非通航孔橋墩“攔-防”組合防撞方案應(yīng)用研究

陳明棟,向 祎

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)

非通航孔橋墩“攔-防”組合防撞方案應(yīng)用研究

陳明棟,向 祎

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)

非通航孔橋墩通常結(jié)構(gòu)設(shè)計單薄,即便在采用最新防撞技術(shù)情況下,也難以將船撞力減少至橋墩自身抗力可承受的范圍以內(nèi)。為解決這一問題,對國內(nèi)外最新防船撞技術(shù)進行了調(diào)研分析,提出“攔-防”組合的非通航孔橋墩防撞方法,即觸發(fā)旋轉(zhuǎn)式攔截網(wǎng)與柔性防撞圈組合的防撞裝置。當(dāng)失控船舶以一定速度靠近大橋橋墩時,首先被橋梁上游的攔截網(wǎng)攔截,在攔截網(wǎng)被拉斷過程中,船舶航速將大幅降低。船舶沖出攔網(wǎng)再撞上橋墩時,防撞裝置能及早發(fā)揮整體作用,化撞擊集中力為分布載荷,以及讓船盡早滑離而帶走盡量多的剩余動能,以達到有效保護橋梁的目的。計算分析研究表明,該裝置防撞護效果良好,造價相對低廉,并且易于實施。設(shè)計中只要充分結(jié)合橋區(qū)河床地形,可避免對環(huán)境造成負面影響。

非通航孔橋墩;防撞裝置;組合方案;攔截消能;柔性耗能

在橋梁防船撞設(shè)計中,主航道及主通航橋孔的安全已得到了足夠的重視。經(jīng)過多年的設(shè)計實踐,主通航孔橋墩防撞技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟,主流技術(shù)是采用直接安裝在橋墩邊上隨著水位上下浮動的柔性防撞裝置。由于充分考慮了迎撞角,采用高耗能黏滯性復(fù)合防撞圈[3]得到低的波阻抗,延長了沖擊過程時間[4],得以滑開并撥正船頭,使船回到正確航向,船的動能大部分保留在船上,在橋墩受到保護的同時,船舶也不會受到明顯破壞。

然而近年來國內(nèi)外分別發(fā)生幾起位于非通航孔橋墩的船撞橋事故,非通航孔橋墩的安全問題也逐漸暴露出來。非通航橋孔橋墩的特點是:橋墩結(jié)構(gòu)單薄、自身抵御船撞能力較差,即使按照當(dāng)今最先進耗能理念設(shè)計的防撞圈,也難達到對橋梁的有效保護。一旦遭遇船舶撞擊,極易造成船橋俱毀的悲劇[1-2]。目前,國內(nèi)外專門針對非通航孔橋墩的防撞研究較少,尚無較為有效及成熟的研究思路和方法,以致同樣會導(dǎo)致橋梁垮塌的非通航孔橋墩安全沒有得到足夠重視。

由于非通航孔橋墩自身抗力太小,即使采用主通航孔橋墩防撞技術(shù)也無法保障橋梁安全,需要尋求新的研究思路。通過對國內(nèi)外防撞技術(shù)與發(fā)展的綜合分析,結(jié)合非通航孔橋墩的自身特點,研究提出適合于非通航孔橋墩的新型“攔-防”組合式防撞方案。

