跨新孟河橋梁及防船撞設(shè)施設(shè)計(jì)

何 琴，顧 昊，張紅艷

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022）

1 概 況

新孟河延伸拓浚工程因平地開河或河道拓浚破壞原有道路交通，故新建、拆建橋梁恢復(fù)交通。其中新孟河工程運(yùn)河以北段一般跨河橋梁19 座。橋梁方案除受水利、航道等行業(yè)要求外，還與現(xiàn)狀道路規(guī)模、周邊構(gòu)筑物的情況密切相關(guān)。如何合理確定跨河橋的總體方案，對恢復(fù)改善既有交通、順利推進(jìn)主體工程建設(shè)、減少周邊環(huán)境影響和降低工程造價(jià)等都有著非常重要的作用。通過對工程實(shí)施過程中考慮到的各種因素進(jìn)行梳理、分析和總結(jié)，指導(dǎo)后續(xù)工程運(yùn)營管理，為類似工程提供參考。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-I 級、城A 級。

（2）橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率及對應(yīng)水位：1/100（6.44 m）。

（3）抗震烈度：地震基本烈度7 度，地震動加速度峰值為0.10g。

（4）航道要求：VI 級航道，最高通航水位5.63 m，最低通航水位2.75 m。

3 橋梁方案設(shè)計(jì)

橋梁方案的確定與需河道拓浚后的河道設(shè)計(jì)成果、航道要求、周邊場地情況密切相關(guān)。

在現(xiàn)有跨河橋梁中，水中設(shè)置墩柱的情況比較普遍，特別是在水域?qū)掗煹奶烊缓拥郎蟍1]。新孟河為VI 級航道，其橋跨布置需結(jié)合航道要求，同時(shí)考慮水中墩柱防撞設(shè)計(jì)，確保橋梁、船舶安全。

3.1 河道橫斷面

本工程河道底寬80 m，口寬根據(jù)河道所在段用地、周邊構(gòu)筑物情況采用116～126.4 m。設(shè)計(jì)河道典型斷面之一如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)河道典型斷面之一

結(jié)合河道設(shè)計(jì)口寬及橋軸線與河道中心交角，周邊地形條件，新建的銀山橋、三茅殿大橋橋位處地形標(biāo)高較低，橋梁總長385 m，小河橋143.16 m，東風(fēng)橋180 m，其余橋梁總長140 m。跨徑具體布置需結(jié)合航道要求等進(jìn)一步選定。

3.2 通航凈空

通航影響評價(jià)報(bào)告根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014）的相關(guān)規(guī)定，跨河橋梁最小通航凈空綜合考慮航道、現(xiàn)狀、規(guī)劃、功能定位，貨運(yùn)量預(yù)測、項(xiàng)目功能等情況，結(jié)合航道水流條件、設(shè)計(jì)船型及周邊臨、跨河建筑物情況[2]，沿線橋梁多采用雙孔單向通航，每孔凈空尺度不小于25×4.5 m，橋軸線法線與設(shè)計(jì)航道中心線交角較大的東風(fēng)橋、三茅殿橋、銀山橋凈寬不小于30 m。單孔雙向通航的小河橋與下游江宜高速公路橋?qū)撞贾茫ê匠叨葹?0 m×4.5 m。

根據(jù)航道要求及橋軸線法線與設(shè)計(jì)航道中心線交角情況，各橋梁通航孔跨徑見表1。

表1 橋梁通航孔跨徑選擇

非通航孔跨徑結(jié)合橋梁總長進(jìn)行配跨。

3.3 橋型方案

小河橋考慮橋墩及防船撞設(shè)施尺寸，按通航凈空尺度要求，主跨不小于82 m。適合82 m 本跨徑的常用橋型有變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、下承式鋼管混凝土拱橋、鋼桁架梁橋等。

結(jié)合橋頭西側(cè)現(xiàn)狀道路、東側(cè)現(xiàn)狀政泰路標(biāo)高和沿線構(gòu)筑物分布，本工程需考慮建筑高度較低的橋型，變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)高度在可供選擇的橋型中最高，難以采用；根據(jù)以往類似工程鋼桁架梁橋造價(jià)高，故基于減少橋梁工程規(guī)模和總投資，本工程推薦采用下承式鋼管混凝土拱橋。

（1）拱肋橫向布置方案

小河橋所在道路橫斷面布置為3（人行道）+24（車行道）+3（人行道）=30 m，如考慮直接在機(jī)動車外側(cè)設(shè)置兩片拱肋，橫梁高度大，增加了既有橫向道路改造范圍及橋頭現(xiàn)有建筑物的拆遷，設(shè)計(jì)對拱肋橫向布置進(jìn)行比選，見表2。

