橋梁防撞方案比較及加強管理建議

李忠俊

【摘 要】 橋梁是我國交通基礎設施的重要組成部分，是促進經濟發展的重要設施。船舶一旦發生撞橋事故，對水路和陸路運輸將產生不可估量的損失。從防止船舶撞橋角度出發，計算船舶碰撞力，從硬件建設和軟件管理兩方面提出橋梁防撞的建議。研究結果表明，浮式消能防撞設施和人工島防撞設施對于防止橋墩受沖撞有重要作用，進而比較兩種防撞設施的優缺點。同時，加強橋區通航監管也是橋梁防撞的重要措施之一。

【關鍵詞】 橋梁；防撞；人工島；消能防撞；通航監管

0 引 言

改革開放以來，我國跨海和跨江橋梁越來越多。據相關資料統計，我國主要的三大內陸航運水系，即長江水系、珠江水系和京杭運河水系，現有各種橋梁近300座，其中長江水系和珠江水系分別有100多座，京杭運河水系有50余座。[1-3] 我國沿海地區已建和擬建的跨海大橋有東海大橋、杭州灣大橋、舟山跨海大橋、廈漳跨海大橋、瓊州海峽跨海大橋和港珠澳大橋等。橋梁不僅能給交通運輸帶來方便，更重要的是能促進地區經濟的發展。如東海大橋連接上海南匯新城與大小洋山，同時東海大橋工程是上海國際航運中心洋山深水港區一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區集裝箱陸路運輸和供水、供電、通信等需求提供服務；杭州灣跨海大橋的建設對于杭州灣整個地區的經濟、社會發展都具有深遠而重大的戰略意義。

橋梁能有效地改善陸上交通并促進經濟發展，但是橋梁建成以后，由于通航水域流態變得復雜，且通航密度加大，導致橋區交通事故頻發。[4-5]如黃石長江大橋，由于選址在水運繁忙而河道彎曲的水域，加上駕駛人員的疏忽，導致黃石大橋水域碰撞不斷，僅在1993年4月16日至9月16日的147天中，就發生撞橋事故16起，沉船9艘，造成直接經濟損失數百萬元。據長江海事局統計，截至2003年8月，長江干線共發生船橋相撞事故120多起。2007年6月15日，廣東九江大橋被船撞塌，造成嚴重的人員傷亡，直接經濟損失達億元。浙江沿海舉世矚目的舟山跨海大橋，分別于2008年3月27日和2009年11月16日發生船舶撞橋事故，造成人員失蹤、船舶下沉和橋墩損壞。由此看來，橋梁防撞對于保障水路運輸發展有著重要意義。

1 船舶碰撞力的計算

船舶碰撞力的計算有許多種方法，包括經驗公式計算法、動力數值模擬法、有限元瞬間動力分析法等。[6-7] 上述三種方法都有實際應用。包括我國的公路、鐵路規范在內，世界上不同組織已提出數十種船舶撞擊橋墩的碰撞力計算公式。經驗公式計算法快捷簡便，適合在無詳細的船舶撞擊力資料時使用，但不同的經驗公式計算結果可能相差較大。

船舶碰撞動力數值模擬法通過研究船舶碰撞的內部機理和外部機理，建立船舶碰撞的動力學模型，模擬船舶撞擊橋墩的動力學過程，獲得撞擊力、能量轉化、船舶破損長度等結果，并可模擬分析船舶消能設施的實際消能過程。動力數值模擬法考慮實際船舶撞擊區域的結構特性、船舶周圍水動力作用、橋墩剛度和形狀，結果更符合實際情況。

有限元瞬間動力分析法通過建立撞擊船舶、橋墩有限元模型，利用非線性有限元瞬間動力方法計算船舶碰撞過程中結構的變形、失穩、破損，考慮材料動力屈服應變力敏感性。該方法建模工作量大，計算費時，在世界范圍內（包括我國）較少使用。

在本研究中采用經驗公式法進行計算。美國國家高速公路和交通運輸協會（AASHTO）指導性規范提供的公式為

Ps=1.2 €？105 v（1）

式中：Ps為船舶碰撞力，N；v為撞擊速度，kn；GDWT為撞擊船舶載重噸位，t。

假設代表船型為3 000 t，其航速為6 kn，按照上式計算出的撞擊力為3.29 €？107 N。由此看來，即使船舶低速航行時的撞橋沖擊力也是較大的，因此有必要做好防范措施。

