廣州市南沙自貿試驗區紅蓮特大橋防撞系統設計

聶利芳，沈 燕

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.江蘇宏遠科技工程有限公司，江蘇 常州 212013）

1 研究背景

近年來，廣東省內河航運發展迅猛，但隨之而來的是船－橋矛盾日益嚴峻，惡性船撞事故屢見不鮮。2017年4 月1 日，位于廣東珠海市斗門區的蓮溪大橋被一艘裝有約一千噸貨物的貨船撞擊，移位1.6 米，造成交通中斷長達數月之久。2021 年7 月13 日，一艘船號為“新谷333”的中型集裝箱貨輪在途經廣州北斗大橋南引橋過渡墩時，碰撞到南引橋過渡墩，造成橋墩剪切破壞。

紅蓮特大橋位于廣州市南沙自貿區，主線橋全長約 1.772 千米，其中主橋長912 米，雙向六車道，設計速度 60km/h，采用雙塔雙索面混合梁斜拉橋型，同時搭載多回路高壓電纜、燃氣、通信和輸水等過江市政管道，主橋鋼箱梁跨度580 米，跨度居我國同類型多功能斜拉橋之最。

同時，紅蓮特大橋位于廣東南沙龍穴南水道，橋位周邊航道情況復雜，過往船舶具有較大不確定性。同時大橋涉水橋墩眾多，主通航孔及引橋橋墩較多，具有較大的船撞風險。本文通過對紅蓮特大橋橋墩碰撞概率，設防船撞力、橋梁抗撞性能研究，對大橋涉水橋墩開展撞損概率評估，提出設防橋墩范圍，并進行了防撞系統設計。

2 工程概況與設計條件

2.1 工程概況

紅蓮大橋位于廣州市南沙區自貿試驗區萬頃沙保稅港加工制造業區塊綜合開發項目位于南沙萬頃沙鎮與珠江街范圍內。大橋采用直線跨過龍穴南水道，橋軸線方向與水流流向基本正交。橋梁通航孔設置單孔雙向通航，主橋跨徑組合為（104+580+104）m，通航孔承臺間的有效凈距為554m，滿足通航凈高為24m，有效通航凈寬為450m。大橋通航孔布置在航道深槽中，通航孔涵蓋了航槽線，通航孔左橋墩距上行船舶航跡線邊線約150m，通航孔右橋墩距下行船舶航跡線邊線約 220m。

圖1 紅蓮特大橋布置圖

2.2 設計條件

2.2.1 技術標準

道路等級：城市主干道

紅線寬度：60m(紅蓮路標準段)，主線雙向六車道

設計速度：主線60km/h，匝道40km/h 或50km/h橋梁設計基準期：100 年設計安全等級：一級

橋梁設計荷載：汽車荷載為城-A 級

抗震要求：抗震設防烈度為7 度，地震動峰值加速度為0.10g

設計洪水頻率：特大橋1/300

通航標準：I 級航道，通航3000t 海輪

設計基本風速：百年一遇V10=38.4m/s

2.2.2 設防代表船型

根據廣東省發展和改革委員會、廣東省交通廳《廣東省內河航運發展規劃（2010～2020 年）》，龍穴南水道規劃為內河I 級航道，通航3000 噸級海輪。

表1 代表船型尺寸表

考慮航運發展及設防安全，大橋按照按3000 噸級海輪設防，按5000 噸級海輪校核。

2.2.3 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。根據《內河通航標準》，感潮明顯河段應取年最高潮位頻率分析5%的水位，并采用耿貝爾I 型極值分布率方法計算所得的水位作為設計最高通航水位。大橋位于南沙站下游約 5.5km，南沙站的設計最高通航水位取為3.19m，設計最低通航水位為-0.75m（85 高程）。

表2 設計通航水位表

3 船舶撞擊風險分析

船撞橋事故的原因經分析可歸結為三大類：第一類是人員失誤，如疏忽、操縱失誤、生病等；第二類是惡劣的自然環境，如惡劣天氣、洪水等；第三類是機械故障，如主機滅火、舵機失靈、船隊斷纜等。人員失誤是最主要的事故原因，其次是惡劣的自然環境，再次是機械故障，有資料表明：三種原因之比大約為25：4：1。

3.1 橋梁船撞概率模型

美國AASHTO 規范根據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：

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。

參照美國指導規范，船舶偏航概率 PA 按以下公式取值：

3.2 涉水橋墩船舶碰撞概率

據調查，南沙龍穴南水道船舶通航密度較高，周邊碼頭眾多，船舶流量平均每天200 艘次，計算得到橋墩年碰撞概率如表3 所示。計算結果表明，紅蓮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，遠高于大橋設防要求。

