聶利芳，沈 燕

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.江蘇宏遠(yuǎn)科技工程有限公司，江蘇 常州 212013）

1 研究背景

近年來，廣東省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展迅猛，但隨之而來的是船－橋矛盾日益嚴(yán)峻，惡性船撞事故屢見不鮮。2017年4 月1 日，位于廣東珠海市斗門區(qū)的蓮溪大橋被一艘裝有約一千噸貨物的貨船撞擊，移位1.6 米，造成交通中斷長達(dá)數(shù)月之久。2021 年7 月13 日，一艘船號(hào)為“新谷333”的中型集裝箱貨輪在途經(jīng)廣州北斗大橋南引橋過渡墩時(shí)，碰撞到南引橋過渡墩，造成橋墩剪切破壞。

紅蓮特大橋位于廣州市南沙自貿(mào)區(qū)，主線橋全長約 1.772 千米，其中主橋長912 米，雙向六車道，設(shè)計(jì)速度 60km/h，采用雙塔雙索面混合梁斜拉橋型，同時(shí)搭載多回路高壓電纜、燃?xì)?、通信和輸水等過江市政管道，主橋鋼箱梁跨度580 米，跨度居我國同類型多功能斜拉橋之最。

同時(shí)，紅蓮特大橋位于廣東南沙龍穴南水道，橋位周邊航道情況復(fù)雜，過往船舶具有較大不確定性。同時(shí)大橋涉水橋墩眾多，主通航孔及引橋橋墩較多，具有較大的船撞風(fēng)險(xiǎn)。本文通過對紅蓮特大橋橋墩碰撞概率，設(shè)防船撞力、橋梁抗撞性能研究，對大橋涉水橋墩開展撞損概率評估，提出設(shè)防橋墩范圍，并進(jìn)行了防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 工程概況與設(shè)計(jì)條件

2.1 工程概況

紅蓮大橋位于廣州市南沙區(qū)自貿(mào)試驗(yàn)區(qū)萬頃沙保稅港加工制造業(yè)區(qū)塊綜合開發(fā)項(xiàng)目位于南沙萬頃沙鎮(zhèn)與珠江街范圍內(nèi)。大橋采用直線跨過龍穴南水道，橋軸線方向與水流流向基本正交。橋梁通航孔設(shè)置單孔雙向通航，主橋跨徑組合為（104+580+104）m，通航孔承臺(tái)間的有效凈距為554m，滿足通航凈高為24m，有效通航凈寬為450m。大橋通航孔布置在航道深槽中，通航孔涵蓋了航槽線，通航孔左橋墩距上行船舶航跡線邊線約150m，通航孔右橋墩距下行船舶航跡線邊線約 220m。

圖1 紅蓮特大橋布置圖

2.2 設(shè)計(jì)條件

2.2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級：城市主干道

紅線寬度：60m(紅蓮路標(biāo)準(zhǔn)段)，主線雙向六車道

設(shè)計(jì)速度：主線60km/h，匝道40km/h 或50km/h橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 年設(shè)計(jì)安全等級：一級

橋梁設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載為城-A 級

抗震要求：抗震設(shè)防烈度為7 度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g

設(shè)計(jì)洪水頻率：特大橋1/300

通航標(biāo)準(zhǔn)：I 級航道，通航3000t 海輪

設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：百年一遇V10=38.4m/s

2.2.2 設(shè)防代表船型

根據(jù)廣東省發(fā)展和改革委員會(huì)、廣東省交通廳《廣東省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃（2010～2020 年）》，龍穴南水道規(guī)劃為內(nèi)河I 級航道，通航3000 噸級海輪。

表1 代表船型尺寸表

考慮航運(yùn)發(fā)展及設(shè)防安全，大橋按照按3000 噸級海輪設(shè)防，按5000 噸級海輪校核。

2.2.3 通航水位

本工程所在河段為受潮汐影響明顯河段，海門站位于工程附近，可采用海門站設(shè)計(jì)潮位作為模型潮位邊界依據(jù)。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，感潮明顯河段應(yīng)取年最高潮位頻率分析5%的水位，并采用耿貝爾I 型極值分布率方法計(jì)算所得的水位作為設(shè)計(jì)最高通航水位。大橋位于南沙站下游約 5.5km，南沙站的設(shè)計(jì)最高通航水位取為3.19m，設(shè)計(jì)最低通航水位為-0.75m（85 高程）。

表2 設(shè)計(jì)通航水位表

3 船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析

船撞橋事故的原因經(jīng)分析可歸結(jié)為三大類：第一類是人員失誤，如疏忽、操縱失誤、生病等；第二類是惡劣的自然環(huán)境，如惡劣天氣、洪水等；第三類是機(jī)械故障，如主機(jī)滅火、舵機(jī)失靈、船隊(duì)斷纜等。人員失誤是最主要的事故原因，其次是惡劣的自然環(huán)境，再次是機(jī)械故障，有資料表明：三種原因之比大約為25：4：1。

3.1 橋梁船撞概率模型

美國AASHTO 規(guī)范根據(jù)船舶相撞以及船舶擱淺事故的觀測與分析，提出了碰撞概率的基本方法和理論?？蓪ι嫠ê綐蚨盏呐鲎哺怕蔬M(jìn)行評估，從而確定設(shè)防等級及必要性。大橋各橋墩年撞損頻率按以下公式計(jì)算：

