蔣益民

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司　武漢　430056)

武漢天興洲長江大橋北汊公路橋墩防撞設計

蔣益民

(中鐵大橋勘測設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置防撞設施的必要性及防撞裝置設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。

關鍵詞橋墩防撞浮式防撞裝置設計

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。北汊通航孔上部結構采用54.2m+2×80m+54.2m四跨一聯(lián)的雙幅預應力混凝土連續(xù)梁,下部結構采用分離式橋墩基礎，墩身分離，墩基礎采用直徑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《關于武漢天興洲公鐵兩用長江大橋通航凈空尺度和技術要求的函》提出了正式批復意見。

航道等級：大橋北汊按III級航道標準設計。

北汊通航凈空高度：≥10m(設計最高通航水位以上不小于10m)。

通航水位：采用黃海高程。

設計最高通航水位：25.68m(20年一遇)。

設計最低通航水位：9.62m。

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

2　設置防撞設施的必要性

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，橋梁設置防撞設施是十分必要的。

3　橋墩防撞裝置綜述

3.1防撞的基本原理

采用橋梁防撞設施的目的是，防止橋梁因船舶撞擊力超過橋墩的設計承受能力，保護橋梁結構安全。工程上通過采用不同形式的防撞設施，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施，使沖擊能量通過防撞結構的壓縮、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。

防撞設施的設計需要根據(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) 通過合理的結構形式、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) 防撞設施制造、安裝、維護和修理經(jīng)濟性較好。

(6) 防撞設施具有很好的可靠性和安全性。

3.2防撞裝置設置原則

在碰撞過程中，橋墩、防撞設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、防撞設施都是造價昂貴的工程建筑物，所以根據(jù)設計防撞設施的目的和要求，按以下原則設置防撞設施[2]。

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

(2) 防撞設施的損壞是允許的，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施的設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)驗公式和橋梁結構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公式計算結果與模型試驗、船撞有限元計算仿真結果較為接近。因此，這里推薦值取AASHTO規(guī)范計算結果是合理的[3]。

(2) 根據(jù)橋梁結構設計船撞力。見表2。

表2　橋梁結構船撞力計算

由表2可見，有防撞消能設施后橋梁結構所受船舶撞擊力大大減小，可有效地保護橋梁結構的安全。

5　橋墩防撞方案設計

本防撞設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層結構組成：其內(nèi)部結構是由多個板梁結構的密封艙室、桁架支撐結構、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成，外部結構是由阻尼吸能元件、鋼結構共同聯(lián)系在一起組成的第一層防撞結構。同時為防止低水位河床淤積后本防撞設施落于河床面被河床淤泥吸附不能浮動情況，特在承臺頂部設置低水位托架，能使防撞設施在低水位時落于此托架而不被河床淤泥吸附，保證防撞設施在各種水位條件下正常運用。防撞裝置結構見圖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構，由于消浪結構的存在，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)層由板梁結構組成的浮式鋼結構提供浮力，外層非連續(xù)(間斷的)鋼結構和阻尼吸能元件負責減少船撞時結構之間的摩擦力，減少結構碰撞損傷。

當船舶撞擊防撞裝置時，船舶首先接觸第一層防撞結構，外層非連續(xù)(間斷的)結構鋼板發(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；同時由于結構變形和相互作用，從而撥動船頭方向，減少了船舶與結構間的能量交換[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層吸能結構組成，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)鋼板結構形式特點，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)鋼板結構，保證防撞裝置正常使用。

(3) 在鋼筋混凝土橋墩結構表面接觸處，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　結語

本防撞裝置設計中根據(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.浮箱式橋墩防撞設施設計[J].中外公路，2009，29(4):133-136.

[3]項海帆,范立礎，王君杰.船撞橋設計理論的現(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