靈江特大橋防撞系統設計及研究

楊建福

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

由于跨航道橋梁的大量建設，有時候不可避免的形成水中落墩，加之船舶運輸業的發展和內河航道的改造升級，航道內可能通航較大噸位船舶，各種類型的船舶在復雜的水文和氣象條件下，發生船撞橋的風險較大。橋梁防船撞設計屬于橋梁附屬設計中的重要組成部分，需要綜合考慮橋位規劃、通航船舶、通航條件、船撞力等因素，將橋墩自身抗撞能力和防撞設施相結合，設計出經濟合理的防撞設施。

1 工程概況

靈江特大橋是頭門港鐵路支線跨越靈江IV航道的一座橋梁，位于臨海市境內椒江河口區段，跨越臺金高速匝道、靈江、省道 S327 及多條鄉村道路，與下游臺金高速公路靈江特大橋相鄰邊線距離約30 m，橋址處為沿江平原，地勢開闊。橋梁軸線與航道中心線的夾角為 82°，采用半圓柱式墩身，主橋上部結構采用(92.8+3×152+92.8)m 連續梁—拱結構，為三孔單向通航。其中，63#、64#橋墩，64#、65#橋墩及65#、66#橋墩之間的橋跨作為通航孔，與下游臺金高速公路靈江特大橋對孔布置。

2 阻尼消能防撞系統設計

2.1 防撞系統工作原理

防撞系統通過內部鋼結構和最外側防撞阻尼元件，形成一種二元的阻尼消能多艙室浮式防撞系統。當船舶撞擊接近防撞系統時，船舶首先會撞擊最外側的阻尼元件，阻尼元件通過自身的變形吸收一部分撞擊動能。接著，當船撞力超出阻尼元件承載能力，會引起內部結構發生一定變形，鋼結構撞擊變形會吸收碰撞能量，使傳遞至橋墩的撞擊力和撞擊速度降低。同時由于防撞系統結構變形和船舶與防撞系統之間的相互作用，船頭會改變撞擊方向，降低船舶與橋墩之間的能量交換[1]。因此，橋梁配加防撞設施后在保護橋梁免受損傷的同時，最大限度地降低了船舶的損傷，保護了船舶的安全[2]。

2.2 結構設計

靈江特大橋鐵路橋水中63#～66#橋墩均采用鋼質浮式橋墩防撞設施。

2.2.1 外形尺寸設計

外形尺寸設計主要考慮防撞系統的長、寬、高和厚度等參數。長度參數確定時，需要根據橋墩的外形和船舶撞擊深度來確定。靈江特大橋通航孔橋墩均為半圓柱式墩身，所以防撞體內圈和外圈采用半圓柱結構；正面考慮船舶正撞時撞擊力較大引起的撞擊深度較深，應將外圈的厚度適度增加。寬度參數確定時，需要根據橋墩的外形和船舶側面撞擊深度來確定。船舶側撞時，撞擊深度較正撞時變小，所以，一般防撞系統側面厚度較窄。高度參數確定時，主要考慮航道內代表船型的撞擊范圍，保證船舶撞擊防撞設施后其上部結構不能接觸墩身。根據航道代表船型(3 000 t級貨船)的撞擊范圍，確定防撞設施高度為3 m。防撞設施外形尺寸見圖1。

圖1 防撞設施結構(單位：mm)

2.2.2 內部板架結構設計

鋼浮體主體的結構由內、外圍壁，甲板，平臺板，底板，縱、橫艙壁等板架構件組成，每個系統主體由鋼板形成若干個水密艙室和非水密艙室，如圖1、圖2所示。為方便陸路運輸，防撞設施可分為若干個獨立的分段，分段之間采用螺栓速連接方式，降低了設施安裝難度[3]。同時，節段之間具有獨立性，船舶發生撞擊后，變形或破損節段容易維修或更換，保證防撞裝置正常使用。防撞設施外表面采用復合材料涂裝防腐，內表面采用油漆防腐，在水中長期浸泡結構不會生銹，保證使用壽命[4]。

