橋墩防撞設計中對駁船隊撞墩的分析和處理

摘 要：駁船隊比較寬、比較長，再加上操縱不靈便，在橋梁設計開始階段，對橋型、通航寬度和撞上概率等三方面對它及早考慮是應該的。但是，由于駁船的使用日漸減少，駁船隊一撞就散，撞擊力比較小，因此駁船隊的撞擊力不成為撞塌橋墩的控制因素。本文從駁船隊連接特點出發，求出兩邊駁船對被撞駁船的附加力；并從沖擊動力學的理論出發，計算出后面駁船對被撞駁船壓力峰值與第一撞擊力峰值的時間差，說明疊加之后遠小于該航道上相當載重量的單船的撞擊力。所以，計算航行船舶對橋墩的撞擊力時，主要應該考慮單體船。因此也對我國公路橋梁設計規范源出于駁船隊的規定和美國各州公路和運輸工作者協會（AASHTO）的指南中關于駁船隊的研究，進行了討論。

關鍵詞：駁船隊；駁船撞墩；通航寬度；峰值的時間差；邊駁的附加力

Analysis and Countermeasures for Barge Fleet Collision with Pier during Design of Bridge Anti-collision

CHEN Guoyu

( Shanghai Marine Steel Structure Research Institute， Shanghai 201204 )

Abstract: A barge fleet has big length and breadth and it is not easy to operate because of the mono-hull ship and so at the beginning of bridge design stage， the designer would consider these three factors including bridge type， navigable width and probability of the ship collision with pier. However， there are less and less barges and the barge fleet may disperse immediately after collision with bridge happens， because collision force is small and the collision force would not be the control factor in the ship collision with bridge pier.This paper discusses the peculiarity of the link between the barges in the fleet and the append force from the two close barge and the interval time between two peak values of force are calculated. And when the two peak values of force are piled up the result is far smaller than the peak value of the mono-hull ship. So， when we calculate the force of the collision we should consider the mono-hull ship.This paper also discusses the guides about the barge collision with bridge of China and AASHTO.

Key words: Barge fleet; Barge collision with the bridge; Navigable width; Interval time between two peak values; Appends force from two close barges

1 駁船隊的現狀

大型駁船隊，我國主要在武漢以下的長江中下游從事載貨運輸，曾每年為馬鞍山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公司運輸礦石1 000萬t以上（上水），為沿江各電廠運輸煤炭2 000萬t（上、下水）。另外，駁船隊為下游的建筑工地運送砂石也是非常經濟的。

1×4413 kW（6000hp）+20×2 000 t的駁船隊為載重最大的駁船隊之一，如圖1所示，其載重量達到4萬t。

在河流下游的水網地區，流速比長江低些，往往幾百馬力的拖船就可以拉幾千噸的貨，運輸成本比較低。可以看見一字長蛇形的拖駁船隊。如圖2所示。

駁船隊這種運輸方式大約風行了幾十年。“進入21世紀，船運公司增多，貨源分散；北煤南運，港口建成，水運煤由江轉到海上。大批載重量為5000t～30000t的江海聯運淺吃水肥大型散貨船投入運輸。她們自航，調度方便，靠離碼頭不需港作拖船幫助，不花港作規使費。船上防浪防潮設備好，可載多種貨品，適應港口大型化和港口裝卸高速化。因此港口和貨主傾向自航貨船，大多數貨主不再接受2000t以下駁船。”[1]

駁船公司為了維持本身的競爭力，采用建造大載重量駁船的補救辦法：批量建造5000t艙口駁，以縮短碼頭掉靠駁船的時間，減少使用港作拖船的費用；建造8000t～10000t甲板駁，以承運大件貨物。

“但由于補救辦法仍未能徹底改變駁船隊運輸‘不適港，不適貨’的總趨勢，所以駁船隊退出江湖是必然趨勢。2009-11-04，國內最大的內河水運企業鳳凰公司將106艘2000t中分節駁退出市場。長江航運進入自航船舶時代。”[1]

2 駁船隊撞墩的實例描述

“1998年夏，長江中上游發生特大洪水，全線封航，9月2日洪水消退恢復通航，就在這天晚上，長22033輪第23航次，頂推1 000 t～1 500 t空駁7艘順水而下，航速18 km/h。八時剛過，與黃石長江公路橋3號主墩防撞設施相撞。船隊編結如圖3所示。

