杭紹臺鐵路椒江特大橋防撞系統(tǒng)設計

張志國

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 515561）

1 研究背景

杭紹臺鐵路椒江特大橋非常具有代表性，一方面，由于其位于臺州市椒江大橋水域，橋位周邊航道情況復雜，過往船舶具有較大不確定性，另一方面，大橋涉水橋墩眾多，主通航孔及引橋橋墩達10 座，具有較大的船撞風險。

2 工程概況與設計條件

2.1 工程概況

杭州至紹興至臺州鐵路（以下簡稱“杭紹臺鐵路”）位于浙江省中東部，北起杭州樞紐杭州東站，經(jīng)紹興市越城、上虞、嵊州、新昌和臺州市天臺、臨海、椒江、路橋、溫嶺等縣市區(qū)，通過臨海站聯(lián)通既有甬臺溫鐵路，并于溫嶺站預留向南至溫州方向延伸條件。

椒江特大橋于浙江臺州市跨越椒江，橋梁軸線的法線方向與水流流向的夾角為10°。大橋按照雙向四車道設計，由左岸引橋、主橋及右岸引橋三部分組成。主橋采用（72.8+4×124+72.8）m 連續(xù)剛構(gòu)+84+156+480+156+84）m 連續(xù)鋼桁斜 拉橋。橋梁采用單孔雙向通航方案，主通航孔跨徑為480m。

2.2 設計條件

2.2.1 技術標準

鐵路等級：客運專線；

正線數(shù)目：四線；

設計行車速度：350km/h；

由表6可以看出，在其它變量不變的情況下，解釋變量國內(nèi)生產(chǎn)總值、年末人口數(shù)量和居民人均教育消費支出對被解釋變量國家財政教育支出的影響顯著．解釋變量居民教育消費價格指數(shù)和財政教育支出占總支出的比例對被解釋變量國家財政教育支出的影響都不顯著，從回歸模型中剔除，得到新的回歸模型為

設計活載：ZK 活載；

最小曲線半徑：一般7000m，困難5500m；

最大坡度：20‰；

設計洪水頻率標準：1/300；

地震烈度：工程區(qū)地震動參數(shù)峰值加速度為〈0.05區(qū)。

2.2.2 設防代表船型

本工程橋梁位于椒江航道四號碼頭～紅光碼頭航段，根據(jù)《臺州港總體規(guī)劃》，該航段現(xiàn)狀等級為Ⅳ級，規(guī)劃為Ⅳ級航道，3000 噸級海輪可乘潮通航。結(jié)合《臺州市航道及錨地規(guī)劃（2006年-2020年）》規(guī)劃船型，《通航海輪橋梁通航標準》（JTJ311-97）及椒江航道未來通航船舶的發(fā)展情況，分析確定設計代表船型如下表所示：

2.3 通航水位

本工程所在河段為受潮汐影響明顯河段，海門站位于工程附近，可采用海門站設計潮位作為模型潮位邊界依據(jù)，推算橋位處潮位，本工程設計最高通航水位采用橋址處年最高潮位頻率分析5%的水位，即4.97m，設計最低通航水位取低潮累積頻率為90%的潮位，為-2.22m。

3 船舶撞擊風險分析

3.1 橋梁船撞概率模型

美國AASHTO 規(guī)范根據(jù)船舶相撞以及船舶擱淺事故的觀測與分析，提出了碰撞概率的基本方法和理論。可對涉水通航橋墩的碰撞概率進行評估，從而確定設防等級及必要性。大橋各橋墩年撞損頻率按以下公式計算：

AF ＝NPAPGPC

其中：N--為可能撞損橋墩的分類船舶年通航量；PA--船舶偏航概率；PG--船舶與橋墩撞擊的幾何概率；PC--橋墩倒塌概率。

參照美國指導規(guī)范，船舶偏航概率 PA 按以下公式取值：

PA＝(BR)RBRCRXCRD

3.2 涉水橋墩船舶碰撞概率

據(jù)調(diào)查，椒江航道船舶通航密度較高，周邊碼頭眾多，船舶流量平均每天80 艘次，計算得到橋墩年碰撞概率如表1 所示。計算結(jié)果表明，椒江特大橋涉水橋墩眾多，碰撞概率分析，主通航孔及過渡墩均碰撞概率大于1×10-4，高于大橋設防要求。

表1 橋區(qū)航道代表船型尺度表

表2 橋墩年碰撞概率

4 防船撞設施的設計

4.1 通航孔被動防撞設施

針對椒江特大橋的具體特點與要求，在48#橋墩墩身周圍設置自浮式F-400 鋼覆復合材料防撞設施，49#、50#橋墩墩身周圍設置自浮式F-450 鋼覆復合材料防撞設施。通過在橋墩周圍設置自浮式鋼覆復合材料防撞設施，部分削減船舶撞擊力，保護橋梁結(jié)構(gòu)安全，滿足大橋橋墩的防撞要求。

自浮式鋼覆復合材料防撞設施現(xiàn)場采用M30 螺栓把各防撞節(jié)段在橋墩周側(cè)連接成防撞圈，防撞設施不與橋墩直接連接，減少了作業(yè)施工成本。由于使用了螺栓連接，當防撞設施需要更換時，只需擰開螺栓進行更換即可。在船撞橋發(fā)生時，防撞設施可通過緩沖削減撞擊力，卸載撞擊能量。鋼覆復合材料防撞設施屬于柔性防撞設施，能夠最大限度地保障橋梁、船舶與船員的安全。

4.2 非通航孔被動攔截設施

考慮到大橋非通航孔橋墩眾多，一旦船舶偏航撞擊非通航孔橋墩會造成結(jié)構(gòu)較大損傷，在椒江特大橋42#至48#墩西側(cè)、非通航孔上游，距橋梁200m 處自北向南一次布置13 根直徑為1.2m 鋼管樁（1#～13#），鋼管樁之間采用錨鏈連接，并在每兩根鋼管樁之間布置1 座浮筒。橋梁攔阻系統(tǒng)將船舶與橋梁非通航區(qū)域隔離開來，對來往船舶起到警示作用，防止偏航船舶駛?cè)霕蛄悍峭ê娇祝A防船撞橋事故的發(fā)生。

4.3 主動預警系統(tǒng)

主動防撞監(jiān)測系統(tǒng)24h 全天候監(jiān)測橋區(qū)航道內(nèi)的過往船只，及時預警和發(fā)現(xiàn)違規(guī)船只，可最大限度地預防撞橋事故的發(fā)生。在49#墩順橋向兩側(cè)設置雷達探測器，雷達監(jiān)控范圍3 公里，在49#和50#墩順橋向兩側(cè)設置高速智能球機，視頻監(jiān)控范圍1 公里。同時，在橋墩防撞設施上安裝振動傳感器，感知碰撞事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

本文以杭紹臺鐵路椒江特大橋為研究對象，針對大橋橋墩數(shù)量眾多，航道情況復雜等特點，采用現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合概率模型分析的手段，確定了大橋防撞設施的設計方案。

（1）通過碰撞概率模型分析表明，大橋的非通航橋墩數(shù)量眾多，存在較高船舶碰撞概率，需要考慮整體設防。

（2）根據(jù)通航孔橋墩、輔助通航孔橋墩和非通航孔橋墩的各自特點，綜合采用了自浮式鋼覆復合材料防撞設施、被動攔截系統(tǒng)及主動預警系統(tǒng)，形成主被動相結(jié)合的立體保護，有效解決大橋船撞問題。