關于老橋防船撞的問題

摘 要：老橋坍塌，有兩個主要原因，一是洪水，二是是被船撞塌。廣東九江大橋被船撞塌，是我國被撞塌的橋梁中最大的一座，中小橋梁被撞塌的也有不少。橋梁跨過航線，就有機會被船撞，通過橋下的船越來越多、越來越大、越來越快。而建橋時采用的許多規(guī)范已經不適應現(xiàn)在的要求。因此需要進行相應的評估。按照新的通航船舶的質量（排水量等）、航速和通過量（頻率），計算出撞擊力和估算的撞擊概率，決定是拆掉重建還是增加防撞設施。防撞設施有主動的和被動的兩大類：主動的有：涂上紅白漆450斜紋，顯示通航孔、非通航孔和實時凈空；燈標、航標和其中有一個霧天黃燈；進入禁航區(qū)的警號；航行服務系統(tǒng)（包括雷達和甚高頻電話的VTS系統(tǒng)）等。被動的防撞設施亦稱結構防撞設施。分為間接式和直接式，又各有多種。其中，我國的柔性粘滯耗能防撞裝置就是一種直接式結構防撞設施，它能降低船撞力一半左右，在保護橋的同時也保護船和環(huán)境，從而有助于創(chuàng)建和諧社會。

關鍵詞：防船撞；船撞橋；船撞橋墩；撞擊；撞擊力

Anti-Collision with Ship for Old Bridges

CHEN Guoyu

( Shanghai Marine Steel Structure Research Institute. Shanghai 201204 )

Abstract: There are two main reasons for the old bridge collapse. One is flood and another is collision with ship. Nowadays ships though bridge span are increasing bigger and faster， so they would not be adapted to the active criterion. It has to be judge again. The force of ship collision and the resistance of pier are calculated according to the mass， velocity and the amount of these ships to decide the reconstruction of the bridge or the establishment of anti-collision facilities. This paper introduces the establishment of passive and active anti-collision facilities.

Key words: Anti-collision with ship; Ship-bridge collision; Collision with pier; Collision; Collision force

1 前言

地球的水域和航線是人類千萬年來，逐漸形成的，但近百年來，地球人口膨脹，工業(yè)發(fā)展，使通過原來航道上的船越來越多、越來越大、越來越快。

例如水網地區(qū)的河流，百年古橋在2003年被船撞斷塌下，見圖1。于是在航船頻繁的河段，一些橋梁就增加了防撞設施。圖2是一座大運河的500年永濟橋，位于浙江杭州北面的塘棲鎮(zhèn)，橋有5孔，其中4孔分別通行各種航船，包括300t機動駁。于1996年在通航孔兩側的橋墩前后，分別共設置8個人工島式防撞墩，由于運河的水淺，島式防撞墩對河床和航船影響都不大，這是行之有效的方法。

上海附近老橋、小橋被撞塌的，年年都有，2005-12，嘉定區(qū)一座鋼筋混凝土剛構橋被船撞塌，橋上一人落水入院治療，一年后才得到法院裁定；2007-04，川沙區(qū)被撞塌的一座鋼筋混凝土剛架橋（沒有設計任何的抵御水平力結構）將船壓斷壓沉；2007-07，被撞塌的江蘇如東縣蔡渡橋是一座雙曲拱農橋，寬3.0m，單向通行拖拉機，橋向并列兩個跨度為20m的大拱，每個大拱上有兩個拱跨1m的橫向拱；同一運河段距該橋幾千米外，還曾撞塌另一座稍大的寬4.0m的雙曲拱橋（兩橋都沒有設計任何的抵御水平力結構）。

這兩種橋被撞塌后去觀察，有一個共同點——橋的橫向不固結，不能經受任何大小的橫橋向水平推力。

將拱腳放在橋墩的光滑斜面上，如圖3 ；或將鋼筋混凝土構架放在20cm寬的光滑平面上（相當于牛腿的頂面），如圖4。一旦水平推力克服了它們的摩擦力，橋就位移，位移超過一定量值便倒塌。

