紅海大橋船舶撞擊力選用

廖智明

(泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司深圳設(shè)計(jì)分公司　深圳　518034)

紅海大橋船舶撞擊力選用

廖智明

(泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司深圳設(shè)計(jì)分公司深圳518034)

摘要采用目前應(yīng)用比較廣泛的幾種船舶撞擊力計(jì)算方法對(duì)紅海大橋橋墩船舶撞擊力進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)行公路規(guī)范規(guī)定的內(nèi)河船舶撞擊力進(jìn)行比較，提出現(xiàn)行公路規(guī)范規(guī)定的內(nèi)河船舶撞擊力偏小，安全度低，考慮到近年來部分撞橋事故計(jì)算分析情況，為保障橋梁的安全運(yùn)行，建議采用修正的沃辛公式所計(jì)算的駁船撞擊力作為船舶撞擊力的設(shè)計(jì)值較為合適。

關(guān)鍵詞船舶撞擊力沃辛公式防撞措施

隨著大量跨江跨海大橋的修建，通航船舶的規(guī)?；?，加上橋區(qū)環(huán)境(如流速、風(fēng)速、彎道沖刷、淤積、潮位等)的改變，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生船撞橋事故，不但威脅船舶通行的安全，嚴(yán)重影響橋梁的安全運(yùn)營，還常常會(huì)帶來生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，因此在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)考慮防撞策略。

紅海大橋工程位于東莞市石龍鎮(zhèn)境內(nèi)，起點(diǎn)位于東莞市石龍鎮(zhèn)規(guī)劃中的沿江路，與沿江路平交，向北跨越東江北支流，終點(diǎn)接紅海區(qū)規(guī)劃路。由于橋位處東江北支流為三級(jí)航道，因此紅海大橋橋墩抗船舶撞擊是設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。為進(jìn)行該橋的船撞設(shè)計(jì)，首要問題是船舶對(duì)橋墩撞擊力的選用，船舶撞擊力的選用是否恰當(dāng)，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與橋梁方案的經(jīng)濟(jì)性，若按最大船撞力選用，橋梁防撞能力過高，必然導(dǎo)致橋梁修建費(fèi)用過高，經(jīng)濟(jì)性欠佳。但是若船撞力選用太小，則結(jié)構(gòu)安全存在潛在危險(xiǎn)，可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。在船舶碰撞事故中，要確定船對(duì)橋梁的碰撞力是非常復(fù)雜的，既取決于船舶特性和橋梁結(jié)構(gòu)，包括船舶類型、尺寸、速度、船體強(qiáng)度及剛度、橋梁撞擊部位尺寸、形狀、質(zhì)量和側(cè)向抗力特性等，還受碰撞環(huán)境、撞擊力的偏心和水深影響。目前國內(nèi)外對(duì)船舶撞擊力的研究比較多，大部分基于能量法，將動(dòng)力問題轉(zhuǎn)換為靜力問題來處理，下面采用幾種應(yīng)用比較廣泛的典型計(jì)算方法，對(duì)紅海大橋船撞力的取值進(jìn)行計(jì)算比選，從而確定合理的船撞力，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)性。

1設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)廣東省航道局文件，紅海大橋橋位航段定級(jí)為三級(jí)航道，設(shè)計(jì)通航水位珠基5.10 m，通航孔凈寬B應(yīng)不小于117.4 m，上底寬b應(yīng)不小于98 m，通航孔凈高H不小于8 m，側(cè)高h(yuǎn)應(yīng)不小于6 m。設(shè)計(jì)通航船舶噸級(jí)為1 000 t，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2004)[1]1 000 t內(nèi)河船舶的船型尺寸，貨船為長×寬×吃水深度=49.9 m×15.6 m×2.8 m，駁船為長×寬×吃水深度=67.5 m×10.8 m×2.0 m，航速約為6 m/s。另根據(jù)廣東省海事局《珠江口水域安全航行規(guī)定》[2]第46條的規(guī)定，船只過橋時(shí)航速限制在8 kn(約4.1 m/s)以下。

2幾種典型計(jì)算方法

2.1　修正的Woisin公式(沃辛公式，德國)

Woisin教授[3]對(duì)24個(gè)40 000 t以上的散裝貨船的與剛性墻壁的撞擊進(jìn)行了縮小比例的模型試驗(yàn)，碰撞速度約為8 m/s，總結(jié)出散裝貨船對(duì)剛性橋墩的關(guān)于時(shí)間平均的有效撞擊力的經(jīng)驗(yàn)公式

式中：Pi為平均沖撞力，MN；DWT為船舶載重量，t。

碰撞過程中的平均撞擊力和最大撞擊力的關(guān)系大約滿足以下關(guān)系：

Pmax=2Pi

沃辛公式有一個(gè)明顯的缺陷就是沒有速度，船舶撞擊橋梁的船撞力很明顯是與撞擊力有直接的關(guān)系，沃辛公式里則沒有表現(xiàn)出這一點(diǎn)，所以1993年國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)(IABSE)出版的《船舶碰撞橋梁專冊》[4]中的船撞力計(jì)算公式，在沃辛公式的基礎(chǔ)上作了修正，修正的沃辛公式為

式中：P為船舶對(duì)橋墩的撞擊力，kN；V為船速，m/s；D為船舶排水量，t。

順橋向船撞擊力取橫橋向船撞力的50%。

2.2　美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO-1994)[5]

船舶等效正面靜止撞擊力按下式計(jì)算。

式中：PB為船舶的等效正面靜止撞擊力，N；DWT為船舶載重量，t；V為船舶的撞擊速度，m/s。

由于在美國內(nèi)河航道上拖駁船隊(duì)非常常見，一般拖駁船隊(duì)可包括15~20艘駁船，總長可超過300 m，因此規(guī)范對(duì)于駁船隊(duì)對(duì)橋墩的撞擊力單獨(dú)規(guī)定了計(jì)算公式，駁船橫橋向撞擊力為