圖3 被撞散前的船隊編結圖

碰撞發生后，多根系結纜繩斷裂，船隊分解，分別從防撞設施兩側漂下，各個駁船損傷程度不一，------ 。”[2]因為是21237號駁船撞3號墩，所以“21237駁，左舷發生長6 m高2 m凹陷0.25 m的破裂穿孔；甲板拱凸8 m2。------21169駁，首尖艙水線（2.4 m）以下全部破損，5根鋼絲繩（50 mm 4根。75 mm 1根）斷裂。------81058駁，首尖艙左舷近第一空倉處破損凹進2處，各為1000×50mm，第一艙左舷側板破裂12 000×600 mm，系結鋼絲繩斷損3根。”[2]

從上面描述可以看出，駁船隊是用鋼絲繩系結起來的，撞墩之后鋼絲繩斷裂，駁船散隊。

而且空駁船的慣性力就足以拉斷連接鋼絲繩，致駁船隊散隊。

這個概念要從船舶流體阻力出發去理解，駁船之間的連接鋼絲繩是為了推船（從前俗稱拖頭、推輪）推帶駁船前進、轉彎和靠泊之用的，而船舶在低速度時，基本沒有興波阻力，要使駁船前進只需比克服摩擦阻力大一點的力便可以了，駁船隊選擇的運行速度比較低，使用的連接鋼絲繩比較細就夠了。

3 駁船隊系縛駁船的方式——駁船之間的力傳遞

駁船隊對撞擊橋墩的影響，大致有兩個方面：①是駁船隊的寬度，影響到通航凈寬的選定[7]，②是駁船隊對橋墩撞擊力的大小，而要決定撞擊力的大小就必須弄清楚旁邊的駁船是怎樣對撞上的駁船傳遞作用力的。

研究發生撞擊時駁船之間力的傳遞，必須了解駁船之間是如何連接的。駁船有拖帶和頂推兩種走法，因為頂推的效率比較高，多艘駁船的大編隊多用頂推。窄小河流用前拖，一字形編隊。單只駁船用前拖和側面綁拖都可以。兩只駁船可以用左右綁拖或前拖。頂推駁船編隊常用的有：梭形、燕形和梅花型。如圖4所示。

圖4 三種常用的頂推駁船編隊方式

駁船隊中推船與駁船和駁船與駁船之間大多數是用鋼絲繩連接的[3]，個別曾用過鋼搭扣，現已不多見了。駁船隊聯接的鋼絲繩，按其作用和位置，常用的有8種稱呼：①包頭纜，②橫纜，③拖纜，④ 倒纜，⑤連接纜，⑥尾纜，⑦操縱纜和⑧過江纜。其中“8過江纜”示于圖4，其余7種如圖5所示。

① 包頭纜 ② 橫纜 ③ 拖纜 ④ 倒纜 ⑤ 連接纜 ⑥ 尾纜 ⑦ 操縱纜

圖5 用鋼絲繩聯接駁船隊的典型例子

鋼絲繩是不能傳遞推力的，凡是受推力的地方鋼絲繩是鬆的，它能夠傳遞拉力；每根系結鋼絲繩所能傳遞的最大拉力，是該鋼絲繩的破斷拉力。前后駁船之間是能夠傳遞推力的，當前面的駁船速度低于后面的駁船時，后面的駁船便通過緩沖墊（通常是橡膠材料制成）給予推力。下面將討論這兩種力的傳遞。

4 應力波在鋼質駁船內的傳遞——峰值判斷

4.1 從沖擊動力學理論分析

沖擊載荷使構件受載后產生的變形有局域性，即變形和損壞集中在受力區附近。當第一艘駁船受橋墩撞擊時（例如橋墩撞擊船頭）撞擊點附近即受載、變形，形成損壞，這時有兩個后果：

1）被撞的一艘駁船減慢，其他駁船繼續前進，在這一瞬間動作中，其他駁船通過受拉力的鋼纜給第一艘駁船加載直至鋼纜拉斷為止——撞散。這是大多駁船被撞后發生的情況。

2）后面的一艘駁船將兩船間的空隙壓縮，在慣性力的作用下后一艘船將撞擊前一艘船的尾部，這種載荷需要時間，這樣與第一艘船撞力產生的峰值便會不同時產生，可能出現第二個撞擊峰值。第二艘船壓向第一艘船尾部的時候，會引致兩船接觸部分的損傷（局域性），這兒也會消耗能量。因在第二艘船的頭部和第一艘船的尾部存在橡膠墊塊，橡膠墊塊延長了撞擊過程的時間也減低了撞擊力，同時也延緩了在接觸處的第二次撞擊力的時間。