1 設(shè)計思路

現(xiàn)今橋梁的防撞裝置可分為直接構(gòu)造和間接構(gòu)造兩類?！皵r”的防撞方案屬于間接構(gòu)造類防撞,有漂浮攔網(wǎng)防撞系統(tǒng)[5]、浮體系泊索防撞系統(tǒng)[6]等方式。但僅靠“攔”的方式無法達到橋墩防撞安全要求,原因在于系統(tǒng)消耗能量需要很長的緩沖位移,同時失控船舶動能巨大,容易壓過攔索或沖破攔網(wǎng),消能后仍具有很大撞擊力,依然對橋墩存在危險。所以本著“消能為主、防撞為輔”的原則[7],設(shè)計采用兩道屏障攔截船舶:一是在非通航橋梁上游一定距離布置攔網(wǎng)裝置,二是在橋墩上安裝柔性浮式防撞圈。工作原理是:當(dāng)失控船舶以一定速度靠近大橋橋墩時,首先被橋梁上游的攔截網(wǎng)攔截,在攔截網(wǎng)被繃緊、受力、纜索拉斷以及地錨被拔出的過程中,船舶航速將大幅降低。船舶沖出攔網(wǎng)再撞上橋墩后,由于航速降低船撞力減小,依靠安裝在橋墩上的柔性耗能防撞圈,就能夠達到有效抵御船舶剩余撞擊力的目的。

第一部分的攔網(wǎng)裝置由觸發(fā)式攔網(wǎng)、支架、浮筒以及鋼索聯(lián)系在河床上的地錨等四大部分組成。其中攔網(wǎng)由串聯(lián)在浮筒上的支架支撐,網(wǎng)面平鋪漂浮在水面以下,浮筒由穿越在中間的主軸聯(lián)系,在上游和兩側(cè)方向整體牽引在河床上;牽引鋼索由埋設(shè)在河床面下的地錨固定。第二部分,直接沿用最新的柔性防撞技術(shù),即新型高耗能復(fù)合黏滯性防撞裝置。

2 方案應(yīng)用及設(shè)計

萬州長江河段屬山區(qū)性河流,三峽工程正常蓄水后該河段處于常年回水區(qū)內(nèi)。擬建于此的萬州長江三橋[8]雖然采用了主跨730 m大跨度雙塔斜拉橋方案,但高水位期位于非通航區(qū)域的Z7、Z8輔助墩仍然靠近洪水期下行船舶的航路范圍。由于該橋墩結(jié)構(gòu)單薄,自身設(shè)計抗力僅6 kN,根據(jù)大橋通航研究意見,需要對右岸的非通航橋墩進行設(shè)防。以該河段通行數(shù)量較大的3 000 t級船舶為例,當(dāng)船舶下行航速為4 m/s左右時,計算的正船撞力可達到23.32 kN。按照目前我國直接式防船撞裝置的最大承載力可將船撞力降低約55%,均大于橋墩自身的抗撞能力。因此,按照以上研究思路,對該橋的防撞設(shè)計采用了“攔-防”結(jié)合的新方案。

2.1 觸發(fā)旋轉(zhuǎn)式攔截消能系統(tǒng)

觸發(fā)旋轉(zhuǎn)式攔截裝置布置在上游距橋墩100 m處,橫向從Z6、Z7兩墩中間布置到Z8、Z9兩墩中間,總計長115 m,共分為3個單元(每兩個系泊浮體之間為1個單元)。防撞裝置環(huán)繞布置在Z7、Z8橋墩周圍。系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of anti-collision system

攔截裝置單元內(nèi)部由兩側(cè)的系泊浮體、鋼索、大浮筒、鋼桿、攔截網(wǎng)、輕質(zhì)鋼索、水下重力錨錠及錨鏈組成。

(1)系泊浮體設(shè)計 系泊浮體(底面近似橢圓)為長徑4 m、短徑2 m、表層厚2 cm的鐵鑄體。每個系泊浮體連接4個錨鏈,每個錨鏈另一端連接3 m×3 m×3 m的混凝土錨塊。系泊浮體的主要作用是固定裝置在水中的橫向位置,使其不能左右擺動;同時也固定裝置中的鋼索旋轉(zhuǎn)軸,保證鋼索的位置能隨水位變化。

(2)浮筒設(shè)計 大浮筒采用玻璃鋼材料制成,形狀為兩端削平的橄欖球形,其主徑3 m、兩端直徑2 m、長4 m、玻璃鋼外殼厚2 cm。支撐攔網(wǎng)的鋼桿與浮筒制成一體,浮筒中間留有直徑為5.5 cm的圓形通道,直徑5 cm的鋼索從中穿過,作為攔網(wǎng)豎立起來的旋轉(zhuǎn)軸。

