譚巨良

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 引 言

通航孔橋墩防撞措施對橋墩和通航船舶均能起到保護作用，根據(jù)航道、海事部門的相關(guān)要求，在一定等級的航道上，通航孔橋墩通常需設(shè)置防撞措施。船撞力的計算和防撞措施的選擇已有較多研究。根據(jù)多種規(guī)范或經(jīng)驗公式計算的船撞力結(jié)果偏差加大，通常需結(jié)合有限元計算確定船撞力。防撞措施有固定式橡膠、浮動式鋼套箱、浮動式鋼+復(fù)合材料、獨立防撞隔柵、獨立防撞墩等等，各有優(yōu)缺點，需根據(jù)具體橋梁和河道的特點擇優(yōu)選擇。

2 概 況

韓江特大橋跨越處韓江寬度約600 m。通航孔處橋型圖見圖1。本橋所跨韓江擬規(guī)劃為Ⅳ級航道。最高通航水位H=19.16 m，最低通航水位H=9.16 m。

圖1 韓江特大橋通航孔處橋型圖

主橋上部結(jié)構(gòu)為(55+4×90+55)m預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為空心薄壁墩，樁基均為鉆孔灌注樁。

3 船舶撞擊相關(guān)參數(shù)分析

3.1 撞擊代表船型

根據(jù)《內(nèi)河通航標準》(GB50139-2004)的資料顯示及實際通航船型的調(diào)查結(jié)果，船型尺寸參數(shù)表見表1。

表1 船型尺寸參數(shù)表

3.2 船撞速度

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和測速，船舶通行速度為3.0 m/s。考慮到韓江特大橋位于通航水域范圍內(nèi)的橋墩數(shù)量眾多，且航道寬度與橋梁跨度接近，因此以3.0 m/s為船舶撞擊橋墩的速度。

3.3 無防撞措施時船撞力

經(jīng)驗公式計算船舶撞擊力比較表見表2，可見各個公式的計算結(jié)果差異較大。按照我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)計算的船撞力偏小。根據(jù)較近頒布的《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)計算，3 000～50 000 DWT輪船撞擊力與美國AASHTO規(guī)范接近，50～3 000 DWT駁船撞擊力小于美國規(guī)范。為進一步分析船撞力，采用LS-DYNA顯式動力學(xué)分析軟件進行有限元仿真。有限元計算得到的無防撞措施撞擊力時程圖見圖2。

表2 經(jīng)驗公式計算船舶撞擊力比較表 (單位：MN)

圖2 無防撞措施下撞擊力時程圖

由表3可見橋墩抗撞承載力較大，滿足了除AASHTO以外規(guī)范的要求，也滿足有限元計算結(jié)果。橋墩設(shè)計強度足以抵抗500t噸級船舶撞擊，增加防撞措施主要為了滿足航道、海事部門的相關(guān)要求和降低船舶的撞擊風(fēng)險、保護船舶通行安全。船撞力偏安全采用有限元計算結(jié)果。

表3 無防撞措施下船舶撞擊計算結(jié)果

4 防撞設(shè)置研究

4.1 防撞措施的種類

(1)固定式橡膠防撞措施

固定式橡膠是一種圍繞在橋墩周圍，不隨水位變化的固定式柔性防撞體。

優(yōu)點：通過在墩壁預(yù)埋螺栓固定橡膠，構(gòu)造較簡單。單個體積小，便于運輸，可局部維修、更換，耐腐蝕性好。缺點：本項目水位差較大，設(shè)置規(guī)模較大，總體上未必經(jīng)濟。橋墩已經(jīng)施工，非最低水位時期水下不便于安裝。緩沖能力有限，對橋墩和船舶保護有限。

(2)浮動式鋼套箱防撞措施

浮動式鋼套箱主體是多個鋼板梁構(gòu)成的密封艙室結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點：防撞性能較強；隨水位升降；鋼構(gòu)件連接強度好、性能穩(wěn)定；鋼結(jié)構(gòu)加工工藝成熟。缺點：需添加防腐涂裝提高耐久性，維護成本較高。重量大，運輸、安裝較為困難。