應該說，有相當多的老橋對現(xiàn)在通過橋下的船已經不適應。2003年美國土木工程學會對全美30萬座橋中的8萬座認為有結構缺陷，占27%（1997年美國聯(lián)邦公路總局的估計也差不多，全美600000座橋中125000座，20.8%，具有結構缺陷）。我國長江三角洲和蘇北河網地區(qū)有上萬座雙曲拱農橋和鋼筋混凝土剛架橋，已被撞得傷裂累累（參看圖7），急需處理。

那么，有了對老橋防船撞的想法或要求后，應該做那些工作呢？首先，通過對現(xiàn)在橋下航線通航論證，求出該橋最合理的設防水平力——外載；其次，求出該橋墩目前能承受的水平力——抵抗力。對兩者進行比較分析，綜合考慮是增設防撞裝置，還是拆掉重建。

2 橋下航線通航論證

橋下通過的船越來越大，航速也提高了，因此對此橋受撞擊時耐受的水平力是否適應，應作適時的討論，首先應計算出船舶增大和提速后船撞力的大小，通常有幾個步驟。

2.1 求出計算水平撞擊力用的代表船舶（大小、質量、速度、能量等）

首先要統(tǒng)計最近幾年通過橋下全部船舶的數(shù)量和大小，并計及未來幾年的發(fā)展，前者通?？梢缘皆摌蛭凰诤降赖暮Ｊ虏块T調查得到，而未來的發(fā)展通常是航運規(guī)劃部門的事情。

統(tǒng)計來的數(shù)值先繪制直方圖，用統(tǒng)計學方法求出平均值和標準偏差，然后選取代表船型。這樣求出來的船型可以是一種典型的船，也可以是一個代表性的質量（大小）。

如圖5所示，是通過某橋位處最近6年的全部船的質量，算出其平均值Xcp=29380t，標準偏差σ=4740t（由于這個橋位通過的大船只只有散貨船一種，所以用載重量乘一個系數(shù)代表質量可計算出能量）則Xcp+3σ=43600t，作為代表船進行計算，其保證率為99.85%。

對于多船種和航速各異的航線，例子復雜一些，先計算出它們各自的能量，也可以考慮通過的密度，加權處理，再作直方圖，可參考：《船撞橋及其防御》一書中的舉例[1]。

2.2 航線的發(fā)展

通常到海事部門統(tǒng)計來的數(shù)據代表現(xiàn)有的情況，未來幾年的發(fā)展要去交通規(guī)劃部門進行調查，將調查得到的發(fā)展統(tǒng)計值與統(tǒng)計數(shù)值相結合，繪出未來若干年航線通過船舶的直方圖，請參看[1]中，對長江中游航線所通過船舶的計算。

2.3 偏航的估計[8]

每個橋位有不同的風和流，風對每種船的上層建筑的影響也不相同，因而就產生了航船通過橋位時的風、流壓偏角，這是船舶失控時自然力對船舶航線的影響。有了這些個自然力，船偏離航線撞向通航孔兩邊的橋墩，甚至撞向非通航孔的橋墩。

求出“風、流壓偏角”的方法很多現(xiàn)在列舉幾例。

航行中實測 我國在上世紀80年代，對全國各主要港口的進出航道進行過實測，載于規(guī)范編制說明中，范圍為2°～ 20 °，最大值為上海港進口航道，6級風，空船情況。為了建新橋或對重要橋梁的加固決策論證，可以進行實測。作者曾請湛江海事局測定20000t ～ 50 000t 的散貨船在各種風力進出港的代表性風、流壓偏角。測定的方法是在航線的正前方有航標的航段，對準航標作直線航行，看這時的舵角就是風流壓偏角。

