探究跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設(shè)計方法

龔世康

中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 330000

摘要：本文主要闡明了跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設(shè)計的目的和原則，并就設(shè)計中最為重要的考量因素進(jìn)行了分析和解釋，最后基于橋梁船舶撞擊力的計算方法對通航防撞設(shè)計理念進(jìn)行了淺析，以期為今后類似工程設(shè)計提供相關(guān)參考資料。

關(guān)鍵詞：跨江橋梁工程；支架；通航防撞；撞擊力

我國內(nèi)陸江河較多，為了便于河域兩邊的經(jīng)濟(jì)交流和文化互動，在大型江河流域之間建立起一座橋梁成為了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢。目前，在我國較為出名的跨江橋梁主要包含武漢長江大橋、武漢長江二橋、白沙洲大橋、南京長江大橋及萬安古渡洛陽橋等。而隨著橋梁建設(shè)基礎(chǔ)工程的不斷完善，船舶交通量及噸位也在不斷增加，故而，大跨橋梁結(jié)構(gòu)工程設(shè)計項目中船舶防撞設(shè)計也成為亟待解決的課題之一?；诖搜芯勘尘?，本文主要以跨江中小橋梁為研究對象，對該項工程項目支架施工中的通航防撞設(shè)計原則、方法進(jìn)行了一番分析，現(xiàn)試論如下。

一、通航防撞設(shè)計概述

（一）簡析通航防撞設(shè)計的目的

跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設(shè)計方法的運用旨在于通過避免或降低船舶同橋墩發(fā)生碰撞對橋墩帶來的破壞力，來提升橋梁的使用年限，從而實現(xiàn)跨江橋梁的設(shè)計目的，發(fā)揮其職能。一般情況而言，諸如上文說例舉的大型跨江橋梁項目其支架施工中通航防撞設(shè)計方法的運用較為復(fù)雜，且實施難度較大，本次暫時不做探討，以中小跨江橋梁的通航防撞設(shè)計方法為研究分析對象。較之于大型跨江橋梁，中小跨江橋梁橫向抗撞擊力標(biāo)準(zhǔn)一般情況下會更低，因此在通航防撞設(shè)計方法的選擇上，也會選擇不同的防撞設(shè)施來規(guī)避和阻斷船舶撞擊力傳導(dǎo)到橋梁（或橋墩），抑或借由緩沖消能防撞設(shè)施延長船舶撞擊至橋梁體的時間，由此來降低或緩沖傳播撞擊力，避免船毀橋塌事件。

（二）簡析通航防撞設(shè)計的原則

目前，我國在跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設(shè)施設(shè)計方面并沒有出臺明確的規(guī)范和條文，因此，所有中小型跨江橋梁的防撞設(shè)施設(shè)計技均是依據(jù)其設(shè)計目的和原則開展和進(jìn)行的，目的上文已經(jīng)論述，此處不表。至于防撞設(shè)施的設(shè)計原則，應(yīng)當(dāng)是指向設(shè)計目的，以設(shè)計目的為服務(wù)對象，因此，需要考量的主要是影響橋墩抗撞能力的各項因素，諸如：橋梁橋墩在江中的位置設(shè)計、橋梁橋墩的外形設(shè)計、江水水流速度及季節(jié)水位變化情況、主要通航船舶的類型及噸位、橋梁橋墩自身的抗撞能力等。

