蔣益民

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430056)

武漢天興洲長江大橋北汊公路橋墩防撞設(shè)計(jì)

蔣益民

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430056)

摘要以武漢天興洲長江大橋北汊公路橋?qū)嶋H工程為背景，介紹了通航孔橋梁設(shè)置防撞設(shè)施的必要性及防撞裝置設(shè)置的原則和防撞機(jī)理，同時(shí)對橋墩船撞力計(jì)算原則和方法進(jìn)行了介紹和分析，并對該工程所用防撞裝置進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞橋墩防撞浮式防撞裝置設(shè)計(jì)

武漢天興洲公鐵兩用長江大橋位于武漢長江二橋下游9.5km的天興洲江段，北汊公路橋?yàn)榭玳L江北汊公鐵分建平行橋，鐵路在下游，公路在上游。北汊通航孔上部結(jié)構(gòu)采用54.2m+2×80m+54.2m四跨一聯(lián)的雙幅預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,下部結(jié)構(gòu)采用分離式橋墩基礎(chǔ)，墩身分離，墩基礎(chǔ)采用直徑1.8m鉆孔樁，單幅4根，承臺長×寬×高為8.2m×8.2m×3m。

1　北汊通航標(biāo)準(zhǔn)

交通部2003年2月14日以交函水[2003]61號《關(guān)于武漢天興洲公鐵兩用長江大橋通航凈空尺度和技術(shù)要求的函》提出了正式批復(fù)意見。

航道等級：大橋北汊按III級航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

北汊通航凈空高度：≥10m(設(shè)計(jì)最高通航水位以上不小于10m)。

通航水位：采用黃海高程。

設(shè)計(jì)最高通航水位：25.68m(20年一遇)。

設(shè)計(jì)最低通航水位：9.62m。

北汊考慮洪水期可通航小型船舶，統(tǒng)一設(shè)置2個(gè)凈寬不小于60m的通航孔。

2　設(shè)置防撞設(shè)施的必要性

2.1國內(nèi)外橋梁船撞事故

對橋梁安全性產(chǎn)生最大危害原因之一的就是船舶撞擊橋梁(橋墩)事故。廣東“6·15”九江大橋船撞事故，給人們上了一堂深刻的水路和公路交通安全課。

2007年6月15日清晨5時(shí)15分左右，一艘2 000t的運(yùn)沙船(駁船)撞向325國道上的廣東佛山市南海區(qū)九江特大橋橋墩，造成九江大橋靠近鶴山段大約200m的橋面坍塌，有至少5輛橋上行駛的汽車掉入30m深的江中，這是新中國成立以來第一座被船舶撞擊倒塌的大型橋梁。

在國內(nèi)，隨著長江黃金水道的進(jìn)一步開發(fā)利用，長江航道上航行的船舶越來越多，噸位越來越大，長江上船舶撞擊橋墩(梁)的事故時(shí)有發(fā)生。

如南京長江大橋建橋至今已發(fā)生約30起船撞橋事故；武漢長江大橋(公鐵兩用)自從1957年建成以來，大約發(fā)生了70起船撞橋事故；黃石長江公路大橋在3年時(shí)間內(nèi)共發(fā)生碰撞橋墩事故20多起，其中一次船毀人傷，貨物沉沒，橋墩受損，直接經(jīng)濟(jì)損失上千萬元。這些后果對橋梁壽命和安全運(yùn)輸造成了極大的損害。

在國外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1960～1993年的33年中，全世界因船撞橋而導(dǎo)致?lián)p毀的大型橋梁已達(dá)29座，其中美國15座，死亡人數(shù)為321人。美國的陽光大橋、澳大利亞的塔斯曼大橋等都在被船撞塌后重建[1]。

2.2天興洲大橋橋墩3次被撞情況說明

天興洲大橋施工后期由于水上施工基本完成，施工船舶相對較少，非施工船舶經(jīng)過天興洲長江北汊的情況日益增加，船舶碰撞橋墩現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，僅1年多的時(shí)間就發(fā)生過3次。

2007年7月22日11：30，一艘不明船籍、約200t級的空載駁船在北汊航道由上游向下游方向經(jīng)G060～061號墩非通航孔道，船尾部與G061號墩上游側(cè)倒角處發(fā)生碰撞。

2008年9月19日07：30，一艘雙機(jī)空駁船在北汊G063號墩上游側(cè)水域掉頭，在掉頭過程中，由于汛期水流較急，駁船尾部撞上G063號墩承臺。撞擊發(fā)生后，船主立即開足馬力逃逸。

