港珠澳大桥青州航道桥塔墩防船撞数值模拟与性能分析
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第３ ８ 卷 第 １ 期
２ ０ １ ４年 Ｏ ２月
武汉 理工 大学 学报 （ 交 通科 学 与工程 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ０ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ８ Ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）
分 别取 为 ４ Ｏ ． ４和 ５ ．
Fra Baidu bibliotek
分析 ， 并 对 防撞 钢 套 箱 的 防船 撞 性 能 作 出了 准 确
评 估．
在 进行 碰撞 分析 时 ， 考 虑 到船体 白重 ， 以及水 流对碰撞 的影 响 ， 撞 击 船舶 的总 吨 位 应 根 据船 舶 载重量 与 排水 量 的关 系 ， 以及 ５ ９ ／ ６ 的 附连 水 的 质
・
１ ４ ４ ・
武 汉 理 工 大学 学 报 （ 交通科学 与工程版）
２ ０ １ ４年
第３ ８ 卷
设计 上 不允 许 出现 因船撞 而导 致桥 梁倒 塌 的情 况 发 生． 本文对 青 州 航 道桥 的 防船 撞 措 施 进 行 精 细
相 应 的静 屈 服 应 力 ； Ｄ 和 ｑ为 常 数 ， 对于低碳钢 ，
量．
塔 墩 防撞 钢 套 箱 设 计
防撞 套箱 的设 计综 合 考虑 了重 力 、 浮力 、 船舶 碰撞 力等 荷载 ． 套 箱 由内 围壁 、 外 围壁 、 套 箱底 板 、
顶板 、 箱 内加 劲 、 护弦 ， 以及 封底 混凝 土 底 板 等组 成． 防撞 套箱 上部 挂腿 采用 橡 胶支 座 ， 内 围壁 与 承
２ ）塔 墩 与 钢 套 箱模 拟 桥 梁 在 被 船 舶 撞 击
的过 程 中 ， 由于碰撞 时 间较 短 ， 对 整个 桥梁 结构 产
生 的冲击 作用 大 多 也 主要 集 中于 被 撞 塔 墩． 在 碰
撞 过程 中 ， 考 虑 船首 刚度 对 撞 击 力 大 小 的影 响 比 塔 墩 的抗 推 刚度 要 大 得 多 ， 以及 主 要 是 对塔 墩 设
港珠 澳 大桥跨 越 珠 江 口伶 仃 洋 海 域 ， 是 连 接
香 港 特别行 政 区、 广东 省珠 海市 、 澳 门特 别行 政 区
桥跨 径 最大 的通 航孔 桥 ， 为 双塔钢 箱 梁斜拉 桥 ， 桥 跨 布置 为 １ １ ０ Ｉ Ｔ Ｉ 十２ ３ ６ １ Ｔ Ｉ ＋４ ５ ８ Ｉ ｎ＋ ２ ３ ６ ｒ ｎ＋ １ １ Ｏ ｍ一１ １ ５ ０ ｍ． 主梁采 用扁 平 流线 型钢箱 梁 ． 斜
中图法分类号 ： Ｕ４ ４ ３ ． ２ ６ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ３ ８ ４ ４ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ ３ １
意 义 的世界 级跨 海 通 道 ． 青州 航 道 桥 为 港 珠 澳 大
１ 工程 简介
台侧 表 面之 间采 用 平 板 橡 胶 ， 套 箱 外 表 面 悬 挂 固
定式 复 合材 料 防撞 护 舷 ， 节 段 连 接 板 之 间 安 装橡
图 １ 青 州航道桥布置 图
青 州航 道 是 澳 门 、 珠 海 与 深 圳 之 间 的 高速 客 船 及货 船航 线 ， 同时也 是广 西 、 海南 和粤 西地 区船
舶 进 出珠 江三 角 洲 的 主 要航 线 ． 目前 承 担 了整 个
的５ ２ ． ６ ， 渔 船 及 其他 小船 占 ３ ３ ． ８ ． 从 远 期 来 看， 青 州航 道将 被建 设为 万 吨轮水 道 ． 无论 在建 设
拉 索采 用扇 形 式 双 索 面 布 置 ． 索 塔采 用 Ｈ 形 塔 ， 塔柱 为 钢筋 混凝 土构 件 ， 上剪 刀撑 为 钢结构 ， 布 置
图见 图 １ ．
