廖智明

(泛華建設(shè)集團有限公司深圳設(shè)計分公司　深圳　518034)

紅海大橋船舶撞擊力選用

廖智明

(泛華建設(shè)集團有限公司深圳設(shè)計分公司深圳518034)

摘要采用目前應(yīng)用比較廣泛的幾種船舶撞擊力計算方法對紅海大橋橋墩船舶撞擊力進(jìn)行計算，并與現(xiàn)行公路規(guī)范規(guī)定的內(nèi)河船舶撞擊力進(jìn)行比較，提出現(xiàn)行公路規(guī)范規(guī)定的內(nèi)河船舶撞擊力偏小，安全度低，考慮到近年來部分撞橋事故計算分析情況，為保障橋梁的安全運行，建議采用修正的沃辛公式所計算的駁船撞擊力作為船舶撞擊力的設(shè)計值較為合適。

關(guān)鍵詞船舶撞擊力沃辛公式防撞措施

隨著大量跨江跨海大橋的修建，通航船舶的規(guī)模化，加上橋區(qū)環(huán)境(如流速、風(fēng)速、彎道沖刷、淤積、潮位等)的改變，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生船撞橋事故，不但威脅船舶通行的安全，嚴(yán)重影響橋梁的安全運營，還常常會帶來生命和財產(chǎn)的巨大損失，因此在橋梁設(shè)計時必須仔細(xì)考慮防撞策略。

紅海大橋工程位于東莞市石龍鎮(zhèn)境內(nèi)，起點位于東莞市石龍鎮(zhèn)規(guī)劃中的沿江路，與沿江路平交，向北跨越東江北支流，終點接紅海區(qū)規(guī)劃路。由于橋位處東江北支流為三級航道，因此紅海大橋橋墩抗船舶撞擊是設(shè)計中必須考慮的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。為進(jìn)行該橋的船撞設(shè)計，首要問題是船舶對橋墩撞擊力的選用，船舶撞擊力的選用是否恰當(dāng)，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與橋梁方案的經(jīng)濟性，若按最大船撞力選用，橋梁防撞能力過高，必然導(dǎo)致橋梁修建費用過高，經(jīng)濟性欠佳。但是若船撞力選用太小，則結(jié)構(gòu)安全存在潛在危險，可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。在船舶碰撞事故中，要確定船對橋梁的碰撞力是非常復(fù)雜的，既取決于船舶特性和橋梁結(jié)構(gòu)，包括船舶類型、尺寸、速度、船體強度及剛度、橋梁撞擊部位尺寸、形狀、質(zhì)量和側(cè)向抗力特性等，還受碰撞環(huán)境、撞擊力的偏心和水深影響。目前國內(nèi)外對船舶撞擊力的研究比較多，大部分基于能量法，將動力問題轉(zhuǎn)換為靜力問題來處理，下面采用幾種應(yīng)用比較廣泛的典型計算方法，對紅海大橋船撞力的取值進(jìn)行計算比選，從而確定合理的船撞力，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟性。

1設(shè)計參數(shù)

根據(jù)廣東省航道局文件，紅海大橋橋位航段定級為三級航道，設(shè)計通航水位珠基5.10 m，通航孔凈寬B應(yīng)不小于117.4 m，上底寬b應(yīng)不小于98 m，通航孔凈高H不小于8 m，側(cè)高h(yuǎn)應(yīng)不小于6 m。設(shè)計通航船舶噸級為1 000 t，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2004)[1]1 000 t內(nèi)河船舶的船型尺寸，貨船為長×寬×吃水深度=49.9 m×15.6 m×2.8 m，駁船為長×寬×吃水深度=67.5 m×10.8 m×2.0 m，航速約為6 m/s。另根據(jù)廣東省海事局《珠江口水域安全航行規(guī)定》[2]第46條的規(guī)定，船只過橋時航速限制在8 kn(約4.1 m/s)以下。

2幾種典型計算方法

2.1　修正的Woisin公式(沃辛公式，德國)

Woisin教授[3]對24個40 000 t以上的散裝貨船的與剛性墻壁的撞擊進(jìn)行了縮小比例的模型試驗，碰撞速度約為8 m/s，總結(jié)出散裝貨船對剛性橋墩的關(guān)于時間平均的有效撞擊力的經(jīng)驗公式

式中：Pi為平均沖撞力，MN；DWT為船舶載重量，t。

碰撞過程中的平均撞擊力和最大撞擊力的關(guān)系大約滿足以下關(guān)系：

Pmax=2Pi

沃辛公式有一個明顯的缺陷就是沒有速度，船舶撞擊橋梁的船撞力很明顯是與撞擊力有直接的關(guān)系，沃辛公式里則沒有表現(xiàn)出這一點，所以1993年國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(IABSE)出版的《船舶碰撞橋梁專冊》[4]中的船撞力計算公式，在沃辛公式的基礎(chǔ)上作了修正，修正的沃辛公式為

式中：P為船舶對橋墩的撞擊力，kN；V為船速，m/s；D為船舶排水量，t。

順橋向船撞擊力取橫橋向船撞力的50%。

2.2　美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范(AASHTO-1994)[5]