2008年11月15日上午8：50，鄂黃岡拖2258號與漢港駁1500-9編隊(duì)船隊(duì)從天興洲北汊航道由上游下行，試圖從天興洲大橋北汊G063～G064號墩間通過。航行至G063號墩時(shí)，突然拖船右側(cè)撞向G063號上游墩身，使拖船與駁船分離，駁船在水流作用下 ，再次撞向橋墩。駁船順?biāo)h向下游，艙室進(jìn)水在天興洲岸邊的淺灘上擱淺。

以上國內(nèi)外橋梁船撞事故和本橋?qū)嶋H發(fā)生的船舶碰撞橋墩事故充分說明，橋梁設(shè)置防撞設(shè)施是十分必要的。

3　橋墩防撞裝置綜述

3.1防撞的基本原理

采用橋梁防撞設(shè)施的目的是，防止橋梁因船舶撞擊力超過橋墩的設(shè)計(jì)承受能力，保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全。工程上通過采用不同形式的防撞設(shè)施，可以阻止船舶撞擊力傳到橋墩(或橋梁)，或者通過緩沖消能防撞設(shè)施，使沖擊能量通過防撞結(jié)構(gòu)的壓縮、彎曲、剪切變形被吸收掉，延長船舶的撞擊時(shí)間，減小船舶撞擊力，從而最終保護(hù)橋梁安全。

防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩位置、橋墩外形、水流速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進(jìn)行。防撞設(shè)施一般應(yīng)滿足如下要求：

(1) 對碰撞的船舶能量進(jìn)行消能緩沖，使船舶不能直接撞擊橋墩，或使船舶碰撞力控制在安全范圍內(nèi)。

(2) 防撞設(shè)施能滿足高低水位的變化要求，在各種水位條件和各種船舶的裝載狀態(tài)下，撞擊的船舶不能直接觸及墩壁，水下的球首不能直接撞擊承臺和樁基。

(3) 防撞設(shè)施不能影響航道的通航，占用航道范圍盡量少。

(4) 通過合理的結(jié)構(gòu)形式、各種緩沖材料的布置，保護(hù)橋梁的同時(shí)盡量減小通航船舶的損傷。

(5) 防撞設(shè)施制造、安裝、維護(hù)和修理經(jīng)濟(jì)性較好。

(6) 防撞設(shè)施具有很好的可靠性和安全性。

3.2防撞裝置設(shè)置原則

在碰撞過程中，橋墩、防撞設(shè)施和船舶為一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，巨大的船舶動(dòng)能在極短暫的時(shí)間過程中發(fā)生轉(zhuǎn)化，各個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生強(qiáng)烈的改變，要使全部組成單元保持完好無損是困難的，在經(jīng)濟(jì)上也是不合理的，由于橋、船、防撞設(shè)施都是造價(jià)昂貴的工程建筑物，所以根據(jù)設(shè)計(jì)防撞設(shè)施的目的和要求，按以下原則設(shè)置防撞設(shè)施[2]。

(1) 大橋的破壞后果最為嚴(yán)重，確保橋梁安全是防撞設(shè)施設(shè)計(jì)的首要目的，為了保證大橋的安全，即使防撞設(shè)施和船舶損壞也是合理的、必要的。

(2) 防撞設(shè)施的損壞是允許的，但應(yīng)易于修復(fù)，以使大橋不失保護(hù)狀態(tài)。

(3) 船舶是碰撞事故的責(zé)任方，但船舶的沉沒也是極大的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響航道暢通，應(yīng)予避免，所以對船舶的保護(hù)在防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)中也應(yīng)給予必要考慮，應(yīng)避免沉船事故的發(fā)生。

4　北汊公路橋船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)確定

4.1橋墩船撞力計(jì)算原則

采用通航橋區(qū)代表船型,在船舶滿載下水航行的情況下,船舶撞擊橋墩來計(jì)算船舶撞擊力。

4.2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算橋墩船撞撞擊力

(1) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算橋墩船撞撞擊力見表1。

表1　船撞力計(jì)算比較表

由表1可見，不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差很大。以往大量的研究成果表明，在目前的代表船舶和撞擊速度下，表1中AASHTO公式計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)、船撞有限元計(jì)算仿真結(jié)果較為接近。因此，這里推薦值取AASHTO規(guī)范計(jì)算結(jié)果是合理的[3]。

(2) 根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)船撞力。見表2。

表2　橋梁結(jié)構(gòu)船撞力計(jì)算

由表2可見，有防撞消能設(shè)施后橋梁結(jié)構(gòu)所受船舶撞擊力大大減小，可有效地保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

5　橋墩防撞方案設(shè)計(jì)