表2 拱肋布置方案比選

綜上，綜合拆建、對周邊居民出行影響、經(jīng)濟(jì)性，采用三片拱肋布置。

（2）拱肋截面形狀的比選

荷載在邊拱和中間拱的分配比例不同，考慮結(jié)構(gòu)受力不同和三片拱變形協(xié)調(diào)需要，邊拱肋和中拱肋截面應(yīng)該不同。目前對三片拱的截面主要采用啞鈴型或矩形,其特點(diǎn)見表3。

表3 拱肋截面形式的比選

綜上，小河橋采用三片拱鋼管混凝土系桿拱橋，拱肋采用矩形截面。實(shí)施方案采用三片拱肋的鋼管混凝土下承式拱橋，如圖2 所示。

圖2 小河橋成橋圖

其他跨河橋梁跨徑介于20～45 m，結(jié)合經(jīng)濟(jì)比選、地方要求采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)方案，效果圖如圖3 所示。

4 橋梁防船撞設(shè)計(jì)

4.1 船撞標(biāo)準(zhǔn)的選定

該航段的航道規(guī)劃等級為Ⅵ級，以拖帶船隊(duì)作為設(shè)計(jì)船型[3]，參數(shù)見表4。

表4 設(shè)計(jì)船型采用表

船舶撞擊作用設(shè)計(jì)值根據(jù)航評報(bào)告建議按300 t船舶考慮；荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60－2015）[4]取用，見表5。

表5 內(nèi)河船舶撞擊作用設(shè)計(jì)值

4.2 防船撞設(shè)施選用及分析

防船撞設(shè)施一般分為主動防船撞設(shè)施和被動防船撞設(shè)施，其中結(jié)構(gòu)型防船撞設(shè)施是近年來發(fā)展較快的一種被動防船撞設(shè)施。

以往針對各座橋梁常僅設(shè)置橋涵標(biāo)、橋柱燈、橋名牌等，本工程根據(jù)航道要求沿線一并設(shè)置了側(cè)面標(biāo)、管線標(biāo)、航道信息提示牌、橋梁警告提示牌等警示標(biāo)志或安全監(jiān)控預(yù)警設(shè)施等主動防船撞設(shè)施。

復(fù)合材料防船撞設(shè)施在防船撞消能、使用壽命、施工難易、耐腐蝕性、后期養(yǎng)護(hù)、對船體影響等方面均具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，是近年來結(jié)構(gòu)性防船撞設(shè)施中使用較多的一類，本工程結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，從消能方式、能量吸收方式、優(yōu)劣等方面對橡膠護(hù)舷和復(fù)合材料防撞護(hù)舷進(jìn)行了梳理[5]，見表6。

表6 防船撞設(shè)施對比分析表

本工程復(fù)合材料防撞設(shè)施厚0.3 m，兩側(cè)共占用通航凈寬0.6 m，且實(shí)設(shè)凈寬均能滿足航評要求。防撞設(shè)施構(gòu)造及安裝后的成果如圖4 所示。

圖4 復(fù)合材料防撞護(hù)舷橋梁

4.3 防撞方案防撞能力驗(yàn)證

本工程利用Patran 軟件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，對典型橋梁在VI 級航道100 t 船舶噸級進(jìn)行有限元分析。

撞擊工況采用滿載下高水位正撞，撞擊速度為1.67 m/s，未安裝復(fù)合材料防撞設(shè)施有限元分析結(jié)果見表7。

安裝復(fù)合材料防撞設(shè)施后船舶撞擊力及設(shè)防效果見表8。

表8 復(fù)合材料防撞設(shè)施設(shè)防效果分析表

根據(jù)以上分析結(jié)果，0.3 m 厚的復(fù)合材料防撞設(shè)施能夠滿足規(guī)劃VI 級航道通行100 t 級船舶的防撞性能要求。

5 結(jié) 語

跨新孟河航道橋梁較多，橋梁方案的確定涉及交通、市政、航道等行業(yè)主管部門，以及地形、地物、用地、周邊構(gòu)筑物的影響。本工程的順利實(shí)施，其經(jīng)驗(yàn)對類似工程具有較高的參考借鑒作用。

在運(yùn)營過程中，應(yīng)加強(qiáng)對過往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實(shí)施有效監(jiān)控，確保在既定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)通行，防止船撞橋事件的發(fā)生。同時(shí)，定期對橋梁進(jìn)行巡視和維護(hù)，以增加橋梁的運(yùn)行狀況的動態(tài)了解，降低船撞事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。