摘要：近年來，隨著航運的快速發(fā)展，運河上船舶運輸越來越繁忙。為防止出現(xiàn)嚴重的船墩碰撞事故，對既有鐵路通航橋梁開展船舶撞擊安全隱患自查工作，對不滿足安全評估的橋梁開展橋墩船撞防護設(shè)計，通過增設(shè)橋墩船撞防護設(shè)施來提高通航橋梁安全性。本文以隴海線中運河特大橋為例，對橋梁結(jié)構(gòu)和代表船型、船舶撞擊橋梁的安全性、橋墩船撞防護設(shè)施設(shè)計、防護設(shè)施安裝等進行研究，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：船舶撞擊；防護性能評估；整治研究

1前言

近年來，隨著航運的快速發(fā)展，船舶流量不斷增加，運河上船舶運輸越來越繁忙。一旦發(fā)生嚴重的船墩碰撞事故，可能造成橋梁垮塌、船舶沉沒等嚴重后果，嚴重危及人民生命財產(chǎn)安全。為堅決遏制和有效防范船舶碰撞跨河橋梁事故，保障船舶航行安全和跨河橋梁運行安全，相關(guān)部門開展船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動，要求按照“各負其責、科學(xué)評估、防治結(jié)合、綜合施策”的原則，全面排查和治理船舶碰撞橋梁安全隱患。

鑒于此，對既有鐵路通航橋梁開展船舶撞擊安全評估，并對不滿足安全評估的橋梁開展橋墩防護設(shè)施設(shè)計和施工，以保障船舶航行安全和橋梁運行安全。

2橋梁結(jié)構(gòu)和代表船型

2.1橋梁結(jié)構(gòu)

隴海線中運河特大橋如圖1所示，在徐州市下轄邳州市運河街道附近跨越京杭運河，于1997年10月竣工，橋梁為單線普鐵橋。該橋上游側(cè)為隴海線中運河大橋，兩橋相距15 m平行對孔靠近布置。隴海線中運河特大橋主橋采用（3×56） m下承式簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)，通航孔跨徑56 m，下部結(jié)構(gòu)采用圓端形墩、鉆孔樁基礎(chǔ)。鐵路等級為Ⅰ級，單線鐵路，設(shè)計荷載為中-活載，設(shè)計速度為160 km/h。

2.2代表船型

大橋防護船舶等級按照橋梁現(xiàn)狀凈空尺度滿足的航道代表船型^［1］設(shè)置。大橋現(xiàn)狀凈空尺度為寬47.8 m×高7.33 m，可滿足V級運河航道凈空要求。因此，大橋防護船舶等級為300 t級。

3船舶撞擊橋梁安全評估

3.1船舶撞擊力

對于鐵路橋，可參照《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）^［2］給出的墩臺遭受船或排筏時的撞擊力計算公式。撞擊力的計算公式為

F=γvsin αWC1+C2

式中F——撞擊力（kN）；

γ——動能折減系數(shù)（s/m0.5），當船只或排筏斜向撞擊墩臺（指船只或排筏駛近方向與撞擊點處墩臺面法線方向不一致）時可采用0.2，正向撞擊（指船只或排筏駛近方向與撞擊點處墩臺面法線方向一致）時可采用0.3；考慮設(shè)置吸能防護措施時，應(yīng)適當折減，折減值應(yīng)通過試驗研究；

v——船只或排筏撞擊墩臺時的速度（m/s），此項速度對于船只采用航運部門提供的數(shù)據(jù)，對于排筏可采用筏運期的水流速度；

α——船只或排筏駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角，應(yīng)根據(jù)具體情況確定，如有困難，可采用α=20°；

W——船只重或排筏重（kN）；

C1，C2——船只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺圬工的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時可假定C1+C2=0.000 5 m/kN。

船舶的撞擊作用點假定為計算通航水位線以上2 m的橋墩寬度或長度的中點。根據(jù)上述公式，求得船舶撞擊力為1.73 MN。

3.2荷載及組合

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，船只或排筏的撞擊力、汽車撞擊力，只計算其中的一種荷載與主力相組合，不與其他附加力組合。因此，考慮的作用荷載類型^［3］有：上部結(jié)構(gòu)恒載、列車豎向活載、離心力、橫向搖擺力。