實驗室測定 我國現(xiàn)在已有幾個“風、浪、流”水池，在水池中設置橋墩，模仿橋位附近的流場，造不同上層建筑的自航船模，駛過橋位附近，測定它們的風流壓偏角。

僅用橫流粗略計算法 此法假設風的影響為0，只算橫流，測定（或由航道規(guī)劃院、所提供）橫流速度，計算風流壓偏角

α= tg-1（橫向流速 / 船速）

此公式被國際海運協(xié)會第二次油輪會議（倫敦）接受。

航運規(guī)劃部門對橋位附近的重要航線，有時有水流路線圖。從圖上可以測出橋位處的橫流速度。這時要注意，水流路線圖在建橋墩后會局部改變（例如南京長江一橋），但對距橋墩較遠的地方的船舶偏航仍有計算參考價值?！陡劭诠こ碳夹g規(guī)范》亦承認用橫流計算流壓偏角。只是要加入風壓因素，便構成風、流壓偏角。

偏航計算對老橋最有價值的地方在于可計算出：航船在多遠處開始失控（或結合航速可計算出失控時間）后，船會撞上航道邊墩，還是撞上非通航孔的墩。由于非通航孔的橋墩抵御水平力的能力非常低，所以這種估算很有實際意義（例如廣東九江公路橋）。

3 船撞橋墩的力

通常決定船撞橋墩的力的大小有三種方法：半經驗公式估算法，有限元數(shù)值計算法和實驗法。通常在研究設計的初期用半經驗公式進行估算；設計新橋時（有完整的圖紙）或比較大的老橋的決策，用有限元數(shù)值計算；而實驗法通常是驗證計算程序或大的決策參考用的。

老橋則前兩種都適用的。半經驗公式（或線圖）國際上曾發(fā)表過多種，能將船的質量和速度作為變量同時代入的公式有5個，我國鐵路規(guī)范和公路規(guī)范各有一個，由于公路規(guī)范公式中的撞擊時間不易確定，推薦建議先采用鐵路規(guī)范公式：

我國鐵路規(guī)范[2]第3.4.6條 墩臺承受船只或排筏的撞擊力可按下式計算：

F = γV sinα[w/（C1+C2）]0.5

式中： F——撞擊力，kN；

γ——動能折減系數(shù)，s／m0.5．當船只或排筏斜向撞擊墩臺(指船只或排筏駛近方向與撞擊點處墩臺面法線方向不一致)時可采用0.2，正向撞擊(指船只或排筏駛近方向與撞擊點墩臺面處法線方向一致）時可用0.3；

V——船只或排筏撞擊墩臺時的速度，m/s。此項速度對于船只采用航運部門提供的數(shù)據，對于排筏可采用筏運期的水流速度；

α——船只或排筏駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角，應根據具體情況確定，如有困難，可采用 α=20o；

W——船只重或排筏重，kN；

C1、C2——船只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺圬工的彈件變形系數(shù)。缺乏資料時可假定Cl+C2 = 0.0005 m／kN．

不同的人計算出的船撞力可能相差很大。這一般是由于各人所選的、代入的參數(shù)不一樣，要適當?shù)剡x用參數(shù)。 [1]書所附“指南”中有參數(shù)dwt、C1，C2的表，如有防撞裝置時公式中還有一個系數(shù)C3可供選用[9]。

4 橋墩能抵受的水平力

常見的橋墩型式有多種，下面討論混凝土墩、砌石墩和高樁承臺墩等3種型式。

4.1 混凝土墩

放在基巖上的鋼筋混凝土墩、素混凝土墩（有時是空心墩）校核其控制截面處的抗彎和抗剪強度。

4.2 砌石墩

砌石墩也主要是校核其控制截面的抗彎和抗剪強度。砌石礅的抗剪強度關鍵在砂漿強度。砌石墩的中心多用毛石混漿后填充（例如鳳凰橋），充填得好的情況可以按全截面進行計算。在海邊的砌石橋墩水不深時抗剪是控制因素，老橋如長滿了牡蠣后，強度可以稍微算高一些。如果砌石橋墩是階梯形砌石，抗剪強度可提高。

