沿河布設橋梁防船撞措施研究

摘要：沿通航河流建設的橋梁存在船舶撞擊風險，但由于沿河橋梁涉及墩柱數量多，防撞設施設置受行洪、景觀、造價等因素影響顯著，故其防撞設施設置不同于跨河橋梁。文章以某高速公路沿河橋梁為依托，結合有限元分析結果，提出了多種防撞措施方案，并進行了綜合比選，為類似工程橋墩防撞問題提供參考。

關鍵詞：沿河橋梁；墩柱；船撞；防撞措施

U443.26A310983

0 引言

近年來，由于船舶撞擊橋梁事故的發生率逐年增加，橋梁防撞問題日益受到工程界的廣泛關注。船撞橋事故發生后不僅經濟損失巨大，同時會造成惡劣的社會影響，因此在設計階段充分考慮橋墩的防撞問題就顯得尤為必要［1-4］。

對于跨河橋梁，船舶撞擊橋墩角度和速度明確，且一般只需考慮通航孔橋墩防撞，涉及墩柱數量少，防撞措施設置相對簡單。而對于沿河布設橋梁，由于涉及路線范圍長、墩柱數量多、船舶失控撞擊角度影響因素多等原因，船撞風險分析變得更為復雜，同時也要考慮防撞設施對河道行洪的影響、沿河景觀要求、造價等因素，沿河橋梁橋墩防撞措施設置難度較大。

本文以某高速公路沿河布設橋梁工程為依托，在對船撞橋概率風險進行分析的基礎上，提出了多種橋墩防撞措施，運用有限元方法分析了各種防撞措施的抗船撞能力，對比了各種防撞措施的優缺點，提出了推薦方案。本文的研究成果可為類似工程的橋梁防撞措施設置提供參考。

1 項目概況

某高速公路橋梁沿河布設，通航河流規劃航道等級為Ⅲ級，代表船型為1 000噸級船舶，代表船型尺度為68.0 m（總長）×11.0 m（型寬）×2.4 m（吃水）。最高通航水位為10年一遇，在最高通航水位下，部分橋墩被水淹沒，存在船撞風險。橋位平面布置如圖1所示，其中深色橋墩為防撞風險研究橋墩。

橋梁上構采用40 m跨徑先簡支后結構連續預應力混凝土小箱梁，半幅橋梁全寬12.75 m；下構采用樁基圓柱式橋墩，墩徑為2.2 m，樁徑為2.4 m，墩高為28 m。橋型布置如圖2所示。

2 船舶撞擊力

確定船舶撞擊力大小是研究橋梁防船撞問題的前提，船舶撞擊力與船型、水流速度、撞擊速度、撞擊角度等諸多參數相關［5］。各參數確定后采用《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02-2020）的相關公式計算船舶撞擊力［6］。船舶撞擊力計算非本文研究重點，具體計算過程不在此贅述，僅給出不同船型、不同角度、不同航速情況下，船舶撞擊力最值計算結果，如表1所示。

3 橋墩防船撞設施研究

3.1 涉水橋墩抗撞性能分析

利用MIDAS軟件建立結構有限元模型，如圖3所示。在不設置防撞設施的情況下，將橫橋向、順橋向船撞水平力施加到船舶撞擊點，計算橋墩或樁身最不利內力，并與橋墩抗力進行對比［7］。

橋墩抗力按照《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02-2020）附錄A方法進行計算。代表橋墩在典型工況下，橋墩抗力值與船舶撞擊力計算結果匯總如表2所示。

根據表2計算結果，在不設置防撞設施的情況下，橋墩在考慮船撞作用的偶然組合下，橋墩順橋向抗力明顯小于撞擊力，順橋向抗力嚴重不足，存在倒塌風險。

3.2 橋墩防撞方案

根據前文分析，涉水橋墩抗力嚴重不足，需要設置防撞設施，以滿足運營期橋梁結構安全。常見防撞設施大多僅適用于跨河橋梁防船撞，而本工程橋梁臨河而建，需要設置防撞設施的橋墩多處于岸坡、灘地，地形變化大，為此結合工程特點，提出了以下多種防撞方案進行比選［8］。

方案一：附著自浮式防撞設施方案（見圖4）

基本構成：防撞設施主要由防撞浮箱、導向裝置和支墩組成。浮箱依托橋墩用導向裝置連接，相鄰浮箱之間艏艉用錨栓連接，共同形成攔截區域。

工作原理：利用導向裝置對防撞浮箱定位，河道水位變化時浮箱帶動導向裝置沿墩柱浮動，平面位置不變，浮箱自適應水位升降。當水位下降至一定高程浮箱擱置在支墩上。浮箱和錨鏈形成防撞保護區，對可能撞擊橋墩的偏航船舶進行攔截，當船舶撞擊浮箱時，主要由浮箱承擔船舶撞擊力，通過導向裝置將船舶撞擊力傳遞至墩柱實現消能。

方案二：錨泊式自驅動升降防撞設施方案（見圖5）

基本構成：防撞設施主要包括防撞浮箱、錨泊設施（纜繩和錨樁）、自驅動與鎖定裝置三部分。在防撞浮箱內部布置自驅動與鎖定裝置，錨泊設施包括超高分子量聚乙烯纜繩和水下系泊鋼管樁兩部分。