若αB<100 mm，PB=6.0×104αB

若αB>100 mm，PB=6.0×106+1 600αB

式中：PB為等效靜止駁船撞擊力，N；αB為駁船船頭破壞長度，mm；

式中：KE為船只的撞擊能量，J，KE=500CHMV2，其中：CH為水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)；M為船只排水噸位，t；V為船只撞擊速度，m/s。

順橋向船撞擊力取橫橋向船撞力的50%。

2.3　《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[6]

漂流物橫橋向船撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算。

式中：F為撞擊力，kN；W為漂流物重量，kN；v為水流速度，m/s；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；t為撞擊時(shí)間，s，應(yīng)根據(jù)實(shí)際資料估計(jì)，在無實(shí)際資料時(shí)，可用1 s。

2.4　鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1-2005)[7]

撞擊力按下式計(jì)算。

式中：F為撞擊力，kN;γ為動(dòng)能折減系數(shù)，m/s1/2，正向撞擊時(shí)取0.3，斜向撞擊時(shí)取0.2；v為船只或排筏撞擊墩臺(tái)時(shí)的速度，m/s；α為船只或排筏駛近方向與墩臺(tái)撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角；W為船只重或排筏重，kN；c1,c2為船只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時(shí)可假定c1+c2=0.000 5 m/kN

3各種公式計(jì)算結(jié)果

對(duì)于紅海大橋，計(jì)算時(shí)船型取駁船，最大載重量為1 000 t，最大排水量為1 660 t，船舶撞擊速度為3 m/s。根據(jù)以上各公式計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　各公式船撞力計(jì)算結(jié)果　kN

由表1可見，國外規(guī)范或公式計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于國內(nèi)規(guī)范計(jì)算結(jié)果,是國內(nèi)規(guī)范計(jì)算結(jié)果的2.07～2.43倍，現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》所規(guī)定的1 000 t內(nèi)河船舶撞擊力(橫橋向800 kN，順橋向650 kN)比鐵路規(guī)范、美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范、沃辛公式及公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范漂流物公式均偏小。其中美國AASHTO規(guī)范計(jì)算結(jié)果最大，對(duì)于船橋碰撞力的計(jì)算是偏于安全的，而國內(nèi)公路、鐵路規(guī)范計(jì)算結(jié)果較為接近，但計(jì)算結(jié)果偏小，安全度低，修正的沃辛公式計(jì)算結(jié)構(gòu)較為適中,根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，且考慮到近年來部分撞橋事故計(jì)算分析情況，筆者認(rèn)為修正的沃辛公式結(jié)果作為紅海大橋船舶撞擊力的取值較為合適，因此紅海橋設(shè)計(jì)時(shí)采用了修正的沃辛公式所計(jì)算的1 000 t駁船撞擊力(橫橋向7 000 kN，順橋向3 500 kN)作為船舶撞擊力的設(shè)計(jì)值來控制設(shè)計(jì)。

4防撞措施

橋梁防撞的目的是防止橋梁因船舶撞擊力超過橋墩的設(shè)計(jì)承受能力,保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全。工程上通過采用不同型式的防撞設(shè)施,可以阻止船舶撞擊力傳到橋墩(或橋梁),或者通過緩沖消能防撞設(shè)施,延長船舶的撞擊時(shí)間,減小船舶撞擊力,從而最終保護(hù)橋梁安全。防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的

外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

防撞設(shè)施一般應(yīng)滿足如下要求：①吸能能力要大，但更重要的是將船的動(dòng)能仍保留在船上；②防撞設(shè)施不能影響航道的通航,占用航道范圍盡量少；③通過合理的結(jié)構(gòu)形式、各種緩沖材料的布置,盡量減小通航船舶的損傷；④防撞設(shè)施制造、安裝、維護(hù)和修理經(jīng)濟(jì)性較好；⑤防撞設(shè)施具有很好的可靠性和安全性；⑥應(yīng)適應(yīng)水位變化的要求:枯水、洪水；漲潮、退潮；⑦不因設(shè)置防撞裝置而增加新的問題，如回流沉積、妨礙捕撈養(yǎng)殖等。

紅海大橋防撞措施采用在枯水位以上11.7 m范圍內(nèi)橋墩設(shè)置拱形(V形)橡膠防撞護(hù)舷，具有吸能量高、布置靈活、安裝尺度適宜等諸多優(yōu)點(diǎn)。

5結(jié)語

鑒于影響船舶撞擊力大小的因素較多，涉及船型、船舶排水量、行駛速度、橋墩尺寸強(qiáng)度及彈性性能等諸多因素，目前我國現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)所規(guī)定的內(nèi)河船舶撞擊力偏小，不宜作為船舶撞擊力設(shè)計(jì)值控制設(shè)計(jì)，紅海大橋根據(jù)幾種國內(nèi)外常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后采用修正的沃辛公式計(jì)算結(jié)果作為船舶撞擊力的取值，能滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全性及橋梁方案的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50139-2004內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京.中國計(jì)劃出版社.2004.

[2]中華人民共和國廣東海事局.珠江口水域安全航行規(guī)定[S]. 廣州：廣東海事局，2001.

[3]WOISIN G Design against collision.International Symposium on Advances in Marine Technology, ondheim,1979.

[4]VROUWENVELDER A W Design for ship impact according to eurocode 1,part2.7[S]. Ship Collision Analysis,1998.

[5]美國各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)AASHTO.美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1994.

[6]JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]TB 10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

收稿日期：2015-03-07

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.023