長株潭城際鐵路湘江特大橋船舶撞擊力及橋區(qū)船舶安全航速確定

向友誠,范寧陽，林積大，李 明，李 帆

(1.湖南城際鐵路有限公司，長沙 410000；2.長沙理工大學水利工程學院,長沙 410000)

1 問題的提出

擬建工程長株潭城際鐵路湘潭湘江特大橋位于湘潭市市區(qū),橫跨湘江,橋區(qū)所在河段船只往來頻繁。大橋選址于湘潭三橋下游600 m處,橋址處上游42 m處緊鄰已建2座鐵路橋,分別為滬昆上行線鋼筋混凝土連續(xù)梁橋和滬昆下行線鋼桁梁橋。三橋軸線基本平行,與河道基本正交,相鄰邊緣間距30 m,兩橋均是11孔跨過湘江,橋孔對應布置,通航孔跨徑75 m,凈寬70.5 m(圖1)。

圖1 湘江湘潭鐵路橋模型試驗布置示意

工程所在河段有船舶通航要求,橋梁在計算設(shè)計荷載時需要驗算船舶撞擊荷載。根據(jù)《鐵路橋梁設(shè)計基本規(guī)范》(TB 2010002.1—2005)[1]橋梁墩臺承受船舶或排筏的撞擊力P可按下式計算

(1)

式中，r為動能折減系數(shù)；α為船只或排筏駛進方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角；W為船舶或排筏重力,kN；V為船只或排筏撞擊墩臺的速度,m/s；并指出V應當采用航運部門提供的數(shù)據(jù)。在設(shè)計過程中,查閱了相關(guān)文件資料,也到相關(guān)部門調(diào)查咨詢,但都無法明確的得到船只撞擊橋梁墩臺的允許速度,這給船舶撞擊力計算帶來困難。

2 國內(nèi)外研究概況

船舶撞擊速度的合理選取對確定船舶撞擊力的意義重大。國外一些學者對此進行了研究,其中具有代表性的有：美國(AASHTO)指南中的三角碰撞沖擊速度法、日本學者藤井(Y.Fujii)提出的幾何模型概率方法,以及歐洲統(tǒng)一規(guī)范(BS EN1991—1—7)結(jié)構(gòu)設(shè)計指導方法等。《美國高速公路橋梁設(shè)計規(guī)范(AASHTO)》中提出船舶撞擊速度應為在正常環(huán)境條件下,航道內(nèi)典型船只的航速[2]。“典型船速”在該規(guī)范中被定義為能反映諸如風、水流、能見度、迎面來船以及航道的幾何尺度等典型航行條件下,體現(xiàn)設(shè)計船舶“年平均”航行狀況的船舶航行速度。日本學者藤井(Y.Fujii)則提出采用通過船撞橋墩的幾何概率模型來確定船舶撞擊速度[3],據(jù)此日本橋梁防撞設(shè)計中,對于船舶撞擊速度的選取各不相同。例如1988年4月建成的瀨戶跨海大橋依據(jù)日本學者巖井.聰(Akira Iwai)提出的當船通過橋下時,船速應為流速2倍的理論,選取船舶撞擊速度為7～8 m/s[4],遠遠超過其他方法所得出的速度。歐洲規(guī)范則采用單一速度作為指導船撞速度的選擇標準,2006年頒布的歐洲(包括英國)BS EN1991—1—7結(jié)構(gòu)規(guī)范中,制定出了指導船撞速度的選擇標準：內(nèi)河船舶3 m/s ,港灣區(qū)1.5 m/s ；海船5 m/s ,港灣區(qū)采用2.5 m/s[5]。

上述選取船舶撞擊速度的方法具有一定的背景和地域性特點,例如歐洲規(guī)范中統(tǒng)一速度標準是依據(jù)歐洲發(fā)達水運體系情況而制定的,這些地區(qū)的一些河流,如萊茵河,其渠化程度高,船舶標準化建設(shè)比較全面,在這樣的河流上采用統(tǒng)一的速度標準是可行的。又例如美國(AASHTO)指南方法則是要求航行的船舶要代表反映典型航行條件(能見度、風等)的“年平均”狀況,這必須對工程所在河流的典型情況觀測記錄到具有足夠多能反映“年平均”狀況的實測資料。由于國內(nèi)外水運發(fā)展情況不同,并且我國地域復雜,許多地區(qū)的河流資料中尚且還沒有積累出諸如風、能見度等觀測資料來確定船舶在航道內(nèi)“年平均”情況下的典型船速,因此我國大部分河流不能簡單搬用國外標準,還應依據(jù)所在河流的實際情況合理地處理橋梁設(shè)計與對船舶安全通航的關(guān)系。

