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        武漢天興洲長江大橋北汊公路橋墩防撞設(shè)計

        2015-12-21 03:22:38蔣益民
        交通科技 2015年4期
        關(guān)鍵詞:撞擊力防撞橋墩

        蔣益民

        (中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司 武漢 430056)

        武漢天興洲長江大橋北汊公路橋墩防撞設(shè)計

        蔣益民

        (中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司武漢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)置的原則和防撞機理,同時對橋墩船撞力計算原則和方法進行了介紹和分析,并對該工程所用防撞裝置進行了介紹。

        關(guān)鍵詞橋墩防撞浮式防撞裝置設(shè)計

        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,北汊公路橋為跨長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)的雙幅預應力混凝土連續(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 北汊通航標準

        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》提出了正式批復意見。

        航道等級:大橋北汊按III級航道標準設(shè)計。

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

        通航水位:采用黃海高程。

        設(shè)計最高通航水位:25.68m(20年一遇)。

        設(shè)計最低通航水位: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15分左右,一艘2 000t的運沙船(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)濟損失上千萬元。這些后果對橋梁壽命和安全運輸造成了極大的損害。

        在國外,據(jù)統(tǒng)計,在1960~1993年的33年中,全世界因船撞橋而導致?lián)p毀的大型橋梁已達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)象時有發(fā)生,僅1年多的時間就發(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編隊船隊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,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。駁船順水飄向下游,艙室進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)計承受能力,保護橋梁結(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,延長船舶的撞擊時間,減小船舶撞擊力,從而最終保護橋梁安全。

        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、碰撞速度等因素進行。防撞設(shè)施一般應滿足如下要求:

        (1) 對碰撞的船舶能量進行消能緩沖,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,保護橋梁的同時盡量減小通航船舶的損傷。

        (5) 防撞設(shè)施制造、安裝、維護和修理經(jīng)濟性較好。

        (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)施和船舶為一個運動系統(tǒng),巨大的船舶動能在極短暫的時間過程中發(fā)生轉(zhuǎn)化,各個單元的運動狀態(tài)發(fā)生強烈的改變,要使全部組成單元保持完好無損是困難的,在經(jīng)濟上也是不合理的,由于橋、船、防撞設(shè)施都是造價昂貴的工程建筑物,所以根據(jù)設(shè)計防撞設(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重,確保橋梁安全是防撞設(shè)施設(shè)計的首要目的,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,但應易于修復,以使大橋不失保護狀態(tài)。

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

        4 北汊公路橋船舶撞擊力標準確定

        4.1橋墩船撞力計算原則

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

        4.2根據(jù)經(jīng)驗公式和橋梁結(jié)構(gòu)計算橋墩船撞撞擊力

        (1) 根據(jù)經(jīng)驗公式計算橋墩船撞撞擊力見表1。

        表1 船撞力計算比較表

        由表1可見,不同的經(jīng)驗公式計算結(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公式計算結(jié)果與模型試驗、船撞有限元計算仿真結(jié)果較為接近。因此,這里推薦值取AASHTO規(guī)范計算結(jié)果是合理的[3]。

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

        表2 橋梁結(jié)構(gòu)船撞力計算

        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,可有效地保護橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

        5 橋墩防撞方案設(shè)計

        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。

        (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。這一點克服了眾多“浮式橋墩防撞裝置”的致命弱點。

        (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)和阻尼吸能元件負責減少船撞時結(jié)構(gòu)之間的摩擦力,減少結(jié)構(gòu)碰撞損傷。

        當船舶撞擊防撞裝置時,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,并且延長了接觸時間,使撞擊力峰值得以降低;同時由于結(jié)構(gòu)變形和相互作用,從而撥動船頭方向,減少了船舶與結(jié)構(gòu)間的能量交換[4]。

        當碰撞過程繼續(xù)進行時,內(nèi)部與橋墩接觸處的緩沖吸能阻尼元件進一步變形、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,以及撥動船頭航向的功能;同時,在保護橋梁免受損傷的同時,最大限度地降低了船舶的損傷,保護了船舶的安全,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,使得船舶發(fā)生撞擊后,維修更換非常方便。當撞擊發(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,用滾動摩擦代替磨損較嚴重的傳統(tǒng)方式的滑動摩擦浮式鋼套箱,該滾輪在船舶撞擊橋墩時,當碰撞力達到一定的大小,滾輪裝置失效,退出工作狀態(tài);此時,內(nèi)壁上多個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用,達到了設(shè)計目的。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、碰撞速度等因素進行詳細的分析比較,并對船撞力進行了較詳細的計算分析,所提出的浮式等截面多級消能柔性防撞裝置能有效保護橋墩,不影響通航,能自由浮動并已正常運用至今。本防撞裝置的成功應用可為類似橋梁提供借鑒和參考。

        參考文獻

        [1]戴彤宇,聶武.船撞橋事故綜述[J].黑龍江交通科技,2003,108(2):1-3.

        [2]岳磊,黃翔.浮箱式橋墩防撞設(shè)施設(shè)計[J].中外公路,2009,29(4):133-136.

        [3]項海帆,范立礎(chǔ),王君杰.船撞橋設(shè)計理論的現(xiàn)狀與需進一步研究的問題[J].同濟大學學報:自然科學版,2002(4):386-391.

        [4]肖波,李軍.船橋碰撞中橋墩防撞裝置性能研究[J].水運工程,2010,439(3):17-20.

        收稿日期:2015-05-28

        DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.011

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