■林光峰

（寧德市公路局福安分局，寧德 352000)

0 引言

國(guó)外自上世紀(jì)80 年代開(kāi)始系統(tǒng)地研究船橋碰撞問(wèn)題，并形成了以AASHTO《公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》、IABSE《船舶碰撞橋梁》為代表的一系列成果。 我國(guó)自上世紀(jì)90 年代開(kāi)始橋梁結(jié)構(gòu)船撞橋相關(guān)研究工作，且主要集中在大型橋梁結(jié)構(gòu)下部受船舶撞擊后結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定技術(shù)方法， 基于取得的研究成果提出了一系列的防止船舶撞擊橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施。然而，值得注意的是針對(duì)船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)外研究卻相對(duì)較少。

當(dāng)前， 在我國(guó)已建成的橋梁中， 橋孔通航凈高不富裕、 或接近國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)臨界值或不滿足凈高要求等情況均普遍存在。 尤其近十幾年來(lái)，隨著航道等級(jí)的提升、船舶大型化的發(fā)展， 船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故比例不斷提高。因此，開(kāi)展對(duì)于船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)及防范對(duì)策的研究是十分必要而且緊迫的。為此，本文以某連續(xù)箱梁橋?yàn)閷?duì)象， 在深入調(diào)查橋梁受船舶撞擊事故的基礎(chǔ)上對(duì)船舶撞擊情況進(jìn)行了歸納總結(jié)， 在此基礎(chǔ)上提出了三種處治方案，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性等方面進(jìn)行了方案比選，確定了相應(yīng)的技術(shù)處治對(duì)策。

1 工程背景

某預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋主橋總長(zhǎng)為300m，共5 孔，跨徑組合為45m+3×70m+45m，橋梁全長(zhǎng)487.8m。 上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室箱形截面， 懸臂拼裝施工，支點(diǎn)處梁高4.0m，跨中梁高2.0 m，梁底采用二次拋物線過(guò)渡。 橋面布置：凈9m(行車道)+2×1.5m(人行道)，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20、驗(yàn)算荷載為掛車-100，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100，通航標(biāo)準(zhǔn)按六級(jí)航道設(shè)計(jì)，通航孔凈寬為64.3m，凈高為5.63m，建成于1991 年8 月。圖1 為主橋總體布置圖。

2009 年2 月23 日，一艘停泊在橋梁下游、總噸位為493 噸的貨輪，因脫錨且恰逢漲潮，在大風(fēng)和潮汐的雙重作用下， 船只失控往橋下河流上游漂移被卡在大橋通航孔內(nèi)， 所幸橋梁并未產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)損傷和裂縫。 2012年8 月18 日，一艘干貨船(船重495 噸，核定載重1020噸)由于液壓錨機(jī)油破裂，無(wú)法拋錨，當(dāng)時(shí)潮水急漲，導(dǎo)致該船往上游側(cè)飄移， 致使該船船尾指揮艙卡在橋梁7 號(hào)孔下游側(cè)箱梁翼緣板處，造成橋梁結(jié)構(gòu)局部損傷。

從上述橋梁船撞歷史事故調(diào)查可以得出， 大橋受到船撞的部位全部為上部結(jié)構(gòu)，特別是在汛期時(shí)期，雖然橋梁管理部門設(shè)置了航道提醒警示標(biāo)志， 但當(dāng)海水漲潮時(shí)水位較高且變幅較大，即通航凈高值處于臨界的時(shí)候，船舶駕駛管理人員稍微疏忽就極易發(fā)生船撞橋事故。

圖1 主橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 2009 年船撞情況

圖3 2012 年船撞欄桿損壞情況

圖4 2012 年船撞上部結(jié)構(gòu)損壞情況

圖5 2012 年船撞上部結(jié)構(gòu)損壞情況

2 通行船舶船撞力的計(jì)算

根據(jù)橋梁當(dāng)?shù)厮诤Ｊ虏块T資料，2011 年后， 每年進(jìn)出橋區(qū)水域船舶數(shù)量達(dá)上萬(wàn)艘次。 大橋上游通航船舶主要是采運(yùn)砂船，平均每天過(guò)往船舶有20 艘次左右。 臺(tái)風(fēng)期間大橋上下游在港錨泊船舶總數(shù)有100 多艘， 部分船舶錨泊位置距離橋梁在500 m 以內(nèi)， 橋梁所在航道通行船舶噸位分布見(jiàn)表1。

