程宗健

摘 要：目前廣東省航運(yùn)需求日益加大，內(nèi)河貨運(yùn)船舶船型大型化發(fā)展明顯，提高航道等級(jí)適應(yīng)日益增長(zhǎng)的貨運(yùn)量需求成為迫切的需要，然而部分航道上的橋梁通航凈寬不能滿足規(guī)范規(guī)定的要求，需采取防撞措施來(lái)解決。本文通過(guò)介紹泥灣門-雞啼門水道航道整治工程中尖峰大橋防撞方案的選擇實(shí)例，為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：航道整治工程 大橋 防撞方案 選擇

1.泥灣門-雞啼門水道航道整治工程概況

泥灣門-雞啼門水道從竹洲頭至小木乃44km按內(nèi)河Ⅲ級(jí)，通航1000噸級(jí)港澳線船舶標(biāo)準(zhǔn)整治建設(shè)，航道設(shè)計(jì)尺度為：4.0m×80m×480m。按內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)，該水道跨過(guò)河建筑物單向通航孔通航凈寬不應(yīng)小于55m，雙向通航孔凈寬不應(yīng)小于110m。

本工程河段內(nèi)的跨河橋梁共7座，有6座橋梁的通航凈寬完全滿足規(guī)范要求，只有尖峰大橋凈寬不滿足規(guī)范要求。

2.尖峰大橋通航孔凈寬尺度分析

尖峰大橋1994年建成，設(shè)兩個(gè)通航孔，凈寬分別為75m、48m。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》水上過(guò)河建筑物通航凈寬的計(jì)算方法按1000噸級(jí)港澳線船舶計(jì)算，通航凈寬要求為不小39m，雙向通航孔凈寬不應(yīng)小于79m。尖峰大橋凈寬滿足根據(jù)設(shè)計(jì)代表船型主尺度計(jì)算所需凈寬，但不滿足規(guī)范要求。因此，需采取一定的措施后方可滿足1000噸級(jí)船舶安全通航的要求。

3.橋墩防撞能力評(píng)估

3. 1 船舶撞擊力計(jì)算

船舶撞擊力的計(jì)算有多種方法，包括經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、動(dòng)力數(shù)值模擬法、有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析法等。

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法是在一定的物理、力學(xué)原理基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。由于目前沒(méi)有完善的船橋撞擊力計(jì)算的理論體系，采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法計(jì)算船舶撞擊力有著簡(jiǎn)便、快捷、實(shí)用，并且在使用過(guò)程中尚未出現(xiàn)大的工程質(zhì)量、安全問(wèn)題，因此經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法得到了廣泛應(yīng)用。目前船舶撞擊力的計(jì)算公式較多，常見的有《公路橋涵通用規(guī)范》（JTGD60-2004）、《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB1002.1-2005）、美國(guó)AASHTO公式、敏諾斯基-捷勒-沃易蓀公式等，各種計(jì)算公式的結(jié)果出入相對(duì)較大。

船舶碰撞動(dòng)力數(shù)值模擬法是通過(guò)研究船舶碰撞的內(nèi)部機(jī)理、外部機(jī)理，建立船舶碰撞的動(dòng)力學(xué)模型，模擬船舶撞擊的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，獲得撞擊力、能量轉(zhuǎn)化、船舶破損等結(jié)果。

有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析法通過(guò)建立撞擊船舶、橋墩有限元模型，利用非線性有限元瞬態(tài)動(dòng)力方法計(jì)算船舶碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形、失穩(wěn)、破損。

通過(guò)對(duì)上述公式分析，我國(guó)公路及鐵路規(guī)范考慮到?jīng)_撞的動(dòng)態(tài)屬性，較為符合物理學(xué)的動(dòng)態(tài)原理，也較為符合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況。國(guó)外公式往往只考慮船舶的質(zhì)量和速度，用一個(gè)簡(jiǎn)單的方次或者一個(gè)綜合的系數(shù)表示，計(jì)算出的數(shù)值普遍偏大。國(guó)內(nèi)規(guī)范中，公路規(guī)范引入沖量公式，含有沖撞時(shí)間，是最符合物理分析的方法。而本橋是一座公路橋，因此，推薦選用《公路橋涵通用規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果作為本項(xiàng)目撞擊力的標(biāo)準(zhǔn)值較符合實(shí)際。按設(shè)計(jì)代表船型計(jì)算，船舶橫橋向撞擊力為6.3MN，順橋向撞擊力為3.2MN。