對第一艘駁船與橋之間的撞擊力，應考慮兩項直接的作用：其一是第一艘駁船的速度、自重和船頭剛度等等；其二是通過鋼索在撞擊瞬間能夠加上去的載荷。

4.2 通過鋼索在撞擊瞬間能夠加上去的載荷

由于第一艘船被撞受阻，和其他各船之間產生速度差，使受拉的鋼絲繩載荷增加，導致這些鋼絲繩拉斷，駁船隊散開。按照圖示的幾種綁扎方式，例如實例燕式加邊，當撞到21237駁時，有4處鋼絲繩受拉，每處兩根鋼絲繩，共8根。通常用2英寸（即圓周50.8 mm，相當于國標中直徑16 mm）：3英寸鋼絲繩（即圓周75 mm，直徑24 mm），若按GB/T 8918-1996，6×37+FC結構，1 670 MPa強度級的鋼絲繩，則其主參數如表1。

這個數量級相當于滿載駁船撞擊力的20%左右，（在上述實例中，連接鋼絲繩被空載駁船拉斷，也說明是這個數量級），如果考慮到鋼絲繩拉斷有先后，這個系數還要折減。粗略地說，首駁撞墩側駁通過鋼絲繩加上去的力，相對當于首駁“船撞力”的20%，因此建議在以后的計算中，用將駁船質量（dpt）乘上一個系數（1.2）的辦法處理。

4.2 二次撞擊的撞擊力疊加的時間差

后一艘駁船撞擊前一艘駁船的尾部的二次撞擊力為橡膠墊所傳遞的力，根據試驗，橡膠一般在0.1～0.14 s（100 ms～140 ms）左右才能達到峰值；再加上應力波傳遞的時間：在慣性力的作用下，從第二艘船的中部質心傳到第二艘船的船頭有半個船長，第一艘船的船尾傳到第一艘船的船頭，有一個船長，因此與第一次撞擊相比，延后了1.5 L/C （L＝一艘駁船的長度，C＝船中的應力波傳遞速度）。設駁船長L＝100 m，應力波傳遞速度應算為C＝5000 m/s，所以應力波傳遞時間為：1.5L/C＝30 ms。 （延后總共130 ms～170 ms）。在船撞力的時程曲線中，過了峰值一百多毫秒（下面討論用平均值150 ms）后疊加的二次力對峰值影響已經不大了，下面用曲線討論兩個因素對峰值的共同影響。

4.3 峰值判斷

以燕式綁結方式（圖5不加邊）為例，6艘載重量為3 000 t的駁船（在長江現在還有使用）連接成駁船隊。總載重量約20 000 t，航速為每秒4 m，最前面的一艘駁船撞墩，該橋墩已裝有柔性耗能防撞裝置。

在駁船隊各次撞擊力的疊加的示意圖中，撞墩首駁船撞擊力時程曲線為0號，兩邊都有鋼絲繩附加值（1.2×2），故乘以1.4，得到1號曲線；約150ms后疊加后面駁船的力得到2號曲線，得到峰值5；再過150 ms后疊加推船的力3號曲線，由于拖船的質量不大，約1000dpt得到峰值6。

4號曲線是載重約25 000 DWT的自航單體貨船以每秒4 m的速度撞墩力的時程曲線。可以看出，4號曲線的峰值（約52 MN）遠大于駁船撞擊力疊加后的峰值。

船隊例圖和峰值示意圖6、圖7。

圖6 峰值判斷圖例

圖7 駁船隊各次撞擊力的疊加的示意圖

5 對我國橋梁設計規范中橋跨凈寬、凈高的討論

我國兩個橋梁設計規范中對橋跨的凈高有一些規定，對凈寬則要求符合JTJ311-97通航海輪橋梁通航標準[10]和GB50139-2004 內河通航標準[9]的規定。

后者對橋跨的寬度主要是考慮駁船隊，而且僅考慮了矩形的駁船隊。根據現在的發展，駁船隊少了，寬度小了，“撞上”的概率就小了。但單艘自航的船大了、快了，船撞力變大；船的上層建筑大了高了，風流壓偏角變大----都要求橋跨加寬。船撞因素對橋梁開始階段的選型，越來越重要。

6 結論

經過研究認為：由于駁船隊撞擊橋墩的力疊加后的峰值遠小于同樣載重量的自航貨船（或集裝箱船）的撞擊力的峰值。而且發展的方向是自航的貨船取代駁船隊。單體貨船載重量較大，速度較快，撞擊力較大，對船撞墩起決定性的影響。應選擇自航貨船作為設計防御船撞橋時船撞力的代表船型。