表1 橋梁所在航道通行船舶噸位分布

大橋橋區(qū)潮汐屬正規(guī)半日潮，呈往復(fù)流，平均高潮位4.01m，平均低潮位-2.05m，設(shè)計(jì)通航水位4.08m，通航孔跨中梁底高程10.93m，墩頂高程8.73m。 漲潮流較大流速0.77～1.1m/s，流向?yàn)镹NW；落潮流較大流速0.82～1.23m/s，流向?yàn)镾SE。

根據(jù)橋梁船撞事故的統(tǒng)計(jì)調(diào)查， 并考慮到船舶大型化發(fā)展趨勢(shì)，大橋防撞設(shè)計(jì)的代表船型為1000t 級(jí)船舶，設(shè)計(jì)撞擊速度為3.5m/s。 船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撞擊力，目前國(guó)內(nèi)未有規(guī)范進(jìn)行規(guī)定，參考美國(guó)AASHTO《公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)AASHTO《公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》，船舶對(duì)橋墩的正面撞擊力可按下式計(jì)算：

式中：Ps為撞擊力(N)；V 為船舶撞擊速度(m/s)；DWT為船舶載重噸位(t)。

甲板艙對(duì)上部結(jié)構(gòu)的碰撞力應(yīng)取作：

式中：PDH為船舶甲板艙撞擊力(N)；RDH為本條規(guī)定的折減系數(shù)；Ps為船舶對(duì)橋墩的正面撞擊力(N)。

3 防船撞技術(shù)措施分析及對(duì)策確定

為了既保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)， 又最大限度減少船舶在碰撞中的破壞，該橋上部結(jié)構(gòu)擬采用如下三種技術(shù)措施：

(1)方案一：參考陸地橋梁設(shè)置限高裝置的思路，在上下游對(duì)應(yīng)橋梁主跨通航孔設(shè)置橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞限高鋼桁架，如圖6 所示。限高布置原則：①通航孔對(duì)孔布置；②不改變?cè)ê娇變艨粘叨龋?③參照 《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2014)中“當(dāng)兩座相鄰水上過(guò)河建筑物的軸線間距不能滿足要求，且其所處通航水域無(wú)礙航水流時(shí)，應(yīng)靠近布置， 兩建筑物間相鄰邊緣距離應(yīng)控制在50m 以內(nèi)，且通航孔必須相互對(duì)應(yīng)”要求布置。

圖6 橋梁防撞限高鋼桁架

(2)方案二：與方案一類似，但橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞裝置采用柔性拉索結(jié)構(gòu)型式，攔截拉索兩端固定于左、右兩端承臺(tái)。如圖7 所示。該方案的限高主體結(jié)構(gòu)采用拉索緩沖耗散船舶撞擊能量， 采用吊索將下方主拉索懸掛于上方拉索上，下方主拉索與上方拉索均通過(guò)鋼索塔定位，索端交替錨碇于混凝土承臺(tái)內(nèi)， 拉索合力對(duì)船舶做負(fù)功抵抗消耗超高船舶的運(yùn)動(dòng)能量。

圖7 橋梁防撞限高攔截拉索

(3)方案三：完善橋梁既有的通航孔限高、限航警示標(biāo)志包括限高警示牌、禁航標(biāo)志、水位顯示牌、航標(biāo)、航標(biāo)燈、霧天黃燈、閃燈對(duì)中指示、紅白斜紋標(biāo)志等，同時(shí)利用橋梁上部結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度， 結(jié)合船舶撞擊上部箱梁事故產(chǎn)生的損傷分布規(guī)律以及船舶撞擊箱梁梁體有限元分析，為防止船舶對(duì)梁體撞擊破壞，在底板和腹板交接處粘貼鋼板，如圖8 所示。