4.3 高樁承臺式橋墩

地處軟地質（粘土、砂石等）的高樁承臺式橋墩，按規(guī)范[7]可以用m法和張有齡氏法計算水平力對應的位移，但規(guī)范中沒有給出允許位移的衡準值，如用m法：受船撞時允許位移值大，水平力就正比地高；允許位移量少，能承受的水平力就小。對橋墩進行核算的人，應該先論證該橋墩允許水平位移量是多少。老橋的允許位移量可以放寬，按照“只要能恢復，不掉下來”為準則，則此允許位移量較大。

5 加固還是重建

將上述2個力計算出來進行比較之后，如果船撞力大于橋墩能抵受的水平力，就要進行加固、加防撞裝置或是重建。

一般在水比較深，航道比較窄的地方，用浮式（直接式）防撞裝置。浮式防撞裝置中，柔性粘滯耗能防撞裝置能夠將船撞力減少一半左右（精心設計，還可以將船撞力多降低一些）；水比較淺，航道比較寬的地方，可以用間接式防撞裝置（如圖2），但對阻塞航道、破壞自然條件的設計，要慎重考慮。

被撞很嚴重的橋和經過檢查很有可能被撞塌的橋，是采取加固還是重建？這個問題看似難定，實際上到了具體的橋還是比較容易定的[10]，舉幾個例子說明之：

像廣東九江大橋這樣的橋，不但有可能被撞塌，而且是已經被撞塌，死了9個人，但是多數(shù)的意見不會是拆掉，而是修復后采取一些防撞措施，最可能被采納的措施是非結構防撞，即涂紅白漆，加裝霧天燈，裝設聲訊警號……因為這些措施省錢，也許上了這些措施后，幾十年不會發(fā)生船撞橋了，這是對付小概率事件的有效辦法；然后是對航道旁邊的幾個橋墩裝設能降低船撞力的柔性防撞設施。

像上海市蘇州河的烏鎮(zhèn)路橋，一年之內撞了45次，我們?yōu)樗髁松钊攵屑毜姆雷卜桨福侵鞴懿块T采用的是拆掉重建，一跨過江——這是一個徹底的解決辦法，橋在鬧市區(qū)，垮不起，河道窄一跨過江花錢不多。當然這個辦法也得到我們這些防撞工作者的擁護。見圖6。

像圖7的例子，這座橋在江蘇如東城西，跨過運河，比較重要，行人和農用車都比較多，但運河的船也比較多，橋的上部結構已被撞得傷裂累累，交通部門已掛牌對航船作出警示，我們認為此橋應該拆掉重建，由于通航凈寬的要求（河窄），最好新橋不用拱式，應設計橋墩建在兩岸，一跨過江的下承式橋梁。

6 防撞設施簡介

防撞設施分主動防撞設施和被動防撞設施.

6.1 主動防撞設施

主動防撞裝置即不接觸式防撞裝置，一般采用聲波或光波提醒駕駛員，當航向偏離或進入危險區(qū)域時給于強烈警示，見圖8、圖9、圖10。

一是按照JT376-1998《內河通航水域橋梁警示標志》[6]標準的規(guī)定，在橋梁的橋墩或橋梁的上部結構，用紅白45o斜線，顯示橋墩或通航凈空。這樣，船舶便不易誤入非通航孔。

二是在符合JT376-1998的基礎上，增設航向偏離閃燈，在航向正中設黃燈，左右設綠燈和紅燈，偏離越大時，紅、綠燈閃動越快，類似機場和航空母艦降落指示燈，對準不閃的大黃燈即對準航道。

三例如廣州大坦沙東西兩座鐵路珠江大橋的西橋安裝了48盞霧天黃燈。

四是橋梁水域的船舶通航服務系統(tǒng)（VTS），它以監(jiān)測雷達和甚高頻（VHF)電話為通航船舶校正航線，在橋的中間設雷達應答器。（有4種情況下“船舶通航服務系統(tǒng)”會失效：① 當駕駛員疲勞過度，暈厥，醉酒……；② 船上儀器待修；③ 值班員不會使用（例如廣東九江公路橋所遇到的）；④ 個別的船未裝監(jiān)測雷達和甚高頻電話。）