在橋梁設計的開始階段，考慮橋型、通航寬度和船撞上橋墩的概率時，可對現在仍有的駁船隊的寬度加以考慮（雖然船撞力已經不起控制作用）。

7 對美國船撞橋設計指南中關于駁船兩則條文的討論

美國船撞橋設計指南[4]中關于考慮駁船的意見見于3.12節和3.13節。

“3.12駁船對橋墩的撞擊力

駁船正面撞擊橋墩時，撞擊力可以按以下方法計算：

這里：PB=駁船撞擊等效靜力（千磅），BB=駁船寬度（英尺），aB=駁船船頭損壞深度（英尺）”。

指南中，對于4艘以內的運泥駁船隊，有計算好的線圖。一般的駁船如欲根據船頭損壞深度計算駁船對墩的撞擊力，則有：

“3.13 駁船船頭損壞深度

駁船船頭的損壞深度應當按如下公式進行計算：

這里：aB=駁船船頭損壞深度（英尺）， KE=駁船撞擊能量（千磅-英尺），

為駁船寬度（英尺）。”

對此，討論幾點：

1）有了駁船寬度并計算出駁船撞擊能量之后，代人公式(3.13-1)計算出駁船船頭損壞深度，看計算出駁船船頭損壞深度是大于還是小于0.34，然后再用公式(3.12-1a)或(3.12-1b)計算出駁船對墩的撞擊力。——這種用沖擊能去計算沖擊力的理念，由于不符合牛頓力學的基本原理(沖擊力與物體質量、速度和剛度有關，不是沖擊能的單變量函數)，在26年前我國鐵路規范[8]的沖擊力公式中已經表明，并提出了不同的處理分法。因為撞擊力不是沖擊能的單變量函數，它還受撞擊過程時間(牛頓力學的沖量公式)、撞擊系統剛度等因素的影響[5]，怎能用沖擊能加一個駁船頭的寬度就決定了呢？該協會指南也許對特定種類的駁船有用（不是普適的）。

2）在該協會船撞橋設計的補充指南中，對駁船頭被撞深度給予足夠重視，我認為可以預防駁船頭破損而致的環境受污染，這是很好的。但是，在橋梁設計的開始階段，橋梁設計人首先關心的是選擇橋位和橋型。他們首先想知道在航道中航行的船舶萬一撞上時會有多大的力，他選擇的橋墩會不會被撞倒，因此必須更直接地求出船撞力（不同型號的駁船有不同的船頭剛度，應有不同的船頭撞深計算方法）的方法。

3）美國船撞橋設計指南中的實例，選擇路易斯安那州新奧爾良附近的一座橋，該地區屬于水網地區，寬的窄的河道都有。美國專業人員在這個地區也進行過駁船撞擊閘門和駁船撞擊水中樁柱（模擬橋墩）的實船試驗[5]。有的試驗用的是一只駁船，并沒有看到關于駁船隊的駁船之間力傳遞的處理辦法（處理對象從單只駁船到駁船隊必須解決的方法）。

參考文獻

[1] 王 孫 長航駁船隊\"退位\" 新船型等待加冕[N]. 中國船舶報 2009-11-20

[2] 史元熹、金允龍等，黃石長江大橋主墩防撞設施設計[C]. 船撞橋論文集，上海:上海海洋鋼結構研究所 2000，75-81

[3] 上海河運學校.船舶操縱[M].

[4] 美國各州公路和運輸工作者協會(AASHTO):公路橋梁船撞設計指南2009第二版[M]. 上海:上海海洋鋼結構研究所.

[5] 倪步友，陳國虞，鄭 丹，陳明棟，中、外船撞橋實驗評述[J]. 橋梁工程與技術: 2009(6)29-38.

[6] 中華人民共和國鐵道部.墩臺承受船只或排筏的撞擊力TB10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范 4.4.6條[S]. 北京 中國鐵道出版社，2005

[7] 中華人民共和國交通部 公路橋涵設計通用規范 JTG D60-2004[S].北京:人民交通出版社，2004

[8] 中華人民共和國鐵道部 墩臺承受船只或排筏的撞擊力 TBJ2-85 鐵路工程技術規范 第二篇 3.4.6條[S] 北京.中國鐵道出版社，1985

[9] 中華人民共和國國家標準 GB50139-2004 內河通航標準[S].

[10]中華人民共和國行業標準 JTJ311-97 通航海輪橋梁通航標準[S].