(3)鋼桿設(shè)計 鋼桿直徑10 cm,在浮筒兩邊支出的長度均為3 m,兩側(cè)每隔1 m焊有固定環(huán),用于固定攔截網(wǎng)和輕質(zhì)鋼索。

(4)攔截網(wǎng)及鋼索設(shè)計 攔截網(wǎng)采用預(yù)先編織好的錦綸繩網(wǎng),有5根橫向工作主繩,繩徑均為64 mm,通過固定環(huán)與鋼桿連接;5根工作主繩在每個單元的兩側(cè)留有2 m的富裕長度之后再與系泊浮體相連。在遠離橋墩的鋼桿頂端,布置一根直徑為5 cm的輕質(zhì)鋼索,通過固定環(huán)固定于鋼桿上,不與系泊浮體相連。

(5)錨及錨鏈設(shè)計 為了保證錨、錨鏈、攔截網(wǎng)在船撞過程中同時破壞,根據(jù)錦綸網(wǎng)的承載力,選擇鏈徑為28 mm的船用有檔錨鏈AM3作為裝置所用錨鏈,在錨鏈下部連接3 m×3 m×3 m的混凝土錨錠。

2.2 防撞裝置設(shè)計

(1)防撞裝置外型 防撞裝置設(shè)計見圖2。Z7、Z8輔助墩由順橋向布置的1個13 m×5 m以及中間對稱布置的2個1 m×3 m的凹槽組成;防撞裝置設(shè)置在其外圍,并將橋墩全部包圍。防撞裝置外部尺寸為: 25.00 m×10.52 m×3.00 m(長×寬×高),內(nèi)部尺寸與墩柱契合,內(nèi)層的躉船是1個包圍在橋墩外面并隨水深變化而升降的浮體,可在水位變化時上下自由浮動。內(nèi)圈與橋墩間留有50 cm空隙,設(shè)置有緩沖橡膠和消浪透水孔;內(nèi)外鋼圍之間除設(shè)置構(gòu)造鋼桁外,還需設(shè)置柔性橡膠圈,即內(nèi)層緊密纏繞鋼絲繩、外層橡膠包裹,這有利于緩沖船舶撞擊。橡膠圈按二排三層布置,每層64個,總共192個,型號Φ600 cm。

圖2 防撞裝置構(gòu)造Fig.2 Anti-collision facility

(2)防撞裝置頭部形狀 防撞裝置上下游的頭部設(shè)計采用75°迎撞角,有助于在船撞初期迅速撥開船頭,改變防撞裝置的受力方向。

(3)防撞裝置高度 輔助墩采用的防撞裝置總高度為3 m,考慮到代表船型滿載吃水的深度和空載時船頭浮于水面的高度,設(shè)計防撞裝置在正常使用時水上、水下高度分別為1.2和1.8 m(依靠防撞裝置浮力)。輔助墩承臺以上橋墩的截面不變,均為13 m×5 m,且中間有1 m×3 m的凹槽,墩與裝置間隙為50 cm。

2.3 系統(tǒng)工作過程

攔截裝置平時平鋪于水面上,一旦有船舶撞擊,先觸發(fā)推動裝置最外層的輕質(zhì)鋼索,在船撞擠壓作用下,輕質(zhì)鋼索沿著船體向下滑動,與其連接的鋼桿隨鋼索下壓而另一端翹起,同時帶動大浮筒繞其中心軸旋轉(zhuǎn),攔截網(wǎng)也隨鋼桿逐漸被翹起。在船撞力的持續(xù)作用下,攔截網(wǎng)逐漸由水平變成豎立狀態(tài)。此時,攔截網(wǎng)包住船頭或攔截網(wǎng)包住大型船舶的球鼻艏,并與之一起運動。當(dāng)攔截系統(tǒng)隨失控船舶運動時,錦綸繩伸長、變形,當(dāng)錦綸繩吸收一定能量時,繩子斷裂,此時河底的錨塊也被拔出。在此過程中消耗船舶動能,降低船速,同時也能減輕失控船舶的損傷程度。

