跨航道橋梁防船撞設(shè)施設(shè)計思路探討

高龍剛

摘 要：跨越航道橋梁水中設(shè)置墩柱的情況比較普遍，特別是大型的入海航道橋梁，水域?qū)掗煟ê酱皣嵨惠^大，船撞橋的風(fēng)險較高，橋梁防船撞設(shè)施的設(shè)置就非常重要。本文以某跨越入海航道橋梁為例，對通航大型船舶的入海航道橋梁防船撞設(shè)施的設(shè)計思路，進行了梳理和探討。

關(guān)鍵詞：跨航道橋梁;防船撞設(shè)施;設(shè)計思路;入海航道

中圖分類號：U612? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0091-03

在現(xiàn)有跨航道橋梁中，水中設(shè)置墩柱的情況比較普遍，特別是在水域?qū)掗煹奶烊缓降郎希y以一孔跨越通航水域，水中墩柱可能受到船舶撞擊。橋梁的重要性不言而喻，特別是高速公路橋梁，若發(fā)生船撞橋事故，不僅會對橋梁本身產(chǎn)生很大安全隱患，還會對地方經(jīng)濟造成重大影響。因此，設(shè)置防船撞設(shè)施就顯得格外重要和必要。而防船撞設(shè)施的設(shè)計工作，是設(shè)置的靈魂，是防護的基礎(chǔ)，只有設(shè)計思路正確，才能使得工程措施起到有效的保護作用。本文以某跨越通航2萬噸船舶航道的橋梁防撞工程設(shè)計方案為例，探討跨航道橋梁防船撞設(shè)施設(shè)計思路。

1了解工程概況

1.1 航道情況

橋梁所跨越航道為出海口的通海航道，正進行升級改造，航道等級提升后，設(shè)計船型從5000DWT船舶提高到20000DWT船舶，因此現(xiàn)大橋橋墩的防撞等級已經(jīng)不能滿足航道等級提升以后的防撞要求，需要對大橋橋墩防撞能力進行同步升級，確保安全。

1.2 橋梁現(xiàn)狀

橋梁采用墩、塔、梁固結(jié)，雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主跨跨徑組合為50m+115m+338m+115m+50m，全長668m。共兩座主墩，東側(cè)墩為12#墩，西側(cè)墩為13#墩。主墩現(xiàn)有防撞措施為鋼質(zhì)防撞套箱，防撞套箱設(shè)計防撞為5000噸級船舶。

2 收集基礎(chǔ)資料

基礎(chǔ)資料是進行防撞設(shè)計的依據(jù)，主要考慮的因素和收集的基礎(chǔ)資料有潮流波浪、地質(zhì)條件、河床演變、通航環(huán)境、橋梁凈空尺度、通航船型、通航船舶密度等方面。

項目所在水道位于口門內(nèi)，掩護條件好，基本不受外海風(fēng)浪影響;地質(zhì)為巖基;工程所在水道為順直微彎型河道，河段深泓位置總體穩(wěn)定。橋梁通航凈空尺度為300×48（通航凈寬×通航凈高，m），滿足5萬噸級船舶通航需求。橋梁上下游附近無跨河建筑物，但存在多處碼頭和1個渡口。

通航代表船型根據(jù)航道升級設(shè)計方案，確定為20000噸級雜貨船、散貨船和集裝箱船。

3 橋墩船撞風(fēng)險分析

3.1 船舶可達性分析

根據(jù)橋區(qū)水下地形等高線和橋區(qū)河道水位變化及設(shè)計代表船舶確定船舶可達區(qū)域。船舶可達水域應(yīng)根據(jù)河道水深和船舶吃水計算確定。

本項目主墩水深良好，滿足2000噸級船舶滿載吃水要求，船舶可達。

3.2 風(fēng)險分析采用的船舶流量

3.2.1船舶流量

根據(jù)工可報告預(yù)計2030年橋區(qū)船舶流量及構(gòu)成為：

3.2.2 橋梁船舶撞擊風(fēng)險分析

依據(jù)通航船舶流量預(yù)測結(jié)果，將通航船舶按照噸位等級，選取具有代表性的船舶代表此噸位范圍的船舶年通航量，并計算此噸位范圍船舶撞擊橋墩的概率。同時依據(jù)橋梁、航道特征，分別采用抗撞設(shè)計規(guī)范概率模型，對本項目的橋梁的遭受船舶撞擊的概率如下表分析如下表所示：

以上數(shù)據(jù)可知不同噸級船舶撞擊主墩風(fēng)險如下圖所示：

以上數(shù)據(jù)可知：

（1）主橋（12#、13#墩）船舶撞擊風(fēng)險分別為：431.28×10-4和447.09×10-4，即遭受船舶撞擊風(fēng)險的頻率為，0.04次/年和0.04次/年;