表3 橋墩年碰撞概率

表4 碰撞數值仿真計算工況

4 設防船撞擊的計算

本文通過現場調研結合航道、水文特點，合理確定大橋設防標準，采用瞬態動力學仿真分析，確定大橋設防船撞力及防撞標準

4.1 仿真計算條件

船撞橋過程復雜，涉及橋墩、船舶等多種材料的復雜動力學問題，本文采用LS-DYNA 軟件進行模擬仿真計算。

4.2 計算工況

根據現場調研情況，分別選取3000t 級、5000t 級海船作為船模，計算最高通航水位下，代表船型撞擊主通航孔橋墩（25#、26#）和輔助墩（24#、27#和28#）船舶撞擊情況的船撞力、船舶變形情況和墩身損傷情況。

4.3 計算結果

（1）主墩（3000DWT 船型）。計算結果如圖2 所示，滿載高水位正撞時，船艏首先與橋墩發生碰撞，在船舶的劇烈撞擊下，球鼻艏部位的外殼及內部的肋板、撐桿等構件發生屈曲失穩，船舶撞擊力迅速達到峰值，最大撞擊力達16.5MN，撞擊時長2s。船艏局部發生損壞嚴重。

圖2 主墩正撞

圖3 船艏損傷情況

（2）主墩（5000DWT 船型）。計算結果如圖4 所示，5000DWT 海輪撞擊力大，最大撞擊力達27.2MN，較3000DWT 海輪顯著提升。同時，橋墩表面最大應力達到58MPa，墩身表面會出現明顯損壞。船艏局部發生大面積損壞，存在進水沉沒的風險，如圖5 所示。

圖4 主墩正撞

圖5 船艏損傷情況

（3）輔助墩（3000DWT船型）。計算結果如圖6所示，考慮船舶失控撞擊輔助墩情況下航速不高，因此計算航速取2.49m/s。計算表明，3000DWT 船舶低速撞擊輔助墩情況下，最大撞擊力達11.8MN，墩身表現出較大變形，同時船舶存在較大的損壞（如圖7 所示）。

圖6 輔助墩高水位正撞

圖7 船艏損傷情況

5 防船撞設施的設計

5.1 設計原則

為保證紅蓮特大橋在使用階段不被船舶撞損，需要對可能被撞的橋墩進行防撞設施設計，設計內容及步驟如下：

（1）由于大跨度橋梁對結構安全性的要求，防撞設施設計必須針對水域內的所有涉水橋墩；

（2）應根據主墩、輔助墩橋墩各自特點、抗撞能力、被撞概率，綜合施策，制定相應的防撞方案；

（3）橋墩防撞系統的設計、施工、投入使用應該與全橋施工同時進行；

（4）防撞系統的設計應考慮施工便捷、管養方便、造價經濟等要求

5.2 設計方案

針對紅蓮特大橋的具體特點與要求，在主墩25#、26#墩身周圍設置自浮式F-400 鋼覆復合材料防撞設施，輔助墩24#、27#、28#墩身周圍設置自浮式F-250 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，保護橋梁結構安全，滿足大橋橋墩的防撞要求。

防撞設施采用多級消能結構，由內阻尼元件、鋼結構、外阻尼元件/彈性體/護舷等組成。阻尼元件采用橡膠護舷，與橋墩接觸部分設置摩擦板；鋼結構由多個箱型板梁結構的密封箱室、非密封箱室、桁架支承結構組成，外部采用復合材料防護，內部填充耗能芯材。彈性體/復合材料護舷設置在鋼結構外側，提升設施耗能能力。復合材料采用纖維增強材料和基體樹脂組成，摩擦板采用聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯或改性超高分子量聚乙烯材料，耗能芯材采用高分子緩沖吸能材料。

6 結論

本文以廣東南沙自貿試驗區紅蓮特大橋為研究對象，針對大橋橋墩數量眾多，航道情況復雜等特點，采用現場調研結合概率模型分析的手段，對大橋涉水橋墩碰撞概率進行了分析，并通過對船撞力標準的研究，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量眾多，存在較高船舶碰撞概率，需要考慮整體設防。

（2）根據通航孔橋墩、輔助通航孔橋墩的各自特點，根據被撞概率和設防要求的差異，采用了不同類型的自浮式鋼覆復合材料防撞設施，有效解決大橋船撞問題。