3.2橋梁的防撞能力評(píng)估

原有橋墩基礎(chǔ)6根直徑1.5m的灌注樁，樁基主筋為28根HRB335直徑25mm的鋼筋。根據(jù)地質(zhì)條件、承臺(tái)與河床位置關(guān)系和樁基的配筋，可計(jì)算出結(jié)構(gòu)所能承受的最大水平抗力值。經(jīng)計(jì)算，橋墩水平抗力為4.3MN，小于船舶撞擊力，不滿足抗力要求，需采取防撞措施。

采用有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析法仿真1000噸港澳船在高水位滿載時(shí)與原橋墩正碰的情況。綜合考慮通航水位、碰撞夾角、碰撞速度和船舶裝載等因素，高水位滿載正碰為結(jié)構(gòu)的安全控制工況。仿真結(jié)果顯示，橋墩受撞后在樁基頂部發(fā)生斷裂，船舶反彈時(shí)樁基回?cái)[，最后墩頂殘余位移為1.1cm，表明橋墩無(wú)法承載船舶高水位滿載正向碰撞。

4.橋梁防撞方案

4. 1常見的防撞方式

橋梁防撞在國(guó)外發(fā)展有幾十年的歷史，而國(guó)內(nèi)近幾年隨著水運(yùn)行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)安全意識(shí)的不斷提高，對(duì)橋梁防撞越來(lái)越重視。根據(jù)日本學(xué)者巖井聰?shù)姆诸?，將防船撞設(shè)施分為直接結(jié)構(gòu)和間接結(jié)構(gòu)：

（1）間接結(jié)構(gòu)體系：常見的有防撞墩、防撞島、樁群、沉井、鋼板樁圍堰、鋼船、重力錨等；

（2）直接結(jié)構(gòu)體系：附著式橡膠護(hù)弦、鋼箱、阻尼柔性防撞元件、移動(dòng)重力擺、粘滯性防撞圈等。

4.2各種防撞方式的優(yōu)劣對(duì)比

目前我國(guó)長(zhǎng)江流域、珠江流域跨河橋梁采用防撞墩、浮箱、浮式復(fù)合材料、群樁、人工島等較為普遍。

防撞墩一般用于橋梁自身抗力較差的橋梁防撞，其特點(diǎn)是跟橋梁保持一定的距離，當(dāng)船舶在失控或者走錨等意外情況發(fā)生時(shí)，船舶首先與防撞墩發(fā)生碰撞，削弱來(lái)船的沖撞力。該類防撞設(shè)施其施工技術(shù)成熟，日后的維護(hù)管理方便。

浮式防撞一般用于橋區(qū)水位落差大的橋梁防撞，其特點(diǎn)是防護(hù)裝置可以隨水位上下浮動(dòng)，通過(guò)自身的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶撞擊能量的轉(zhuǎn)換。但對(duì)抵抗船舶撞擊所起到的作用都非常有限，根據(jù)其作用機(jī)理，當(dāng)浮式防撞跟船舶碰撞時(shí)，大約可以消減來(lái)船20%～35%的撞擊能量，因此，該裝置并不適用于自身抗力較差的橋梁，同時(shí)，該裝置體積比較龐大，對(duì)于有通航凈寬限制的橋梁，不宜采用。

其他如群樁、人工島、移動(dòng)重力擺、重力錨等防撞裝置，自身有一定的優(yōu)點(diǎn)也有其限制性因素。

4.3防撞方式的選取

結(jié)合各類防撞方式的特性，從橋梁結(jié)構(gòu)尺寸、自身抗力、通航凈空尺度、防撞水位等方面情況，考慮采用分離式防撞墩和浮式防撞兩種方式進(jìn)行比選，并根據(jù)施工難易程度、日常維護(hù)難易度、水位適應(yīng)性、工程造價(jià)、防護(hù)效果等方面進(jìn)行分析，推薦最適合本工程橋梁的防撞設(shè)施方案。

（1）分離式防撞墩

船舶與橋梁碰撞，一般是在船舶機(jī)械故障、走錨、航路選擇錯(cuò)誤等情況下發(fā)生，或洪水期船舶航路出現(xiàn)異常等情況，具有方向的不確定性，為了更好的保護(hù)橋梁的安全，擬在通航孔兩側(cè)橋墩上、下游各設(shè)一個(gè)分離式防撞墩，共設(shè)6座分離式防撞墩?？紤]防撞墩結(jié)構(gòu)及施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，分離式防撞墩的結(jié)構(gòu)邊緣距橋梁外邊緣距離為5m。