其中：N--為可能撞損橋墩的分類船舶年通航量；

PA --船舶偏航概率；

PG --船舶與橋墩撞擊的幾何概率；

PC --橋墩倒塌概率。

參照美國指導(dǎo)規(guī)范，船舶偏航概率 PA 按以下公式取值：

3.2 涉水橋墩船舶碰撞概率

據(jù)調(diào)查，南沙龍穴南水道船舶通航密度較高，周邊碼頭眾多，船舶流量平均每天200 艘次，計(jì)算得到橋墩年碰撞概率如表3 所示。計(jì)算結(jié)果表明，紅蓮特大橋涉水橋墩眾多，碰撞概率分析，主通航孔及過渡墩均碰撞概率大于1×10-4，遠(yuǎn)高于大橋設(shè)防要求。

表3 橋墩年碰撞概率

表4 碰撞數(shù)值仿真計(jì)算工況

4 設(shè)防船撞擊的計(jì)算

本文通過現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合航道、水文特點(diǎn)，合理確定大橋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，確定大橋設(shè)防船撞力及防撞標(biāo)準(zhǔn)

4.1 仿真計(jì)算條件

船撞橋過程復(fù)雜，涉及橋墩、船舶等多種材料的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問題，本文采用LS-DYNA 軟件進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。

4.2 計(jì)算工況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，分別選取3000t 級、5000t 級海船作為船模，計(jì)算最高通航水位下，代表船型撞擊主通航孔橋墩（25#、26#）和輔助墩（24#、27#和28#）船舶撞擊情況的船撞力、船舶變形情況和墩身損傷情況。

4.3 計(jì)算結(jié)果

（1）主墩（3000DWT 船型）。計(jì)算結(jié)果如圖2 所示，滿載高水位正撞時(shí)，船艏首先與橋墩發(fā)生碰撞，在船舶的劇烈撞擊下，球鼻艏部位的外殼及內(nèi)部的肋板、撐桿等構(gòu)件發(fā)生屈曲失穩(wěn)，船舶撞擊力迅速達(dá)到峰值，最大撞擊力達(dá)16.5MN，撞擊時(shí)長2s。船艏局部發(fā)生損壞嚴(yán)重。

圖2 主墩正撞

圖3 船艏損傷情況

（2）主墩（5000DWT 船型）。計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，5000DWT 海輪撞擊力大，最大撞擊力達(dá)27.2MN，較3000DWT 海輪顯著提升。同時(shí)，橋墩表面最大應(yīng)力達(dá)到58MPa，墩身表面會(huì)出現(xiàn)明顯損壞。船艏局部發(fā)生大面積損壞，存在進(jìn)水沉沒的風(fēng)險(xiǎn)，如圖5 所示。

圖4 主墩正撞

圖5 船艏損傷情況

（3）輔助墩（3000DWT船型）。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，考慮船舶失控撞擊輔助墩情況下航速不高，因此計(jì)算航速取2.49m/s。計(jì)算表明，3000DWT 船舶低速撞擊輔助墩情況下，最大撞擊力達(dá)11.8MN，墩身表現(xiàn)出較大變形，同時(shí)船舶存在較大的損壞（如圖7 所示）。

圖6 輔助墩高水位正撞

圖7 船艏損傷情況

5 防船撞設(shè)施的設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)原則

為保證紅蓮特大橋在使用階段不被船舶撞損，需要對可能被撞的橋墩進(jìn)行防撞設(shè)施設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟如下：

（1）由于大跨度橋梁對結(jié)構(gòu)安全性的要求，防撞設(shè)施設(shè)計(jì)必須針對水域內(nèi)的所有涉水橋墩；

（2）應(yīng)根據(jù)主墩、輔助墩橋墩各自特點(diǎn)、抗撞能力、被撞概率，綜合施策，制定相應(yīng)的防撞方案；

（3）橋墩防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、投入使用應(yīng)該與全橋施工同時(shí)進(jìn)行；

（4）防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮施工便捷、管養(yǎng)方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等要求

5.2 設(shè)計(jì)方案

針對紅蓮特大橋的具體特點(diǎn)與要求，在主墩25#、26#墩身周圍設(shè)置自浮式F-400 鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，輔助墩24#、27#、28#墩身周圍設(shè)置自浮式F-250 鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施。通過在橋墩周圍設(shè)置自浮式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，部分削減船舶撞擊力，保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全，滿足大橋橋墩的防撞要求。

防撞設(shè)施采用多級消能結(jié)構(gòu)，由內(nèi)阻尼元件、鋼結(jié)構(gòu)、外阻尼元件/彈性體/護(hù)舷等組成。阻尼元件采用橡膠護(hù)舷，與橋墩接觸部分設(shè)置摩擦板；鋼結(jié)構(gòu)由多個(gè)箱型板梁結(jié)構(gòu)的密封箱室、非密封箱室、桁架支承結(jié)構(gòu)組成，外部采用復(fù)合材料防護(hù)，內(nèi)部填充耗能芯材。彈性體/復(fù)合材料護(hù)舷設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)，提升設(shè)施耗能能力。復(fù)合材料采用纖維增強(qiáng)材料和基體樹脂組成，摩擦板采用聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯或改性超高分子量聚乙烯材料，耗能芯材采用高分子緩沖吸能材料。

6 結(jié)論

本文以廣東南沙自貿(mào)試驗(yàn)區(qū)紅蓮特大橋?yàn)檠芯繉ο螅槍Υ髽驑蚨諗?shù)量眾多，航道情況復(fù)雜等特點(diǎn)，采用現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合概率模型分析的手段，對大橋涉水橋墩碰撞概率進(jìn)行了分析，并通過對船撞力標(biāo)準(zhǔn)的研究，確定了大橋防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)方案。

（1）通過碰撞概率模型分析表明，大橋的非通航橋墩數(shù)量眾多，存在較高船舶碰撞概率，需要考慮整體設(shè)防。

（2）根據(jù)通航孔橋墩、輔助通航孔橋墩的各自特點(diǎn)，根據(jù)被撞概率和設(shè)防要求的差異，采用了不同類型的自浮式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，有效解決大橋船撞問題。