工作原理：日常運行中，在自驅動裝置作用下，纜繩自動靈活調整長度與張力，使浮箱自適應水位升降，實現在無外接電源、無自控系統、無人為干預條件下的完全自主控制，保證防撞浮箱任意水位條件下的平面位置不變。若浮箱處于灘地，當水位下降至一定高程浮箱擱置在支墩上；若浮箱始終處于水中，則不需要支墩。當船舶偏航撞擊浮箱的瞬間，纜繩自動鎖定并隨浮箱移位伸長進一步消能。船撞作用結束后，纜繩釋放能量，浮箱回歸初始狀態。

方案三：水上定位樁自浮式防撞設施方案（見圖6）

基本構成：防撞設施主要由防撞浮箱、定位樁、錨鏈、纜繩和地牛等組成。浮箱套在定位樁上，相鄰浮箱艏艉用錨鏈連接，纜繩分別與首尾浮箱連接系于岸坡地牛，浮箱、錨鏈與纜繩一起形成攔截區域。

工作原理：利用定位墩對防撞浮箱進行平面約束定位，浮箱保持一定吃水深度，河道水位變化浮箱隨水位升降。當水位下降接近定位樁處地面高程時，浮箱擱置在定位墩的牛腿上。浮箱和纜繩形成防撞保護區，對可能撞擊橋墩的偏航船舶進行攔截，浮箱和纜繩共同承擔船舶撞擊力協同消能。

方案四：岸邊鉸接自浮式防撞設施方案（見下頁圖7）

基本構成：防撞設施主要由防撞浮箱、系留設施（撐桿、撐桿墩、纜繩、地牛）和支墩組成。浮箱與撐桿鉸接，相鄰浮箱之間艏艉用錨鏈連接，纜繩分別與首尾浮箱連接并系于岸坡地牛，浮箱與纜繩（錨鏈）共同形成攔截區域。

工作原理：利用撐桿墩對防撞浮箱定位，河道水位變化時浮箱帶動撐桿繞岸邊撐桿墩鉸接機構轉動，浮箱自適應水位升降。當水位下降至一定高程浮箱擱置在支墩上。浮箱和纜繩形成防撞保護區，對可能撞擊橋墩的偏航船舶進行攔截。當船舶撞擊浮箱時，由浮箱和撐桿共同承擔船舶撞擊力，通過撐桿將船舶撞擊力傳遞至撐桿墩實現消能。

3.3 各方案防撞設施仿真計算

針對各防撞設施方案，需進行數值仿真分析，以確定各方案的可行性。本文應用ABAQUS軟件分別進行數值模擬計算。有限元計算分析模型如圖8所示。

在考慮防撞設施的情況下，1 000噸級船舶撞擊作用下，各方案關鍵構件船撞效應計算結果匯總如表3～6所示：

表3～6的有限元計算成果表明，防撞方案一橫橋向反力及順橋向反力均小于橋墩自身抗力，滿足抗船撞要求；防撞方案二、方案三和方案四在船撞荷載作用下，各構件性能均滿足材料性能要求，即各防撞方案均滿足抗船撞要求。

3.4 方案比選

通過對防撞方案的研究和總體設計，從適用性、防護有效性、對橋梁結構影響等方面進行綜合比較，如表7所示。

通過表7對上述四種防撞方案的對比分析可知，方案一投資省，除需對防撞墩柱里面進行局部處理外，其他對比類別指標均較好；方案二投資高，方案三美觀性差，方案四適用范圍有限。綜合比較，推薦方案一作為防撞方案。

4 結語

沿河橋梁防船撞設施設置影響因素較多，本文結合工程實例，對某沿河布設橋梁防船撞問題進行了綜合分析，提出了可行的防撞措施方案。

（1）船舶撞擊力受船型、船速、水流速度、撞擊角度等因素影響，合理確定各參數取值是船舶撞擊力計算的前提。

（2）沿河布設橋梁，其順橋向抗撞能力顯著小于橫橋向，而順橋向船舶撞擊力明顯大于橫橋向。因此，沿河布設橋梁其防撞設施的設置就尤為必要。

（3）沿河橋梁防撞設施設置涉及墩柱數量多，路線范圍長，防撞設施選擇需同時考慮景觀要求、行洪影響、施工難度、造價等諸多因素，本文提出的多種方案可為類似工程提供參考。

參考文獻：

［1］戴彤宇.船撞橋及其風險分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2002.

［2］林鐵良.船舶撞擊橋梁風險評價［D］.上海：同濟大學，2006.

［3］樊 偉，劉 斌.高樁承臺橋梁駁船撞擊等效側向荷載作用模式［J］.中國公路學報，2015，29（7）：72-80.

［4］項海帆，范立礎，王君杰.船撞橋設計理論的現狀與需進一步研究的問題［J］.同濟大學學報，2002，30（4）：386-392.

［5］陳 誠.橋梁設計船舶撞擊力及損傷狀態仿真研究［D］.上海：同濟大學，2006.

［6］JTG/T 3360-02-2020，公路橋梁抗撞設計規范［S］.

［7］錢 鏵.橋梁船舶碰撞的簡化分析［D］.上海：同濟大學，2003.

［8］楊渡軍.橋梁的防撞保護系統及其設計［M］.北京：人民交通出版社，1990.