本防撞設(shè)施為套在橋墩外圍的浮式等截面橋墩防撞裝置，它由內(nèi)、外2層結(jié)構(gòu)組成：其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由多個(gè)板梁結(jié)構(gòu)的密封艙室、桁架支撐結(jié)構(gòu)、以及與橋墩表面接觸處安裝有多個(gè)滾輪組件和緩沖吸能阻尼元件構(gòu)成，外部結(jié)構(gòu)是由阻尼吸能元件、鋼結(jié)構(gòu)共同聯(lián)系在一起組成的第一層防撞結(jié)構(gòu)。同時(shí)為防止低水位河床淤積后本防撞設(shè)施落于河床面被河床淤泥吸附不能浮動(dòng)情況，特在承臺頂部設(shè)置低水位托架，能使防撞設(shè)施在低水位時(shí)落于此托架而不被河床淤泥吸附，保證防撞設(shè)施在各種水位條件下正常運(yùn)用。防撞裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　浮式等截面多級消能柔性防撞裝置(單位：mm)

該浮式等截面橋墩防撞裝置具有如下特點(diǎn)。

(1) 該防撞裝置是套在橋墩周圍的浮式鋼結(jié)構(gòu)，由于消浪結(jié)構(gòu)的存在，可減少防撞裝置頻繁地、硬性地撞擊橋墩。這一點(diǎn)克服了眾多“浮式橋墩防撞裝置”的致命弱點(diǎn)。

(2) 該防撞裝置由2套防撞體組成，內(nèi)層由板梁結(jié)構(gòu)組成的浮式鋼結(jié)構(gòu)提供浮力，外層非連續(xù)(間斷的)鋼結(jié)構(gòu)和阻尼吸能元件負(fù)責(zé)減少船撞時(shí)結(jié)構(gòu)之間的摩擦力，減少結(jié)構(gòu)碰撞損傷。

當(dāng)船舶撞擊防撞裝置時(shí)，船舶首先接觸第一層防撞結(jié)構(gòu)，外層非連續(xù)(間斷的)結(jié)構(gòu)鋼板發(fā)生大的變形，吸收了部分碰撞能量，并且延長了接觸時(shí)間，使撞擊力峰值得以降低；同時(shí)由于結(jié)構(gòu)變形和相互作用，從而撥動(dòng)船頭方向，減少了船舶與結(jié)構(gòu)間的能量交換[4]。

當(dāng)碰撞過程繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，內(nèi)部與橋墩接觸處的緩沖吸能阻尼元件進(jìn)一步變形、吸能，再次改變船頭航向，再次降低船撞力。由于此裝置由2層吸能結(jié)構(gòu)組成，較傳統(tǒng)的防撞裝置有更大的吸能、防撞能力，以及撥動(dòng)船頭航向的功能；同時(shí)，在保護(hù)橋梁免受損傷的同時(shí)，最大限度地降低了船舶的損傷，保護(hù)了船舶的安全，以及最大限度地減少船舶碰撞后的泄漏事故發(fā)生。

由于最外層非連續(xù)(間斷的)鋼板結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，使得船舶發(fā)生撞擊后，維修更換非常方便。當(dāng)撞擊發(fā)生后，一般情況下，外部損失都是局部的，如果局部變形不大可現(xiàn)場維修，非常大的局部鋼板破壞，可更換被撞壞的個(gè)別最外層非連續(xù)(間斷的)鋼板結(jié)構(gòu)，保證防撞裝置正常使用。

(3) 在鋼筋混凝土橋墩結(jié)構(gòu)表面接觸處，安裝滾輪與橋墩外表面直接接觸，用滾動(dòng)摩擦代替磨損較嚴(yán)重的傳統(tǒng)方式的滑動(dòng)摩擦浮式鋼套箱，該滾輪在船舶撞擊橋墩時(shí)，當(dāng)碰撞力達(dá)到一定的大小，滾輪裝置失效，退出工作狀態(tài)；此時(shí)，內(nèi)壁上多個(gè)緩沖吸能阻尼元件直接接觸橋墩表面，參與碰撞吸能。

(4) 在低水位時(shí)利用托架支承，可免于被河床淤泥吸附，保證防撞設(shè)施的正常運(yùn)用。

該防撞裝置2011年安裝使用至今，一切正常，特別在低水位條件下能正常運(yùn)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。安裝完成后的防撞裝置見圖2。

圖2安裝完成后的防撞裝置

6　結(jié)語

本防撞裝置設(shè)計(jì)中根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩外形、水流速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進(jìn)行詳細(xì)的分析比較，并對船撞力進(jìn)行了較詳細(xì)的計(jì)算分析，所提出的浮式等截面多級消能柔性防撞裝置能有效保護(hù)橋墩，不影響通航，能自由浮動(dòng)并已正常運(yùn)用至今。本防撞裝置的成功應(yīng)用可為類似橋梁提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-05-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.011