3 橋區(qū)安全航速的確定

3.1 影響橋區(qū)安全航速的因素

船舶在橋區(qū)的安全航速應為：在保證船舶安全航行的基礎(chǔ)上,不會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響的安全航速。橋區(qū)船舶安全航行速度受多種因素的影響,如水域航道和水流條件、橋梁布置、船舶類型、橋墩結(jié)構(gòu)尺寸等。現(xiàn)以長株潭城際鐵路湘潭湘江特大橋為例,分析影響該橋區(qū)船舶安全航速的因素。

(1)航道和水流條件：該河段基本順直,水流平順。但該河段航道是根據(jù)枯水期河道深槽所確定,所以航線在橋區(qū)河段中部偏向右岸,并不順直(圖1)。這對船舶的行駛速度造成影響,如果船速過快,船舶來不及按航線調(diào)整船舶的航向；但如果船速過慢,又有可能因為船舶操縱性不足增加船舶通過橋區(qū)時的危險。

(2)橋梁布置：該河段上游的湘潭三橋為公路橋,通航孔基本居河中,跨徑為258 m,為大跨徑橋梁；下游的幾座鐵路橋修建年代不一,通航孔布置在河中偏右岸,跨徑為75 m。由于通航孔的限制,船舶在橋區(qū)有一段斜穿水流,曲線航行的過程,船舶需用一定的舵角抵抗斜流的作用,保證按航線航行。

(3)船舶類型：湘江在該河段目前為三級航道,設(shè)計標準船型是4×1 000 t級駁船隊,而航行較多的是1 000 t級以下的自航船；湘江在該河段即將實施的規(guī)劃是二級航道,設(shè)計標準船型是2×2 000 t級駁船和2 000 t自航船,船舶的大型化對航行條件提出了更高的要求。

(4) 橋墩結(jié)構(gòu)尺寸：受已建橋梁的限制,擬建橋梁通航凈寬已偏小,所以靠犧牲通航凈寬增大橋墩結(jié)構(gòu)尺寸,提高橋墩防撞能力的措施有限。此外,船舶要連續(xù)通過3座相鄰的鐵路橋,需保證在航行過程中漂距不能過大,保持與橋墩的安全距離。

從以上分析可知,影響橋區(qū)安全航速的因素較多,要得到橋區(qū)船舶安全航速的確定值還是比較復雜的,本文采用通航水工模型試驗和船舶模型試驗相結(jié)合的方法進行試驗研究。

3.2 模型設(shè)計與試驗方案

(1)模型的建立

長株潭城際鐵路特大橋河工模型采用1∶100正態(tài)定床水工模型,模型試驗范圍選取如圖1所示。根據(jù)獲取的水文與地形資料,對工程所在河段建立起滿足幾何相似、水流運動相似、動力相似及阻力相似準則的水工物理模型,模型比尺見表1。

表1 模型設(shè)計比尺

(2)試驗標準

參考相關(guān)規(guī)范及《通航建筑物應用基礎(chǔ)研究》[6]中船舶安全航行衡量標準,本次試驗做出如下規(guī)定：如果船舶操縱試驗中用過大的舵角(25°以上)、船舶出現(xiàn)過大的漂角(20°以上)、或船舶航行過程中產(chǎn)生了過大的漂距(25 m),則認為航行是不安全的。

(3)試驗方案擬定

根據(jù)上述船舶安全航行的衡量標準與《內(nèi)河通航標準》[7]及《長株潭城際鐵路湘潭湘江特大橋通航技術(shù)要求論證》選取了典型船型并擬定試驗方案如表2所示。為確定船舶航行對橋墩撞擊的最不利情況,試驗流量采用湘江最大通航流量20 000 m3/s。

表2 試驗方案

3.3 模型試驗結(jié)果分析

分別對3種船型進行了多級流量的試驗,詳細測定不同條件下船模的航態(tài)和操縱指標,并通過這些數(shù)據(jù)對船舶的安全航行狀態(tài)進行判定。

現(xiàn)以2 000 t自航船為例進行分析。圖2為2 000 t自航船在速度分別為V=4.7 m/s和速度V=5.1 m/s時舵角隨時間的變化曲線。從舵角隨時間的變化曲線可以看出：

(1)當船舶速度較慢時(V=4.7 m/s),船舶沿程舵角的操縱有+17°～-21°的幅度,說明船舶動航向穩(wěn)定性較差,需要靠較大幅度的舵角變化來維持船舶沿航線航行。

(2)當船舶速度較快時(V=5.10 m/s),用舵曲線比較平滑,沒有出現(xiàn)過大舵角和突然用舵現(xiàn)象。說明隨著船舶速度的增加,船舶舵效也隨之增加,船舶的操縱性增強。

圖2 2 000 t自航船典型航速時行船舵角隨時間變化對比

表3為2 000 t自航船在幾種不同速度時的舵角、漂角以及漂距等航行參數(shù)的最大值。

表3 2 000 t自航機動駁典型速度時的航行參數(shù)