(3)浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施

浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施的鋼結(jié)構(gòu)外表面覆蓋復(fù)合材料層用于提高耐久性，在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充耗能閉孔材料，可降低鋼結(jié)構(gòu)的用量。

優(yōu)點：防撞性能較強，隨水位升降，耐久性較好。通過節(jié)段拼裝形成整體，節(jié)段重量較輕，運輸、安裝較為方便。缺點：采用新材料，需專業(yè)單位設(shè)計生產(chǎn)。復(fù)合材料價格較高。

(4)獨立防撞隔柵

獨立防撞隔柵是將橋墩與承臺用混凝土隔柵包圍，主要起隔離防撞作用。該防撞措施主要適用于橋墩橫、縱橋向抗撞承載力都欠缺較多的情況。

(5)獨立防撞墩

防撞墩下部基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，上部橋墩采用三角形斷面，既可以抵抗船舶撞擊力，又可以撥轉(zhuǎn)船頭的方向。該防撞措施主要適用于單個方向抗撞承載力欠缺較多的情況。

4.2 北江(烏石至三水河口)航道擴能升級工程通航孔橋梁防撞加固

北江(烏石至三水河口)航道擴能升級為III級航道，根據(jù)《北江(烏石至三水河口段)通航孔橋梁防撞加固專題研究》報告，設(shè)防船撞力為橫橋向8 000 kN，順橋向6 500 kN。該項目對本橋的防撞設(shè)計有參考意義，相關(guān)方案見表4。

由表4可見，獨立防撞隔柵和獨立防撞墩的防撞能力都較強，當沒有獨立防撞措施施工空間，或樁基施工會對原橋梁結(jié)構(gòu)有安全影響時，或地質(zhì)條件較差時，不適合采用。如拱橋拱腳橋墩附近可能空間受限，不適合采用獨立防撞隔柵，但橫橋向獨立防撞墩還可施工；如由溶巖地質(zhì)不適合施工獨立防撞措施的樁基。

浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施可在以上兩種方式不合適時考慮采用。浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施不適用的情況為：拱橋拱腳橋墩不適合措施上下浮動時，原橋墩防撞能力與所需抗力差值大于40%時。

4.3 韓江特大橋防撞措施推薦方案

韓江特大橋橋位處水位差較大，不適合采用固定橡膠防撞。橋墩設(shè)計強度足以抵抗500 t噸級船舶撞擊，因此不適合采用造價高且多用在承載力欠缺較多情況的獨立防撞隔柵或墩。本項目適合采用施工相對方便且造價相對較低的浮動式防撞措施，其中浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施的耐久性和防撞能力較優(yōu)，韓江特大橋浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施布置。

采用浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施時，船舶撞擊力計算暫無經(jīng)驗公式。根據(jù)有限元計算，韓江特大橋設(shè)置防撞措施下撞擊力時程圖見圖3，計算結(jié)果見表5，船撞力降低約40%。

圖3 設(shè)置防撞措施下撞擊力時程圖

表5 采用浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施時船舶撞擊計算結(jié)果

5 結(jié) 語

以某高速韓江特大橋為背景，對內(nèi)河Ⅳ級航道500 t級船舶撞擊力作用下的通航孔橋墩防撞措施方案進行分析。根據(jù)多個規(guī)范或經(jīng)驗公式計算的船撞力及有限元分析結(jié)果，韓江特大橋橋墩設(shè)計強度足以抵抗500 t級船舶撞擊，增加防撞措施主要為了保護船舶通行安全。對比固定式橡膠、浮動式鋼套箱、浮動式鋼+復(fù)合材料、獨立防撞隔柵、獨立防撞墩防撞措施的優(yōu)缺點，參考北江(烏石至三水河口)航道擴能升級工程多座橋梁通航孔橋墩防撞加固方案，本項目最終選擇浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施，降低船撞力達40%。