的超 级跨 海通 道 ， 是列入《 国家 高 速 公 路 网规 划 》 的重要 交 通建 设项 目． 项 目西接 京港 澳 高速公 路 ， 东 接香 港 大屿 山高 速公 路． 是 我 国具 有 国 家 战 略
Ｖｏ １ ． ３８ Ｎ ｏ． １ Ｆｅ ｂ． ２ Ｏ１ ４
港 珠 澳 大 桥青 州 航 道 桥 塔 墩 防船 撞 数 值 模 拟 与 性 能 分 析
冯 清 海 刘 明虎 李 国亮
（ 中交 公 路 规 划 设 计 院 有 限 公 司 北 京 １ ０ ０ ０ ８ ８ ）
摘要 ： 采用 Ｌ Ｓ － Ｄ ＹＮ Ａ动力有 限元分析软件 ， 对 港 珠 澳 大 桥 青 州 航 道 桥 塔 墩 防 船 撞 性 能 进 行 了 数 值 模 拟 与 性 能分 析 ． 塔墩 、 代 表 型 船 舶 与 防撞 钢 套 箱 分 别 采 用 实 体 单 元 、 ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ 单 元模拟 ， 并 以 最 不 利的船舶正撞方式进行撞 击分析 ， 对 塔 墩 设 置 钢 套 箱 后 的撞 击 力 及 钢 套 箱 的 防撞 性 能 进 行 了 比较 分析． 结果表 明 ， 青 州航道桥 塔墩设置 的钢套箱 能有效 地降低撞 击力 ， 具 有 很 好 的 防撞 效 果 ， 且 钢 套箱在受撞部位损伤 较大 ， 但在其他部位保存 完好 ， 可 对受 撞 钢 套 箱 节 段 进 行 更 换 或 维修 即 可 ． 关键词 ： 港珠澳大桥 ； 青州 航道桥 ； 塔墩 ； 数值模拟 ； 防撞 性 能
期 间还 是运 营期 间 ， 青 州航 道 水域 的船 只密 度 和
水 域全 部交 通 量 的 ５ Ｏ ， 其 中高速 客 船 占总 流量
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － １ ０ — ２ ７
吨位都 相 当大． 作为 １ 条连接 ３ 地 的重要通 道 ， 在
冯清海 （ １ ９ ８ ０ 一） ： 男， 博士 ， 高级工程师 ， 主 要 研 究 领 域 为 桥 梁 抗 震 与 抗 撞
２ ０ １ ４年 Ｏ ２月
武汉 理工 大学 学报 （ 交 通科 学 与工程 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ０ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ８ Ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）
分 别取 为 ４ Ｏ ． ４和 ５ ．
Fra Baidu bibliotek
分析 ， 并 对 防撞 钢 套 箱 的 防船 撞 性 能 作 出了 准 确
评 估．
在 进行 碰撞 分析 时 ， 考 虑 到船体 白重 ， 以及水 流对碰撞 的影 响 ， 撞 击 船舶 的总 吨 位 应 根 据船 舶 载重量 与 排水 量 的关 系 ， 以及 ５ ９ ／ ６ 的 附连 水 的 质
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武 汉 理 工 大学 学 报 （ 交通科学 与工程版）
２ ０ １ ４年
第３ ８ 卷
设计 上 不允 许 出现 因船撞 而导 致桥 梁倒 塌 的情 况 发 生． 本文对 青 州 航 道桥 的 防船 撞 措 施 进 行 精 细
相 应 的静 屈 服 应 力 ； Ｄ 和 ｑ为 常 数 ， 对于低碳钢 ，
量．
塔 墩 防撞 钢 套 箱 设 计
防撞 套箱 的设 计综 合 考虑 了重 力 、 浮力 、 船舶 碰撞 力等 荷载 ． 套 箱 由内 围壁 、 外 围壁 、 套 箱底 板 、
顶板 、 箱 内加 劲 、 护弦 ， 以及 封底 混凝 土 底 板 等组 成． 防撞 套箱 上部 挂腿 采用 橡 胶支 座 ， 内 围壁 与 承
２ ）塔 墩 与 钢 套 箱模 拟 桥 梁 在 被 船 舶 撞 击
的过 程 中 ， 由于碰撞 时 间较 短 ， 对 整个 桥梁 结构 产
生 的冲击 作用 大 多 也 主要 集 中于 被 撞 塔 墩． 在 碰