據(jù)表3分析,當船舶在以較高航速航行時(V>5.10 m/s),船舶最大舵角、最大漂角和最大漂距都滿足船舶安全航行衡量標準。而當船舶航速下降到4.70 m/s時,船舶最大舵角(21°)、最大漂角(20.95°)和最大漂距(26.68 m)分別達到或超過了衡量標準極限值,說明船舶航速低于該速度時,船舶操縱比較困難,存在一定的安全隱患。由以上試驗結(jié)果可確定V=5.10 m/s即為2 000 t自航機動駁在該橋區(qū)的船舶最低安全航速。

橋區(qū)船舶安全航速最大值一般由以下幾方面因素決定：橋墩結(jié)構(gòu)尺寸、視野及能見度、來往船只密度及錯船方式、船舶有效制動距離等[8],本橋區(qū)安全航速的最大值根據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)尺寸進行推算。根據(jù)工程可行性研究初步確定的墩臺尺寸及設(shè)計控制工況,復核該橋梁墩臺所能承受的最大側(cè)向撞擊力為5 500 kN,據(jù)此可利用公式(1)反算得2 000 t自航機動駁船舶最大安全航速為10.4 m/s。同理可確定其他船型的安全航速最大值(表4)。

表4 各典型船舶安全航速 m/s

4 結(jié)論與建議

(1)目前湘江船舶靜水航速一般為18 km/h(即5 m/s)左右,考慮最大通航流量時橋區(qū)水流速度約為2.3 m/s,則船舶在橋區(qū)正常航行速度約為7.3 m/s。對于2 000 t自航船舶該航速位于安全航速范圍以內(nèi),且有一定的安全富裕,安全航行沒有問題；但對于2×2 000 t級駁船隊與4×1 000 t級駁船隊兩種質(zhì)量較大的船舶,該航速則超出了安全航速范圍,建議航運部門對于大噸位船舶通過該橋區(qū)時,其航行速度應限制在該橋區(qū)相應的安全航速范圍內(nèi),以確保橋梁和船舶的安全。

(2)船舶通過橋區(qū)的航速和船舶撞擊力是相互關(guān)聯(lián),又分別對橋梁設(shè)計及通航安全產(chǎn)生較大影響的重要參數(shù),設(shè)計中既不能一味地強調(diào)某一方的重要性而增加另一方的設(shè)計困難,也不能忽視安全因素而降低

設(shè)計標準。在保證船舶安全航行和碰撞不會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響的前提條件下,通過水工模型和船舶航行模型試驗確定橋區(qū)船舶安全航速是一種較為科學合理的方法,其方法和試驗結(jié)果可為類似工程設(shè)計提供參考。

(3)橋區(qū)船舶安全航行及橋梁結(jié)構(gòu)的安全不僅是技術(shù)問題,也是管理問題,所以應從設(shè)計、維護、運行管理各個方面予以高度重視。建議航運部門以正式文件規(guī)定通過橋區(qū)船舶的航速必須限制在相應的安全航速范圍內(nèi),以確保船舶航行和橋梁的安全。這些規(guī)定也可為橋梁設(shè)計提供了有據(jù)可依的重要參數(shù)。

(4)橋梁的布置與設(shè)計,特別是連續(xù)橋梁的布置與設(shè)計要充分考慮橋區(qū)船舶航行的特點與安全,并從長遠的建設(shè)發(fā)展考慮,為航運的建設(shè)留有余地。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計院.TB 2010002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2] American Association of State Highway and Transportation Officials. Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges[S]. Washingtong D.C： 2009.

[3] Fujii Y. Some factors affecting the frequency of accidents in marine traffic[J]. Journal of nacigation, 1974(27)： 29-235.

[4] 巖井.聰.關(guān)于船舶對橋梁的安全措施[J].中國航海,1986(12)．

[5] 歐洲標準委員會.BS EN 1991—1—7—2006,歐洲規(guī)范1—結(jié)構(gòu)行為[S].2006.

[6] 須清華,等.通航建筑物應用基礎(chǔ)研究[M].北京：中國水利水電出版社,1999．

[7] 中華人民共和國交通部.GB50139—2004 內(nèi)河通航標準[S].北京:中國計劃出版社,2004.

[8] 中華人民共和國交通部.交通部第30號令,中華人民共和國內(nèi)河碰壁規(guī)則[S].北京：中華人民共和國交通部，1991.

[9] 陳國虞,王禮立.船撞橋及其防御技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[10] 陳國虞,陳明棟,鄭 丹.計算船撞力選擇撞擊速度時考慮墩位流速的方法[J].廣東造船,2010(3)．

[11] 陳國虞,有防撞裝置時計算船撞橋的力——鐵路橋梁規(guī)范中船撞力公式的延伸修訂[J].鐵道標準設(shè)計,2004(1).