論航道中橋梁橋墩防撞技術及設施

◎ 錢慧 甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司

論航道中橋梁橋墩防撞技術及設施

◎ 錢慧 甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司

在水利運輸過程中，船舶撞損橋墩屬于高發事故。由于航道墩撞擊破壞性影響巨大，為降低碰撞造成的損失，應在航道墩設計與加固中充分利用了彈性變形防撞、人工防撞、重力式防撞、薄殼圍堰防撞等防撞技術。本文以實際工程為例，對航道中橋梁橋墩防撞技術進行探討。

航道 橋梁橋墩 防撞技術

1.工程概況

某橋梁工程自建成45年來，先后受到了60多次的船舶撞擊，鋼梁撞損三次，橋墩撞損58次，導致橋墩上多位置受到了嚴重的損害。由于不斷受到撞損，嚴重影響了大橋的安全性，引起了鐵道部門、公安部門的高度重視，要求采取科學的橋梁橋墩防撞措施，保證橋梁的安全性。

2.橋墩撞損分析

橋梁運營過程中，排水量超過2000t的船舶撞擊事故一共出現了7次，其中最嚴重的一次撞損事故船舶的排水量達到了9000t。大部分的撞損事故都是小型船舶造成的，雖然小型船舶的撞損事故并不會對橋梁造成嚴重的毀損，但是如果任其發展必然會對橋梁的使用壽命造成影響。從事故出現時的水位情況看，水位標高低于24m的撞擊一共出現了55次，占到了總撞損事故的82.3%，超過水位標高27m的事故一共出現了4次，其中最嚴重的一次水位標高為28m，一艘載有2000t的船舶右側尾部撞到的五號墩。

從事故發生的時間段分析，發生在夜間的事故達到了27次，發生在白天的事故有36次，撞損事故發生概率相差不大，但是中午12點～下午15點時間段內發生的事故概率比較多，一共發生了17次，比其他時間段的事故率明顯要高出很多。

根據船舶的航行的方向看，上水船舶出現在膨脹的次數比較少，只占到了總事故概率的6.5%，而下水船的碰撞概率相對來說則比較高，大約占到了總事故概率的85.2%。因此，在進行橋墩防撞設計時，需要重點考慮下水方向的撞損影響。該大橋受到的60多次橋墩撞損事故中，總體上可以分為4種。

（1）前進過程中船頭撞到的橋墩上，如圖1所示。這種事故對橋墩造成的危害比較大，大約占到了總事故率的35.2%。

（2）橫漂船船側撞擊到了橋墩上，這種情況和船只靠碼頭的情況比較相似，受舵和水流的作用影響，船不能保持軸向前進，因為船橫漂的速度要低于前進速度，因此，造成的撞損程度也比較小。這類事故出現概率比較多，占到了總概率的56.2%，如圖2所示。

（3）橫漂船的重心剛好撞擊到橋墩上。這種情況是一種較為極端的情況，由于船的重心正好撞擊到橋墩上，受水流合力影響，船頭后發生旋轉，逐步轉變成順流而下。

（4）船頭直接裝到橋墩上。這種情況比較極端，當船撞到橋墩上后，船會和橋墩交換所有的動能，受水流、橋墩端部外形、操作等因素的影響，相撞后會瞬間滑開并轉變成第一類情況，這種情況出現的概率比較小，在設置橋墩防護時可以忽略。

圖1 前進過程中船頭部位相撞

圖2 橫漂船側撞擊橋墩

圖3 充水膠囊受力曲線

圖4 膠管受力曲線

3.選擇橋墩防護結構

由于該大橋屬于一級航道，通航跨度達到了127m，減去橋墩占據的6.5m，航道凈寬值為121.5m，按照規定要求，航道凈寬要控制在100m以上，所以，橋墩防護結構一個邊最大只可以占到10.75m，通過分析后發現此工程使用繩索方式或者舷式比較合理。綜合分析后，決定采用充水膠囊防撞器方案。

為了驗證防撞效果，使用兩個比較大的測力元件對前后鋼護箱上的壓力分布情況進行檢測，然后利用兩塊比較小的測力板對橋墩的受力值進行檢測。

檢測證明，在最大行程運行狀態下船頭的出力大小為384kg，膠管效能率為25%，充水膠囊小能量達到了30%，根據繪制的充水膠囊工作曲線不難發現（如圖3所示，F指的膠囊壓力，L指的是外部壓力），從加壓開始到壓力值升達到最大耗費的時間要遠低于膠管的時間，并且當受到的外部壓力大于膠囊控制壓力時，膠囊的壓力也不會繼續變大，而會通過消能的形式轉化掉。使用膠管進行消能時，隨著受到的外力越來越大，膠管受到的壓力也會越來越大，無法再起到消除能耗的效果，如圖4所示。

綜上所述，使用柔性消能措施是比較合理的，理論計算值和實際情況基本一致，使用該方案不僅可以防止橋墩受到船舶外力撞擊后受到大的損傷，而且防撞設施還具有良好的自我恢復能力，防撞設施具有良好的吸能效果。因此，本橋梁工程的防撞使用柔性消能防護系統，選擇流體穩壓柔性膠囊進行防撞施工。

4.橋墩防撞設施組成及應用效果

防撞裝置主要由下面幾個部分構成。

（1）外層小型鋼軌枕木滑道。鋼軌枕木滑道主要是由一段段交叉構成的，當船舶產生撞擊的時候首先會撞到鋼軌枕木滑道上，然后把集中的撞擊應利分散層平面力均勻的作用到防撞設備上。

（2）外鋼浮箱。

（3）外層膠管箱。

（4）內鋼浮箱。

（5）內壁膠管和膠板。

當船舶撞擊到防撞裝置上時，首先會撞擊到處于最外層的鋼軌枕木滑到上，利用枕木和鋼軌將船舶撞擊過程中產生的撞擊力平均分散到外層膠管束上，有效防止了應力集中的情況。在將膠管束壓縮到一定的范圍值后（外鋼浮箱移動力達到6000KN時），中部充水膠囊群會有水噴出，外層的鋼浮箱受到擠壓，充水膠囊會產生移動。與此同時橡膠墊板和內層膠管也會產生壓縮變形，在撞擊過程結束后壓縮變形才會完成。撞擊過程完成后，充水膠囊會自動進行充水，所有的防撞設施也會逐步恢復到原裝，只需要工作人員簡單對受到撞擊的位置稍加修理就可以再次投入使用。

5.結論

交通運輸作為影響我國經濟發展的基礎，如果一些對交通影響比較大的橋梁工程受到嚴重的撞損傷必然會造成非常大的經濟損失，本文以實際工程為例，對大橋橋墩防撞進行了研究，分析了多年來橋梁撞損的實際情況，然后結合橋墩的具體情況制定了對應的防撞措施。由于選擇的防撞設施柔軟性良好，當橋墩受到船舶的碰撞時，防撞實施可以同時保護船舶和橋墩，避免了船舶事故的出現，而且防撞設施結構很小，達到了設計要求。此外，防撞設施還具有隨水位升高及受到碰撞后自行恢復的能力，不僅最大限度的保證了船舶和橋墩的安全，而且節省了資金的投入，具有較高的推廣應用價值。

[1]于興泉，孫國強.杭州灣跨海大橋北航道橋防船撞結構方案研究[J].橋梁建設，2006(03)：54-56.

[2]何棟梁，范彬.船橋碰撞及防撞結構研究[J].石河子大學學報，2005(6)：289-291.

[3]曹聰慧，王君杰，卜令濤.道橋梁簡介及基礎防撞設防[J].山西建筑，2010(3)：322-323.