2 橋梁防撞方案

2.1 浮式消能防撞和人工島防撞

浮式消能防撞方案，即在橋墩周圍安裝浮式消能防撞設施。浮式消能防撞設施主要由鋼結構主體、消能箱和橡膠件組成，主體內部結構包括甲板、平臺、底板和縱橫隔板，含防腐措施。浮式消能防撞設施本身有一定的強度，對于小型船舶的碰撞只有局部損傷，消能箱破損消能。對于大型船舶的高能碰撞，浮式消能設施通過消能箱及橡膠件的破損來消能，減小船舶的撞擊力，確保橋墩、承臺不受損。防撞設施在碰撞后可進行修復，繼續使用。不同類型橡膠件的性能見表1和表2。浮式消能防撞方案的主要優點：防撞設施制造成本適中；防撞功能可靠，防腐壽命15～20年；占用航道寬度相對較小，易符合航道凈寬要求。浮式消能防撞方案的主要缺點是低水位時設施與承臺接觸面積偏小。

人工島防撞方案，即在橋墩周圍構筑由沙、石塊組成的人工島。在船舶與人工島發生碰撞時，人工島變形損傷，同時使碰撞船舶擱淺。人工島防撞方案的主要優點是壽命長，無需保養。人工島防撞方案的主要缺點：建造工程量大，初始投資成本高，會影響航道寬度。

2.2 防撞方案對比

將以上兩種防撞方案進行對比，則可以發現：雖然人工島方案具有壽命長、無需保養的優點，但建造工程量大、初始投資成本高，更為不利的是采用這種方案會影響橋梁主通航孔的通航凈寬；而浮式消能防撞設施的防撞功能可靠，防腐壽命有15～20年，同時占用航道寬度相對較小。因此，如果從降低投資成本的角度考慮，或在水域比較受限的橋區，建議采用浮式消能防撞設施；如果通航水域寬闊，資金較充裕，則建議在橋區修建人工島。

3 橋梁防撞安全管理建議

根據上述研究結果，結合國際上橋梁建筑的風險準則，綜合分析擬建大橋橋區影響船舶通航安全的因素和橋梁抗撞力，提出以下預防或減小船舶撞擊風險的措施及加強安全管理的建議，以確保通航船舶和大橋的安全。

（1）大橋建成后，大橋管理部門必須全天候監控橋區船舶動態，維護過往船舶的通航秩序；海事管理部門應制定嚴格的橋區通航安全管理規定，提出合理的航行方法，完善橋區水域導航和助航設施。

（2）為有效防止橋區失控船舶碰撞橋墩，建議在橋區建立以海事管理部門為指揮中心的“橋區失控船舶應急響應系統”，配備拖船等救助設施和通信設施，確保船舶一旦在橋區失控能得到及時有效的救助，保障大橋安全。

（3）大橋管理單位應加強橋墩周圍防撞消能設施的管理，在防撞設施周圍設置警示浮標，避免船首碰觸大橋塔柱和橋墩基礎造成局部破損，尤其要始終確保主墩的消能設施能承受設計最大代表船舶失控的撞擊。

（4）船舶駕駛人員在橋區應謹慎駕駛，及時通知船長上駕駛臺，派專人到船頭瞭望，同時注意備車備錨。當風流較大或通航密度較大時，應在過橋前拋錨，等待最佳時機通過橋區。在橋區通航時應減速慢行，必要時可用維持舵效的安全航速通過。

4 結 論

橋梁能有效促進經濟的發展，但是如果對橋區的防護措施不當或駕駛人員操縱船舶不當，容易導致船舶撞橋事故的發生，造成重大經濟損失。橋梁防撞在硬件和軟件上都要采取有效的預防措施：在硬件上，可在橋墩周圍設置浮式消能防撞設施或建人工島防撞設施；在軟件上，各相關單位應對船舶過橋加強監管，做到防患于未然。

參考文獻：

[1] 王多銀，陳明棟.長江上跨江建筑物的布設原則探討[J].水運工程，2001（4）：4-6.

[2] 戴彤宇，聶武，劉偉力.長江干線船撞橋事故分析[J].中國航海，2002（4）：46-47.

[3] 戴彤宇，劉偉力，聶武.船撞橋概率分析與預報[J].哈爾濱工程大學學報，2003（1）：23-24.

[4] 劉明俊，劉先棟.船舶（隊）通過黃石大橋引航方法探討[J].武漢交通科技大學學報，1996（4）：372-376.

[5] 張晨曦，鄒早建，王化明.駛經橋墩船體非定常水動力相互作用數值預報[J].水動力學研究與進展（A輯），2012（3）：359-364.

[6] AI W Z.Research on round-pier turbulent scope in straight channel[J].Information Technology Journal，2013（15）：3476-3479.

[7] 羅偉林，甘浪雄，鄒早建.橋墩附近流場分布及對通航船舶的影響[J].中國航海，2014（1）：66-70.