當(dāng)失控船舶掙破攔截裝置后,撞擊非通航孔橋墩時,首先接觸到外鋼圍。由于防撞裝置上下游頭部設(shè)計成弧形外形,可使船頭很快改變方向。同時外鋼圍的后退及船頭的滑動,延長了撞擊時間,降低了撞擊力,又為船舶在低應(yīng)力下轉(zhuǎn)向滑離創(chuàng)造條件,從而帶走盡可能多的剩余動能。當(dāng)余下能量作用到外鋼圍時,因本身具有的較強剛度[9]及柔性防撞圈的緩沖,鋼圍的位移、變形吸收了大量的撞擊能量。因為此時環(huán)繞橋墩的柔性防撞圈全部受力(前面的受壓,后面的受拉),可有效地將更多的動能保留在船上,大幅降低防撞圈及船舶的損壞,從而達到保護橋墩的目的(攔截裝置工作示意圖見圖3)。

圖3 攔截裝置工作示意Fig.3 The working drawing of the intercepting device

3 安全性與可行性驗證

根據(jù)長江上游及三峽庫區(qū)前期進行的橋梁防船撞多項研究,選擇萬州長江三橋輔助墩防船撞設(shè)計代表船型為“川江及三峽庫區(qū)運輸船舶標準船型主尺度系列”3 000 t級干散貨船,其尺度為90.0 m×16.2 m× 3.2 m,計入附連水質(zhì)量為4 260 t。

3.1 船舶撞擊速度

主航道的航速選擇主要依據(jù)實測和橋位河段船舶航速調(diào)查成果,在三峽水庫正常蓄水期,船舶下水適航及船撞速度為15 km/h,即4.17 m/s。對于非通航區(qū)域,在主航道航速的基礎(chǔ)上進行折減較符合實際[10]。根據(jù)實際測量或數(shù)值計算方法得到建橋后橋區(qū)水域的流速分布數(shù)據(jù),計算出橋區(qū)水域的流速差值[11]。

式中:V(x)和v(x)分別為距離航道中心x處的船舶典型航速和流速;V0和v0分別為橋區(qū)正常航速和航道中心的流速。

根據(jù)河道流場橫向分布折減計算方法,選擇萬州河段在三峽水庫正常蓄水期時的最大流量,折算出需要設(shè)防的3個水中橋墩的船撞速度:三峽水庫蓄水期,主流流速0.6 m/s左右時,Z6南主墩、Z7、Z8輔助墩處流速分別為0.45,0.33和0.18 m/s,船撞速度分別為4.02,3.84和3.50 m/s。

3.2 強度驗證

本裝置中單根錦綸繩的破壞承載力為540 kN,單根錨鏈破壞承載力為642 kN,錨錠重度為25 kN/m3。單元體中錦綸繩全部破壞的承載力F1=540×5=2 700 kN,錨鏈全部破壞的承載力F2=642×4=2 568 kN;錨錠全部被拔出需要的力F3=25×3×3×3×4=2 700 kN。三者所需力大致相等,在攔截裝置工作過程中,三者基本可以同時破壞,從而使得船舶能量消耗最大。

在攔截網(wǎng)工作過程中,主要通過攔網(wǎng)的破壞,大量吸收船舶能量,從而降低船舶速度。根據(jù)文獻5中所測試的錦綸復(fù)絲繩的性能數(shù)據(jù),攔截網(wǎng)破壞過程中消耗船舶的能量E消耗=24.90 MJ。因錨鏈斷裂破壞的力和錨錠拔出的力無法通過計算公式轉(zhuǎn)換成能量,且它們非主要消能方式,所以取24.90 MJ作為攔截裝置的保守消能值。

根據(jù)船撞速度結(jié)果,船舶具有動能:

船舶與攔截裝置作用之后船舶余下的動能為:

作用后速度為

根據(jù)中國鐵路規(guī)范[12],墩臺承受船只或排筏的撞擊力F可按下式計算:

式中:γ為動能折減系數(shù)(s/m1/2),取最大船撞力,即當(dāng)船只正向撞擊時取0.3;V為船只或排筏撞擊墩臺時的速度(m/s);α為船只駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角,取最大船撞力,即α=90°;W為船只重或排筏重(kN),其中重力加速度按g=9.81 m/s2計算;C1,C2分別為船只或排筏的彈性變形系數(shù)、墩臺圬工的彈件變形系數(shù)(m/kN),其三者關(guān)系為C1+C2=0.000 12。

本工況在無防撞裝置橋墩的最大正撞力數(shù)值中采用了中國鐵路規(guī)范公式計算,Z7,Z8輔助墩船撞力分別為11.60和7.05 MN。

3.3 可行性驗證

根據(jù)萬州長江三橋船撞風(fēng)險分析結(jié)果,得Z7、Z8輔助墩自身抗力為6 MN,即最小抗力。選擇3 000 t級機動船作為防撞典型船舶,直接船舶撞擊力分別為22.4和20.4 MN。經(jīng)過觸發(fā)旋轉(zhuǎn)攔截系統(tǒng)初次消能后,可將船舶的撞擊速度分別降低到1.99和1.21 m/s,由此根據(jù)船撞力計算,可得此時撞擊力分別為11.60和7.05 MN。按柔性防撞圈性能指標(以及寧波實船撞擊試驗成果),以降低船撞力55%保守估算,該防撞裝置可將船撞力分別降低至5.22和3.17 MN;與設(shè)計提供的6 MN的輔助墩抗力比較,說明能滿足橋梁的防撞要求。

若出現(xiàn)攔截網(wǎng)被失控船舶沖破而未能完全發(fā)揮吸能作用的情況,船舶撞擊第二道防護即柔性耗能防撞裝置,根據(jù)其性能,可降低失控船舶船撞力55%,使船撞力降低到6 MN的可承受范圍內(nèi),亦能達到保護輔助墩的目的,因此使輔助墩的安全性得到最大保障。

3.4 安裝與施工要求

錨的安裝必須達到設(shè)計承載力要求,安裝時為船舶機動作業(yè),做好水上交通管制。安裝必須嚴格按照施工順序,確保工程質(zhì)量、工程進度、施工安全。對水中易腐蝕鋼結(jié)構(gòu)采用噴涂鋅鋁偽合金底層,加氟碳涂料面漆的體系,并加上鋁鋅銦陰極保護,預(yù)計做到第一個維修周期為20年(以后要涂面漆),而全壽命與橋梁一樣,在100年左右不需拷鏟、噴砂出白,即不需重做整個防銹系統(tǒng)。

柔性防撞裝置由3層組成:內(nèi)層是躉船,外層是鋼圍,中間是防撞圈。外層鋼圍是用鋼絲繩吊在躉船的立柱上的。橋墩外面包圍著隨水位而升降的躉船,施工中可將躉船做成兩半運到橋墩兩側(cè),在橋墩外連接。躉船在建造終了前需進行預(yù)連接。為了將分成兩半的躉船從建造的船臺運到橋墩兩側(cè),可將其放在浮吊上運送。用浮吊并輔以掛在橋墩上面的吊具,進行防撞裝置的安裝。如遇枯水期,可放在承臺上安裝。躉船用高強螺栓連接。外層鋼圍在船臺上整體建造。割開兩半前,先焊上多個絲杠拉馬。運到橋墩兩側(cè)后,焊成整體。中間的防撞圈預(yù)先組合,例如先安裝在鋼圍上,到橋墩兩側(cè)后,吊在工作位置上將其連接到躉船上。安裝完畢應(yīng)對連接部位進行防腐補涂處理。