船舶等效正面靜止撞擊力按下式計算。

式中：PB為船舶的等效正面靜止撞擊力，N；DWT為船舶載重量，t；V為船舶的撞擊速度，m/s。

由于在美國內(nèi)河航道上拖駁船隊非常常見，一般拖駁船隊可包括15~20艘駁船，總長可超過300 m，因此規(guī)范對于駁船隊對橋墩的撞擊力單獨規(guī)定了計算公式，駁船橫橋向撞擊力為

若αB<100 mm，PB=6.0×104αB

若αB>100 mm，PB=6.0×106+1 600αB

式中：PB為等效靜止駁船撞擊力，N；αB為駁船船頭破壞長度，mm；

式中：KE為船只的撞擊能量，J，KE=500CHMV2，其中：CH為水動力質(zhì)量系數(shù)；M為船只排水噸位，t；V為船只撞擊速度，m/s。

順橋向船撞擊力取橫橋向船撞力的50%。

2.3　《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[6]

漂流物橫橋向船撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算。

式中：F為撞擊力，kN；W為漂流物重量，kN；v為水流速度，m/s；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；t為撞擊時間，s，應(yīng)根據(jù)實際資料估計，在無實際資料時，可用1 s。

2.4　鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范(TB10002.1-2005)[7]

撞擊力按下式計算。

式中：F為撞擊力，kN;γ為動能折減系數(shù)，m/s1/2，正向撞擊時取0.3，斜向撞擊時取0.2；v為船只或排筏撞擊墩臺時的速度，m/s；α為船只或排筏駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角；W為船只重或排筏重，kN；c1,c2為船只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時可假定c1+c2=0.000 5 m/kN

3各種公式計算結(jié)果

對于紅海大橋，計算時船型取駁船，最大載重量為1 000 t，最大排水量為1 660 t，船舶撞擊速度為3 m/s。根據(jù)以上各公式計算結(jié)果見表1。

表1　各公式船撞力計算結(jié)果　kN

由表1可見，國外規(guī)范或公式計算結(jié)果遠(yuǎn)大于國內(nèi)規(guī)范計算結(jié)果,是國內(nèi)規(guī)范計算結(jié)果的2.07～2.43倍，現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》所規(guī)定的1 000 t內(nèi)河船舶撞擊力(橫橋向800 kN，順橋向650 kN)比鐵路規(guī)范、美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范、沃辛公式及公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范漂流物公式均偏小。其中美國AASHTO規(guī)范計算結(jié)果最大，對于船橋碰撞力的計算是偏于安全的，而國內(nèi)公路、鐵路規(guī)范計算結(jié)果較為接近，但計算結(jié)果偏小，安全度低，修正的沃辛公式計算結(jié)構(gòu)較為適中,根據(jù)以往工程經(jīng)驗，且考慮到近年來部分撞橋事故計算分析情況，筆者認(rèn)為修正的沃辛公式結(jié)果作為紅海大橋船舶撞擊力的取值較為合適，因此紅海橋設(shè)計時采用了修正的沃辛公式所計算的1 000 t駁船撞擊力(橫橋向7 000 kN，順橋向3 500 kN)作為船舶撞擊力的設(shè)計值來控制設(shè)計。

4防撞措施

橋梁防撞的目的是防止橋梁因船舶撞擊力超過橋墩的設(shè)計承受能力,保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全。工程上通過采用不同型式的防撞設(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,延長船舶的撞擊時間,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)計需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的

外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進(jìn)行設(shè)計。

防撞設(shè)施一般應(yīng)滿足如下要求：①吸能能力要大，但更重要的是將船的動能仍保留在船上；②防撞設(shè)施不能影響航道的通航,占用航道范圍盡量少；③通過合理的結(jié)構(gòu)形式、各種緩沖材料的布置,盡量減小通航船舶的損傷；④防撞設(shè)施制造、安裝、維護(hù)和修理經(jīng)濟性較好；⑤防撞設(shè)施具有很好的可靠性和安全性；⑥應(yīng)適應(yīng)水位變化的要求:枯水、洪水；漲潮、退潮；⑦不因設(shè)置防撞裝置而增加新的問題，如回流沉積、妨礙捕撈養(yǎng)殖等。

紅海大橋防撞措施采用在枯水位以上11.7 m范圍內(nèi)橋墩設(shè)置拱形(V形)橡膠防撞護(hù)舷，具有吸能量高、布置靈活、安裝尺度適宜等諸多優(yōu)點。

5結(jié)語

鑒于影響船舶撞擊力大小的因素較多，涉及船型、船舶排水量、行駛速度、橋墩尺寸強度及彈性性能等諸多因素，目前我國現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)所規(guī)定的內(nèi)河船舶撞擊力偏小，不宜作為船舶撞擊力設(shè)計值控制設(shè)計，紅海大橋根據(jù)幾種國內(nèi)外常用經(jīng)驗公式計算后采用修正的沃辛公式計算結(jié)果作為船舶撞擊力的取值，能滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全性及橋梁方案的經(jīng)濟性。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50139-2004內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京.中國計劃出版社.2004.

[2]中華人民共和國廣東海事局.珠江口水域安全航行規(guī)定[S]. 廣州：廣東海事局，2001.

[3]WOISIN G Design against collision.International Symposium on Advances in Marine Technology, ondheim,1979.

[4]VROUWENVELDER A W Design for ship impact according to eurocode 1,part2.7[S]. Ship Collision Analysis,1998.

[5]美國各州公路和運輸工作者協(xié)會AASHTO.美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范[S].1994.

[6]JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]TB 10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

收稿日期：2015-03-07

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.023