主通航孔各墩在自重作用下的支反力為15500kN，16200kN，16200kN，15500kN， 每個(gè)墩設(shè)置2 個(gè)10000kN縱向活動(dòng)支座， 按照單向活動(dòng)支座非滑移方向的水平承載力均不小于支座豎向承載力的10%考慮， 則各墩支座水平承載力均不小于2000kN，在不考慮兩端梁體對(duì)受撞擊通航孔梁體的橫向約束前提下， 則單孔通航孔抵抗船舶水平撞擊力為不小于4000kN， 大于1000t 船舶甲板艙撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的撞擊力2643kN， 安全系數(shù)在1.5 以上。 因此，當(dāng)通航孔橋梁上部結(jié)構(gòu)受到1000t 船舶甲板艙撞擊時(shí)，梁體無(wú)傾覆危險(xiǎn)。 采用實(shí)體單元模擬1000t 船舶甲板艙瞬時(shí)撞擊大橋上部結(jié)構(gòu)的箱梁應(yīng)力分布如圖9～圖11 所示。

圖8 橋梁上部結(jié)構(gòu)粘貼鋼板防撞

圖9 箱梁縱向應(yīng)力分布

圖10 箱梁橫向應(yīng)力分布

圖11 箱梁豎向應(yīng)力分布

在不考慮混凝土內(nèi)鋼筋和粘貼鋼板的作用，1000t 船舶甲板艙撞擊箱梁時(shí)， 梁體產(chǎn)生的最大縱向拉應(yīng)力為2.49MPa，位于撞擊部位；產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為3.37MPa，位于箱梁腹板與底板交界部位； 產(chǎn)生的最大豎向拉應(yīng)力為5.79MPa，位于撞擊部位。 從應(yīng)力分布圖可見(jiàn)，船舶撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力在撞擊部位周圍迅速擴(kuò)散， 箱梁梁體受到1000t 船舶甲板艙撞擊時(shí)，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，箱梁可能產(chǎn)生沿腹板和底板交界處的縱向水平裂縫和豎向裂縫，結(jié)構(gòu)受到的損傷不大，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。

以上三種上部結(jié)構(gòu)防船撞措施綜合對(duì)比見(jiàn)表2。

綜合表2 優(yōu)缺點(diǎn)分析，結(jié)合造價(jià)、環(huán)境因素、實(shí)際通行船舶噸位和撞擊事故特點(diǎn)， 橋梁養(yǎng)護(hù)單位最終選擇梁體粘貼鋼板方案并結(jié)合完善現(xiàn)有的限高警示標(biāo)志作為該橋的上部結(jié)構(gòu)防撞保護(hù)及措施，如圖12 所示。

圖12 箱梁外部粘貼鋼板

自2012 年該橋采用在底板和腹板交接處粘貼鋼板作為上部結(jié)構(gòu)防船撞的保護(hù)措施以來(lái)， 經(jīng)過(guò)7 年的使用跟蹤，未再發(fā)現(xiàn)該橋上部梁體有明顯的船舶撞擊損傷，日常巡查養(yǎng)護(hù)中僅檢查到箱梁梁體底面存在少數(shù)剮蹭痕跡，從防船撞保護(hù)措施的造價(jià)、對(duì)周圍環(huán)境的影響以及實(shí)際的效果來(lái)看， 該橋采用的上部結(jié)構(gòu)防撞對(duì)策無(wú)疑是適宜的、可借鑒的。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)是船舶撞擊橋梁事故的重要種類之一，部分建設(shè)年代較早、設(shè)計(jì)通航等級(jí)低的橋梁在汛期季節(jié)，由于河涌潮夕每天漲跌不一，事故頻繁發(fā)生，影響橋梁上部結(jié)構(gòu)安全。 本文對(duì)某連續(xù)箱梁橋的船撞歷史進(jìn)行了調(diào)查， 比較分析了該橋上部結(jié)構(gòu)可行的三種防船撞保護(hù)措施，并結(jié)合實(shí)際，選擇了適宜的橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞保護(hù)對(duì)策， 可為同類橋梁上部結(jié)構(gòu)防止船撞的處治提供借鑒作用。