根據(jù)上述船撞力與主力組合的原則，可以得到橋梁抗撞計算荷載組合見表1。

3.3抗撞性能評估

對上述作用及組合下的墩身及樁基進行評估。通航孔墩號為18號、19號墩，墩身采用C20混凝土，樁基采用水下C35混凝土，大橋抗撞評估結(jié)果匯總見表2。

由表2可以看出，在1.73 MN船舶撞擊力作用下，橫向船撞力組合作用下樁基未通過評估，需要對該橋進行船撞防護^［4］。

3.4橋梁自身抗撞力

通過調(diào)整船舶撞擊力得到橋墩及樁基在不同船撞力下的評估結(jié)果，從而確定橋梁自身抗撞力。經(jīng)過試算，該橋抗撞性能為樁基截面控制，自身抗撞力為1.5 MN。鑒于船舶撞擊力計算為1.73 MN，防護設(shè)施需消能13%左右。

4橋墩船撞防護設(shè)施設(shè)計

4.1設(shè)計原則

在進行橋墩船撞防護設(shè)施設(shè)計時應(yīng)考慮以下原則：

（1）保護橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

（2）設(shè)計及實施階段應(yīng)盡量降低對航道的影響。

（3）經(jīng)濟性原則。

4.2防護設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)大橋橋墩結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)抗撞能力差異、通航孔船舶等級、上下行航向差異等因素，針對性地設(shè)計了自浮式ZF100鋼覆復(fù)合材料防護設(shè)施，防護設(shè)施長10.2 m、寬6.5 m，可隨水位上下浮動，始終位于船舶撞擊位置。該防護設(shè)施由4個節(jié)段（有節(jié)段A和節(jié)段B兩種，每種兩組）組成，節(jié)段B上設(shè)有安裝人孔。四個節(jié)段均通過工廠制造、現(xiàn)場拼裝。防護設(shè)施結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.3仿真分析

根據(jù)上述設(shè)計方案，對加裝防護設(shè)施后的情況進行仿真分析，仿真分析工況見表3。

通過有限元軟件建立船舶撞擊橋梁分析模型進行仿真分析，模型及仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

根據(jù)上述仿真計算，得到加裝防護設(shè)施前后船舶撞擊力的仿真分析結(jié)果，見表4?？梢钥闯?，加裝防護設(shè)施后，船舶撞擊力從1.73 MN降為1.3 MN，達到了防護效果。

4.4防護設(shè)施對橋梁結(jié)構(gòu)及航道附加影響

大橋最低通航水位為20.31 m，承臺頂標高為20.49 m，防護設(shè)施存在擱置承臺的可能性。因此要考慮防護設(shè)施附加荷載對既有橋梁基礎(chǔ)承載力的影響。

4.4.1局部承壓計算

防護設(shè)施自重按60 t（為方便表述，力用噸力表示，1 t≈10 kN）考慮，則由防護設(shè)施擱置承臺產(chǎn)生的局部應(yīng)力σ=0.6/2/（8.2×1） MPa=0.037 MPa?？梢?，防護設(shè)施擱置承臺導(dǎo)致的附加應(yīng)力很小，對結(jié)構(gòu)安全性無影響。

4.4.2基礎(chǔ)承載力計算

防護設(shè)施自重按60 t考慮，則由于防護設(shè)施擱置承臺產(chǎn)生的單樁豎向力F=60/5 t=12 t。經(jīng)計算，主力組合下單樁最大豎向力為383.4 t，則由于防護設(shè)施擱置承臺產(chǎn)生的附加豎向力占主力組合單樁豎向力的3.1%，處于較低水平，防護設(shè)施對于基礎(chǔ)的影響較小。

加裝橋墩防護設(shè)施能夠?qū)蚨掌鸬奖Ｗo作用，但可能會侵占航道凈空，對船舶通行的安全性造成負面影響。因此，需要考慮加裝橋墩防護設(shè)施對通航尺度的影響。防護設(shè)施對通航尺度影響見表5，橋墩防護設(shè)施未占用通航凈寬。

