水流流速较大且桥区河段河道弯曲，规划航道中心线与水流流向的
14、夹角较大，相对横向流速较大。由于水面宽度较大，工程河段整体较平顺，主流平面流速变化较均匀。选取的低水位、高水位和洪水位的流速分别是 1.5、4、5.5 m/s。1.4可达性分析船舶在最高通航水位(198.05 m)、洪水位(203.06 m)之间水位通航时，9#12#墩都会发生船撞的风险，其中 9#、10#墩位于主航道区域;船舶在最低通航水位(175.70 m)通航时，仅 10#墩会发生船撞的风险。2桥梁自身抗撞能力分析2.1模型建立在船撞力的作用下，墩柱在墩底处产生最大弯矩和剪力，桩基在桩顶处产生最大弯矩和剪力，一般情况下，可以将墩柱底截面和桩顶截面作为最危险控制截面进行计算。通过 Xtra
15、ct 软件进行桥墩最危险截面处弯矩-曲率曲线的模拟计算。在截面分析软件 Xtract 中输入材料参数，按照实际截面尺寸和配筋建模，网格的划分根据截面尺寸和分析效果进行划分，得出弯矩-曲率曲线。弯矩-曲率分析一般分两个阶段分析，分别是混凝土开裂、钢筋屈服两个阶段，该墩柱具有正常配筋率，受拉钢筋首先屈服，取钢筋屈服时的弯矩作为截面的极限弯矩。建立的极限弯矩计算模型各控制截面的截面形状及网格划分情况见图2。为了确定该斜拉桥主桥自身内力，通过 MIDAS 建立桥梁整体模型，如图3 所示。图 2各控制截面的截面形状及网格划分Fig.2Section shape and meshing of contro
16、l sections56122023，23(5)邓皓天，等:斜拉桥船撞风险分析投稿网址:www stae com cn图 3主墩及辅墩有限元内力计算模型Fig.3Finite element internal force calculationmodel of main pier and auxiliary pier2.2桥墩自身抗撞能力计算参考文献 15 中指出，当桥墩受到大小为 P 的船撞力作用时，船撞力在各桥处产生的内力 F 计算公式为F=P1 000F(1)式(1)中:F 为船撞力在桥产生的内力，此处为极限弯矩，kNm;P 为船撞力，kN;F 为桥墩施加1 000 kN船撞力得到的桥墩内力，此处为截面弯矩，kN m。反之，则可以得到船撞力 P，即桥墩自身抗撞能力，按式(2)计算。P=FF 1 000(2)在 MIDAS 软件计算中，对桥墩施加1 000 kN 的单位荷载，作用在墩底和桩顶以上 2 m 位置中点处16，荷载类型为节点荷载(船只或漂浮物的撞击力)，角度为水平方向横桥向正撞(0)，从而得到桥墩内力，即截面弯矩。由式(2)得到主墩及辅墩在不同水位下的桥墩抗力。截面弯矩、