（2）主橋（12#、13#墩）船舶撞擊風(fēng)險主要來源為5000噸級以下船舶，約占總風(fēng)險的75%，10000噸級以上船舶占總風(fēng)險的25%，其中20000噸級船舶約占總風(fēng)險的14%。

4 船舶撞擊力分析

4.1 設(shè)計撞擊速度

船舶的設(shè)計撞擊速度計算撞擊力的重要控制因素。與橋孔寬度、船舶長度及正常運行速度等都有關(guān)系，當通航水域較寬、船舶行駛距離橋墩較遠時，撞擊速度就越小，反之亦然。

美國《公路橋梁船舶撞擊設(shè)計指導(dǎo)規(guī)范和評述》建議的確定船舶設(shè)計撞擊速度的方法為：在航道范圍內(nèi)，船舶以正常速度行駛;在航道中心線至三倍船長以外處，船舶以水流速度漂流，水流速度可按航道所在處的多年平均流速確定;此兩者之間的區(qū)域，設(shè)計船速按直線內(nèi)插確定。

由調(diào)研得出，橋位處航段20000t級船舶航行速度為4m/s。

4.2 撞擊力計算

（1）規(guī)范計算船舶撞擊力數(shù)值。《美國公路橋梁船舶撞擊設(shè)計規(guī)范（AASHTO 2010）》得出2萬噸船舶撞擊力為74.36MN;《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》得出撞擊力為80MN;《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》得出撞擊力為72.09MN。

（2）有限元分析計算。利用Patran建立船橋碰撞有限元模型，定義模型材料屬性、載荷、速度、約束等條件，利用MSC.Dytran進行計算。

（3）船撞力計算結(jié)果比較分析。由動力數(shù)值模擬、規(guī)范公式等方法計算的船舶撞擊力結(jié)果如下表所示：

5 方案設(shè)計階段

通過以上內(nèi)容，確定地質(zhì)條件、水流速度、防撞水位、設(shè)計防撞船型后，提出設(shè)計目標和設(shè)計原則，從而進行防撞方案的設(shè)計。

（1）設(shè)計目標。本項目設(shè)計目標為正常抵抗1萬噸級船舶撞擊能量，2萬噸級海船失控時可保障橋梁自身結(jié)構(gòu)安全。

（2）設(shè)計原則。設(shè)計原則為避免現(xiàn)有橋梁產(chǎn)生影響，做好失控船舶的保護，保障方案良好的可行性、經(jīng)濟性、耐久性、可維護性。

（3）設(shè)計方案。本項目根據(jù)現(xiàn)狀情況，提出了加強橋墩基礎(chǔ)+組合式防撞附體方案、獨立墩+復(fù)合材料護舷+消能桁架、優(yōu)化獨立墩+固定式鋼覆材料等三個方案。

（4）防撞方案設(shè)防性能研究。通過有限元建模，在控制工況下，對設(shè)計船型正撞、斜撞、滿載、特定航速等情況下的撞擊能量消減進行分析，核算防撞方案合理性。

（5）推薦方案合理性分析。通過樁基承載力分析、樁基承抗撞能力分析、橋墩靜距離分析、設(shè)防后船撞風(fēng)險水平分析等方面分別研究設(shè)計方案，最終推薦優(yōu)化獨立墩+固定式鋼覆材料方案。

6 結(jié)語

本文通過對某跨越入海航道橋梁的防船撞設(shè)施方案設(shè)計項目的分析，梳理了設(shè)計過程，在設(shè)計思路方面進行了一定的分析和探討。在設(shè)計中，應(yīng)把工程概況、項目背景等進行說明，收集完善的基礎(chǔ)資料，并對橋梁涉水橋墩防撞風(fēng)險進行分析，研究船舶撞擊力，在此基礎(chǔ)上進行方案設(shè)計，通過方案比較選擇最優(yōu)設(shè)計方案，為橋梁的通航安全保駕護航。

參考文獻：

[1]公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范.中華人民共和國交通運輸部.JTG/T3360-02-2020.2020.

[2]岳磊.船舶撞擊力計算方法[J].中國水運（下半月）， 2009（3）：2.2009（3）.

[3]郭健，何威超.跨海橋梁船撞風(fēng)險綜合評估[J].海洋工程，2020（05）.

[4]朱俊羽，祝露，韓娟，方海，劉偉慶.某航道橋下部結(jié)構(gòu)受船舶撞擊后安全性能評估及修復(fù)[J].世界橋梁，2020（01）

[5]李軍，王君杰，歐碧峰.船橋碰撞數(shù)值模擬方法研究[J].公路，2010（10）.

[6]陳國虞，橋梁防撞理論和防撞裝置設(shè)計[M].人民交通出版社，2013.