五是報警聲號，以激光或紅外傳感對進入非通航孔一定距離（例如100m，200m……350m等）的船只，發(fā)出緊急警示聲號，不但引起該船的注意，也引起周圍船舶的注意，以便幫助失去動力的船?？稍跇蚨照胺皆O置被動（只接收，不發(fā)射）紅外接收儀，達到一定的門檻值即鳴號，以實現(xiàn)警示。

有人認為燈號、聲號這些都不必要。（可以類比想一下，有人行道斑馬線，而馬路邊的交通協(xié)管員有必要嗎？）但，這是一種對小船的關懷和照顧，同時也是對于橋梁通航孔的邊墩、非通航孔墩的保護——橋梁工程師已經說過，這些墩不可能作得很強。所以設計完善這些主動防撞裝置是很有意義的，是必要的。

6.2 被動防撞設施

被動防撞設施亦稱結構性防撞裝置，有直接式和間接式兩種。在墩外阻攔船舶防止船撞上橋墩的稱間接式，它的攔阻力不傳到橋墩上。直接式指撞擊力傳到橋墩上的、船撞上橋后為了減輕毀傷而設的結構[1]。木或橡膠作的護舷、鋼浮箱和浮式柔性耗能防撞裝置是直接式的，用于橋墩位于深水區(qū)的場合；人工島、大圍堰、樁群等是間接式，用于淺水橋墩。見圖10。

我國的柔性耗能防撞元件具有粘滯性、高耗能等特點，能降低船舶撞擊力，是由滬、甬、湛、穗、武等五地多個單位聯(lián)合創(chuàng)制，2007年6月在廣東湛江海灣大橋上建造完成。預定對5萬t船做到“小撞不壞，中撞能修，大撞不倒”的效果。

7 結論

上面這些論述，僅是原理性的、一般性的論述。亡羊補牢未為晚也，因此筆者建議交通管理部門對我國跨航線的（即橋下有船通過的）約幾萬座橋梁進行防撞普查。我認為需要拆除重建和增加結構性防撞裝置的將會是少數(shù)，而大多數(shù)應該是盡快增補主動（非結構性）的防撞設施，至少要限時限刻的貫徹執(zhí)行中華人民共和國交通部行業(yè)標準JT376-1998《內河通航水域橋梁警示標志》。

本文得到浙江大學城市學院橋梁博士廖娟女士初校，特此鳴謝。

參考文獻

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[4] 國際橋梁和結構工程協(xié)會(IABSE)丹.O.D.拉爾森編寫， 交通船只與橋梁結構的相互影響[M].1993 廣東虎門技術咨詢公司譯， 1995

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[6] 中華人民共和國交通部行業(yè)標準JT376-1998內河通航水域橋梁警示標志[S]. 北京: 人民交通出版社， 1998

[7] 中華人民共和國交通部行業(yè)標準JTJ222-1987港口工程技術規(guī)范第6 篇地基基礎 第2冊 樁基[S]. 北京: 人民交通出版社， 1988

[8] 陳國虞、沈文瑋， 船對橋墩的側撞力. 中國土木工程學會橋梁及結構工程分會第十五屆全國橋梁學術會議論文集[M].上海: 同濟大學出版社， 2002: 228-232.

[9] 陳國虞.有防撞裝置時計算船撞橋的力——鐵路橋梁規(guī)范中船撞力公式的延伸修訂鐵道標準設計[S]. 2004， (1).

[10] 廖娟， 陳國虞. 杭州內河92座橋梁防撞評估與增設防撞裝置建議. 中國土木工程第十九屆全國橋梁學術會議論文集[S] 1362 北京: 人民交通出版社， 2010