圖2 防撞設施內部艙室 圖3 防撞設施三維效果

防撞設施和橋墩相對位置三維效果如圖3所示。防撞設施內部加入壓載水，能夠自適應通航水位的變化，保證船舶撞擊范圍在可控范圍內，不會使船舶上部結構直接撞擊橋墩。

2.3 阻尼消能防撞系統主要優點

(1)防撞系統對于小型碰撞，鋼浮體只有局部損傷，表面的橡膠護弦緩沖消能，剛性護舷破損消能。

對于大型碰撞，部分艙室破損消能，減少船舶碰撞力，確保橋墩、承臺不受損。采用模塊化設計，防撞系統在碰撞后部分破損模塊可進行更換，更換后整體可繼續使用。

(2)在各種水位條件下，對各種裝載狀態的船舶撞擊，船舶都不能直接觸及墩壁，水下的球艏不能直接撞擊承臺。

(3)防撞裝置制造成本適中，防撞功能可靠，使用壽命30 a，便于維護和修理。在使用期內，防撞系統本身有合適的強度，并能耐受潮水的長期沖擊和海水的腐蝕。

(4)合理設計緩沖消能系統，確保橋梁安全的同時，減少撞擊船舶的損傷，符合“三不壞”設計原則。

(5)本防撞裝置占用的航道寬度相對較小，符合航道凈寬的要求。

3 碰撞過程防撞設施有限元分析

目前，已經發展出多種船—橋碰撞計算方法，用于實際工程設計中測算船—橋碰撞力和能量吸收，現有的碰撞分析主要可以分為近似公式方法和非線性有限元方法[5]。完全的非線性有限元法對結構破壞分析是很有用的工具，單元大小和破裂應變的組合取的適當，可得到正確的結果。顯式非線性有限元方法側重結構細節和碰撞時間歷程的計算，因此，防撞系統計算采用顯式非線性有限元分析方法[6]。

考慮到該航道的實際情況、船舶現狀及未來發展狀況，在船撞橋撞擊力的分析中，選取靈江特大橋航道內3 000 t級的貨船為代表船型，并以正撞方式分別撞擊橋墩和防撞設施。建立代表船型的船舶、橋墩及防撞設施的碰撞精細化有限元模型(見圖4)，計算代表船型對橋墩安裝防撞設施前后的撞擊力[7]，相關計算結果見表1。

圖4 有限元模型

由表1可知，以3 000 t級貨船為代表船型，船舶直接撞擊橋墩的最大船撞力為22.1 MN；當橋墩采用阻尼消能防撞系統后，最大船撞力為16.8 MN，降低幅度24%，防撞系統能有效減小船舶的最大撞擊力。相比船舶直接撞擊橋墩，船舶撞擊防撞設施時船艏破損長度增加，導致船舶形變增加，從而實現變形吸能目的，使防撞設施達到設計防護效能。

表1 船撞橋墩、防撞設施計算結果

4 防撞設施運輸和安裝

防撞設施鋼結構主體結構尺寸為20 742 mm×12 442 mm×3 000 mm，屬于超大構件，需合理安排運輸方案，確保構件及時安全到達橋位。綜合考慮現場實際情況，防撞設施節段通過汽車運輸至橋位附近，再采用水上運輸至橋墩周圍。根據防撞設施分段情況，將防撞設施分為6個節段運輸，其中一種節段尺寸為9.045 m×4.228 m×3.0 m，另一種節段尺寸為7.678 m×4.5 m×3.0 m。現場工況如圖5、圖6所示。

圖5 防撞設施運輸至現場吊裝 圖6 設施安裝完成

防撞設施安裝時，防撞系統在使用過程中要通過壓載水保持一定的浮態。為了調整防撞系統浮態，內部預裝壓載水，整個防撞設施可隨水位變化而上下浮動。在蒸發作用下壓載水會逐漸蒸發，使得防撞系統浮態發生變化，安裝完成后運營部門需要定期檢查防撞系統浮態變化情況，及時在各艙室內補充壓載水。

5 結束語

橋梁防撞設施不僅保護了橋梁，對于降低碰撞船舶的損壞程度和減小有毒有害物質的水域污染都具有極其明顯的社會效益。阻尼消能鋼浮體防撞最大優點是結構設計科學合理，采用模塊化設計，形成一種二元防撞結構，整體防撞效果好，可有效降低傳遞至橋墩的船撞力；同時，其可對橋梁船舶形成雙向保護，且不占用太多航道空間，拆除后不遺留任何殘積物，易于制造和維護。