分離式防撞墩長(zhǎng)度為11.25m，寬度為5.9m，外圍安裝橡膠護(hù)舷后，防撞設(shè)施總的寬度與通航孔兩側(cè)橋墩承臺(tái)一致為6.5m，與通航孔兩側(cè)橋墩承臺(tái)平齊。

分離式防撞墩由樁基、承臺(tái)、附著式橡膠護(hù)舷三大部分組成，其中樁基采用6根直徑為1.5m的灌注樁，縱向樁間距為3.75m，橫向樁間距為3.3m，樁長(zhǎng)42.2m，其中入土部分長(zhǎng)約37m。

（2）浮式防撞

浮式防撞必須有固定的載體，通常將其安裝在橋墩處，沿橋墩上下浮動(dòng)。浮式柔性防撞設(shè)施集強(qiáng)度、剛度、耐久性于一體，是一種采用復(fù)合材料的浮式柔性防撞設(shè)施。該設(shè)施由多個(gè)復(fù)合材料板梁結(jié)構(gòu)的密封艙室、桁架支撐結(jié)構(gòu)組成的多艙室復(fù)合材料防撞體，防撞體內(nèi)部填充緩沖吸能材料，安裝在橋墩四周。

根據(jù)1000噸港澳線船舶的特性，結(jié)合本橋梁的實(shí)際情況，防撞設(shè)施順?biāo)鞣较蛴瓝裘娼Y(jié)構(gòu)厚度為4m，垂直水流方向側(cè)碰面結(jié)構(gòu)厚度為2m，可對(duì)橋墩起到較好的保護(hù)作用，橋墩抗撞力可提升約25%。

4.4方案比選及推薦方案

以上兩個(gè)防撞方案都可以在一定程度上削減來(lái)船的撞擊能量，也是近幾年在橋梁防撞工程中運(yùn)用比較多的方式。采用分離式防撞墩，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)影響，來(lái)船撞擊防撞墩時(shí)對(duì)橋梁起到“丟車保帥”的作用。

采用浮式柔性防撞，對(duì)于水位落差大的橋梁非常適用，對(duì)橋梁在任何水位下均起到良好的保護(hù)作用，但是其占用通航凈寬范圍過(guò)大，同時(shí)，該防撞體系是以橋墩為依托，更多的能量將傳遞給固定該裝置的橋墩，考慮尖峰大橋橋墩基礎(chǔ)自身結(jié)構(gòu)抗力較差，因此推薦采用分離式防撞墩方案。

5.防撞設(shè)施效果驗(yàn)證

經(jīng)計(jì)算，本方案防撞墩水平抗力可達(dá)9.5MN，大于船舶撞擊力，理論上可滿足抗力要求。為驗(yàn)證防撞墩的防撞效果，采用有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析法來(lái)驗(yàn)證其可靠性。

根據(jù)防撞墩的結(jié)構(gòu)、工程河段的地質(zhì)情況、水流特征等，采用1000噸級(jí)港澳線船舶，對(duì)防撞墩、船舶碰撞進(jìn)行數(shù)值仿真分析。對(duì)同一碰撞速度，在豎直方向考慮了最低通航水位滿載情況、最高通航水位滿載情況和最高通航水位空載情況，選擇最危險(xiǎn)工況進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)工況1（滿載+高水位+正碰）、工況2（滿載+低水位+正碰）、工況3（滿載+高水位+側(cè)碰）、工況4（滿載+低水位+側(cè)碰）、工況5（空載+高水位+正碰）等5種工況進(jìn)行數(shù)值仿真分析，船舶與防撞墩橫向最大瞬時(shí)撞擊力為8.62MN，防撞墩最大位移為5.7cm，最大殘余位移3mm。樁頂未發(fā)生斷裂破損，防撞墩的變位發(fā)生在彈性范圍內(nèi)，變形基本可以恢復(fù)。

6.結(jié)語(yǔ)

結(jié)合船舶承載情況、撞擊水位、撞擊角度、樁基及地質(zhì)情況、材料性能等邊界條件，通過(guò)建立“整船-防撞墩-橋墩-地基基礎(chǔ)”三維有限元模型，分析防撞墩防護(hù)效果。經(jīng)驗(yàn)證，船舶與防撞墩碰撞后，防撞墩有效吸收了船舶動(dòng)能，避免了船舶與橋墩的直接碰撞，減少了船舶對(duì)橋梁的撞擊風(fēng)險(xiǎn)，在保護(hù)橋梁自身安全方面可達(dá)到預(yù)期的效果。