4.5防護設(shè)施優(yōu)化措施

根據(jù)橋墩船撞防護需要以及防護設(shè)施日常檢查需要，設(shè)計了以下優(yōu)化措施：

（1）考慮后期檢查養(yǎng)修作業(yè)安全，防護設(shè)施甲板增設(shè)防護欄桿。

（2）結(jié)合船體工程學(xué)和橋墩實際幾何尺寸，優(yōu)化防護設(shè)施的外觀幾何形狀，通過設(shè)置圓弧過渡面的方式，減輕碰撞時的船體傷害，達到既保護橋墩又保護船舶的效果。

（3）為避免增設(shè)防護設(shè)施引起既有橋墩受損，通過增大PE板增加厚度的方式延長使用壽命。

5防護設(shè)施安裝

5.1安裝步驟

防護設(shè)施主體結(jié)構(gòu)在工廠分段制造完畢后，各分段自下游至上游側(cè)依次進行拖輪浮運安裝，調(diào)平采用手拉葫蘆輔助方式配合合攏對接，保證螺栓安裝要求，具體施工步驟如下。

（1）步驟一：上游側(cè)分段安裝，如圖5（a）所示。首先將防撞設(shè)施上游側(cè)分段浮運至橋墩上游側(cè)，進行橋墩近位安裝；其次緩慢移動拖輪，使防撞設(shè)施至下游側(cè)緩慢移動，直至橋墩安裝位置處；最后使拖輪與防撞設(shè)施持續(xù)連接并保持一定動力，防止防撞設(shè)施發(fā)生移動。

（2）步驟二：下游側(cè)分段安裝，如圖5（b）所示。首先將防撞設(shè)施下游側(cè)分段浮運至橋墩下游安裝側(cè)；其次緩慢移動拖輪，直至防撞設(shè)施到達橋墩安裝位置處；最后在下游側(cè)分段浮運到位后，工作人員馬上使用手拉葫蘆將兩分段連接拉緊。

（3）步驟三：防撞裝置合龍，如圖5（c）所示。首先在下游側(cè)分段浮運到位后，根據(jù)安裝分段實際吃水情況，采用手拉葫蘆拖拉進行調(diào)平；其次在調(diào)平完成后，作業(yè)人員進入連接艙室進行高強螺栓的安裝與施擰作業(yè)；最后在防撞裝置合龍后進行連接法蘭螺栓復(fù)擰、防腐涂裝補涂等作業(yè)。

5.2注意事項

現(xiàn)場作業(yè)如圖6所示，需要注意以下事項：

（1）節(jié)段合龍時，拖輪主要作用為系駁保護防撞節(jié)段，不能拖動節(jié)段，否則極易造成節(jié)段相互撞擊。

（2）節(jié)段合龍時，用手拉葫蘆將節(jié)段拉近，再用鋼絲繩將節(jié)段初步連接。

（3）節(jié)段合龍時，由于節(jié)段吃水高度不一致，可通過葫蘆精確調(diào)整節(jié)段吃水深度，滿足拼裝合攏要求。

（4）聯(lián)結(jié)螺栓時，先連接水上部分，再連接水下部分。水下部分螺栓聯(lián)結(jié)時，要在艙室內(nèi)部設(shè)置冷光源，便于照明。

（5）施工人員進入連接艙校正螺栓孔并分別穿上各聯(lián)結(jié)螺栓，螺栓上完后逐步擰螺栓，擰緊螺栓時需分初擰、復(fù)擰和終擰。

6結(jié)語

本文對鐵路通航橋梁進行船舶碰撞橋梁隱患排查，對于抗撞性能不滿足要求的橋梁增設(shè)防護設(shè)施。在明確橋梁防護船型、自查通航標識及通航凈空的基礎(chǔ)上，首先進行橋梁抗撞性能評估，計算船舶撞擊力和橋梁自身抗撞力，判斷橋梁是否需要加裝防護設(shè)施；其次根據(jù)橋梁自身抗撞力與船舶撞擊力的差異，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)及通航條件，對增設(shè)防護設(shè)施進行設(shè)計；最后進行防護設(shè)施制造及現(xiàn)場安裝。

參考文獻

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作者單位：中國鐵路上海局集團有限公司徐州工務(wù)段，徐州221000

作者簡介：裴路，男，工程師。