躉船應(yīng)該浮態(tài)正常,如果浮態(tài)不夠平衡,本設(shè)計采用的是固體壓載法使它達到平衡。調(diào)整浮態(tài)時,所有的船裝設(shè)備均已安裝完畢,攪拌好的素混凝土從設(shè)計指定的人孔注入,自然流動,準確控制注入量,并隨時觀察躉船兩側(cè)的水線,允許注入量有少許調(diào)整,以達到躉船的平衡狀態(tài),但應(yīng)準確記錄調(diào)整后的注入量。

4 結(jié) 語

隨著水運事業(yè)的不斷發(fā)展和船舶數(shù)量的增多,許多建橋影響較大的橋梁,逐漸暴露出易遭遇船撞的風(fēng)險。以往針對主橋墩的防撞研究逐漸成熟,但對于結(jié)構(gòu)單薄、抗力較小的非通航孔橋墩(引橋墩、輔助橋墩)的防護問題尚未得到足夠的重視。本文針對非通航孔橋墩防撞研究現(xiàn)狀,提出了“攔-防”組合式防船撞的方案,經(jīng)計算分析研究總結(jié)如下:

(1)按照新型高耗能復(fù)合黏滯性防撞圈和觸發(fā)旋轉(zhuǎn)攔截消能系統(tǒng)的性能指標,本文計算得出該組合防撞裝置可將Z7、Z8橋墩的船撞力分別降低至5.22和3.17 MN,能滿足橋梁所設(shè)計的6 MN抗力的防撞要求。

(2)設(shè)計提出的“攔-防”組合式防船撞的方案,實際為間接與直接防撞方案結(jié)合,解決了任何單一的防撞裝置都不能實現(xiàn)的有效防護問題。

(3)該裝置防撞效果可靠,造價相對低廉,并且易于實施。設(shè)計中只要充分結(jié)合橋區(qū)河床地形,可避免對環(huán)境的影響。

(4)該裝置在三峽庫區(qū)及山區(qū)河流中應(yīng)用時,應(yīng)考慮攔網(wǎng)系統(tǒng)在水位變化時的工作狀態(tài),以及對其維護的要求,避免因河流垃圾纏繞而影響防撞裝置的工作性能。

(5)該防撞裝置可供眾多非通航孔橋墩的安全防護所借鑒,并具有較大的推廣應(yīng)用價值。

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A study of combined anti-collision scheme for protection of non-navigable piers

CHEN Ming-dong,XIANG Yi
(School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

The structures of the non-navigable spans of bridge piers are usually thin in design,it is difficult to make the vessel collision force decay to an affordable range even with the latest anti-collision technology in the engineering practice.In order to solve this problem,analysis and research of the latest anti-collision technology at home and abroad have been carried out,then a combined interception and anti-collision method for protecting the non-navigable spans of the bridge piers against collision is developed,namely an anti-collision facility combining trigger rotary intercepting network with flexible anti-collision ring which is installed closely to the piers.When the vessel goes out of control and is towards the piers with a certain speed,it must be intercepted firstly by the network placed at the bridge′s upstream.In the process of the network snapped,the speed of the vessel will be greatly reduced.Then the vessel rushs out of the network and collides against the piers,the anti-collision facility would play an integral role as soon as possible so that the intense impact force could be changed into a weaker distributed load,and the vessel turns away as soon as possible,and thus taking away the remaining kinetic energy as much as possible,so it will achieve the purpose of protecting piers effectively.By calculation and analysis,the combined anti-collision facility has good effects and is relatively inexpensive and easy to operate implement.The anti-collision facility can avoid unfavorable impacts on environment if the riverbed topography of the bridge area will be fully taken into account in the further design.

non-navigable spans of bridge piers;anti-collision facility;combination scheme;intercept energy dissipation;flexible energy dissipation

U443.26

A

1009-640X(2014)04-0098-07

2013-12-05

陳明棟(1954-),男,浙江奉化人,研究員,主要從事船閘水力學(xué)和港航工程科研工作。通信作者:向 祎(E-mail:xiangyicsh@163.com)