撞 过程 中 ， 考 虑 船首 刚度 对 撞 击 力 大 小 的影 响 比 塔 墩 的抗 推 刚度 要 大 得 多 ， 以及 主 要 是 对塔 墩 设
港珠 澳 大桥跨 越 珠 江 口伶 仃 洋 海 域 ， 是 连 接
香 港 特别行 政 区、 广东 省珠 海市 、 澳 门特 别行 政 区
桥跨 径 最大 的通 航孔 桥 ， 为 双塔钢 箱 梁斜拉 桥 ， 桥 跨 布置 为 １ １ ０ Ｉ Ｔ Ｉ 十２ ３ ６ １ Ｔ Ｉ ＋４ ５ ８ Ｉ ｎ＋ ２ ３ ６ ｒ ｎ＋ １ １ Ｏ ｍ一１ １ ５ ０ ｍ． 主梁采 用扁 平 流线 型钢箱 梁 ． 斜
中图法分类号 ： Ｕ４ ４ ３ ． ２ ６ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ３ ８ ４ ４ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ ３ １
意 义 的世界 级跨 海 通 道 ． 青州 航 道 桥 为 港 珠 澳 大
１ 工程 简介
台侧 表 面之 间采 用 平 板 橡 胶 ， 套 箱 外 表 面 悬 挂 固
定式 复 合材 料 防撞 护 舷 ， 节 段 连 接 板 之 间 安 装橡
图 １ 青 州航道桥布置 图
青 州航 道 是 澳 门 、 珠 海 与 深 圳 之 间 的 高速 客 船 及货 船航 线 ， 同时也 是广 西 、 海南 和粤 西地 区船
舶 进 出珠 江三 角 洲 的 主 要航 线 ． 目前 承 担 了整 个
的５ ２ ． ６ ， 渔 船 及 其他 小船 占 ３ ３ ． ８ ． 从 远 期 来 看， 青 州航 道将 被建 设为 万 吨轮水 道 ． 无论 在建 设
拉 索采 用扇 形 式 双 索 面 布 置 ． 索 塔采 用 Ｈ 形 塔 ， 塔柱 为 钢筋 混凝 土构 件 ， 上剪 刀撑 为 钢结构 ， 布 置
图见 图 １ ．
的超 级跨 海通 道 ， 是列入《 国家 高 速 公 路 网规 划 》 的重要 交 通建 设项 目． 项 目西接 京港 澳 高速公 路 ， 东 接香 港 大屿 山高 速公 路． 是 我 国具 有 国 家 战 略
Ｖｏ １ ． ３８ Ｎ ｏ． １ Ｆｅ ｂ． ２ Ｏ１ ４
港 珠 澳 大 桥青 州 航 道 桥 塔 墩 防船 撞 数 值 模 拟 与 性 能 分 析
冯 清 海 刘 明虎 李 国亮
（ 中交 公 路 规 划 设 计 院 有 限 公 司 北 京 １ ０ ０ ０ ８ ８ ）
摘要 ： 采用 Ｌ Ｓ － Ｄ ＹＮ Ａ动力有 限元分析软件 ， 对 港 珠 澳 大 桥 青 州 航 道 桥 塔 墩 防 船 撞 性 能 进 行 了 数 值 模 拟 与 性 能分 析 ． 塔墩 、 代 表 型 船 舶 与 防撞 钢 套 箱 分 别 采 用 实 体 单 元 、 ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ 单 元模拟 ， 并 以 最 不 利的船舶正撞方式进行撞 击分析 ， 对 塔 墩 设 置 钢 套 箱 后 的撞 击 力 及 钢 套 箱 的 防撞 性 能 进 行 了 比较 分析． 结果表 明 ， 青 州航道桥 塔墩设置 的钢套箱 能有效 地降低撞 击力 ， 具 有 很 好 的 防撞 效 果 ， 且 钢 套箱在受撞部位损伤 较大 ， 但在其他部位保存 完好 ， 可 对受 撞 钢 套 箱 节 段 进 行 更 换 或 维修 即 可 ． 关键词 ： 港珠澳大桥 ； 青州 航道桥 ； 塔墩 ； 数值模拟 ； 防撞 性 能
期 间还 是运 营期 间 ， 青 州航 道 水域 的船 只密 度 和
水 域全 部交 通 量 的 ５ Ｏ ， 其 中高速 客 船 占总 流量
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － １ ０ — ２ ７
吨位都 相 当大． 作为 １ 条连接 ３ 地 的重要通 道 ， 在
冯清海 （ １ ９ ８ ０ 一） ： 男， 博士 ， 高级工程师 ， 主 要 研 究 领 域 为 桥 梁 抗 震 与 抗 撞