結(jié)合橋梁項目支架施工中通航防撞目的，細(xì)化而言，防撞設(shè)計原則應(yīng)當(dāng)涵蓋以下幾點：其一，船舶同橋梁在碰撞過程中會促使兩者在運動狀態(tài)上發(fā)生劇烈改變，因此在設(shè)計原則上并不能以避免橋梁無損為原則，在一定條件下，允許通航防撞設(shè)計對象遭受損壞，但是需易于修復(fù)，確保橋梁橋體短期之內(nèi)恢復(fù)至受保護(hù)狀態(tài)；其二，跨江中小型橋梁建設(shè)中，橋墩主要的作用在于支撐橋體上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，因此一般情況下其抗撞能力較弱。由此通航防撞設(shè)施設(shè)計不宜同橋墩直接連接。其三，跨江中小型橋梁橋墩基礎(chǔ)較弱，防撞設(shè)施設(shè)計需在盡量避免動用原橋設(shè)計基礎(chǔ)的前提下，設(shè)計的防撞設(shè)施可以消耗全部或多數(shù)碰撞船舶的能量；若是橋墩承臺具有較好的抗撞性能，可以在設(shè)計階段將其可以承受小部分船舶撞擊力作為考量因素，確保設(shè)計方案更具經(jīng)濟(jì)性。其四，橋梁建設(shè)的主要目的在于方便交通，因此防撞設(shè)施設(shè)計不能影響江面正常航道通航狀態(tài)，如果出現(xiàn)必須占用航道的情況，也需最大限度地盡量減少占用面積，以防導(dǎo)致航道堵塞。其五，船舶碰撞橋梁橋體是船舶方過錯，但是船舶因此撞擊受損沉沒抑或造成航道阻塞，均會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，同時船舶損壞漏油也會造成極大的水污染，故而在通航防撞設(shè)計方法的運用方面，防撞設(shè)施的構(gòu)造形式和設(shè)計原則應(yīng)當(dāng)濕度考慮船舶保護(hù)事項，以減少碰撞船只損傷，降低經(jīng)濟(jì)損失。其六，防撞設(shè)施設(shè)計需要同橋墩設(shè)計風(fēng)格一致，不影響其美觀。

二、淺析通航防撞設(shè)計中舶撞擊力計算的計算方法

目前，在通航防撞設(shè)計構(gòu)思主要依據(jù)兩點因素進(jìn)行選擇，其一為基于擬船舶撞擊力的防撞方案選擇，其二為于結(jié)構(gòu)抗力的防撞設(shè)計構(gòu)思。第二種方案主要應(yīng)用于外海，因此本文主要集中探討第一種構(gòu)思方案?，F(xiàn)階段，我國缺失系統(tǒng)的橋墩防撞設(shè)計規(guī)范，但是對于船舶碰撞撞擊力的計算方法卻在《系統(tǒng)的橋墩防撞設(shè)計規(guī)范》（JTGD60—2004）及《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）中均有論述。

（一）公路規(guī)范中舶撞擊力計算的計算方法

公路規(guī)范中規(guī)范了航運中漂流物橫橋向撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式，為：F=Wv/gT。其中：

F——漂浮物撞擊力；

W——漂浮物重力；

v——水流速度；

g——重力加速度；

T——撞擊時間

其中，T若無實際資料表明撞擊事件，則取值1s；g一般情況下取值為9.81m/s?。假設(shè)內(nèi)河船舶的撞擊作用點是跨江橋梁寬度的中線處，具體位置為通航水位線上2米處，則順橋向撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值約為橫橋向撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值的3/4倍。

（二）鐵路規(guī)范中舶撞擊力計算的計算方法

公路規(guī)范中同樣對橋梁墩臺承受船只的撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式給予了規(guī)定，為：F=rVsinα[w/（C1+C2）]0.5。式中：

F——船舶撞擊力；

r——動能折減系數(shù)；

V——船只撞擊墩臺時的速度；

α——船只駛近方向與撞擊點處墩臺切線所成的夾角；

w——船只噸位；

C1——船只彈性變形系數(shù)；

C2——墩臺圬工的彈性變形系數(shù)

當(dāng)船只駛近方向與撞擊點處墩臺面處法線方向不一致，[w/（C1+C2）]0.5取值0.2，當(dāng)方向一致，取值0.3；α確定困難則取值為20°；C1和C2確定困難，則設(shè)定兩者之和為0.0005m/kN。

三、根據(jù)虛擬案例分析橋梁船舶撞擊力計算結(jié)果

綜合上文可知，跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設(shè)計需要考量的因素眾多，進(jìn)行設(shè)計的過程中需要重點考量的便是船舶撞擊力。依據(jù)上述公式和理論，參考《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，虛擬各項計算參數(shù)，計算出橋梁船舶撞擊力。

假設(shè)船舶噸位（w）為3000t，船舶靜水速度為17km/h，水流速度（v）為2.3m/s。則依據(jù)公路規(guī)范可進(jìn)行橋梁船舶撞擊力計算：其中，船舶橫橋向撞擊力為：F=Wv/gT=20000×2.3/9.81×1=4689.09kN；順橋向撞擊力為：4689.09×3/4=3516.82kN。

依據(jù)鐵路規(guī)范進(jìn)行計算，則船舶順橋向撞擊力為：F=rVsinα[w/（C1+C2）]0.5=0.2×2.3×sin20°×[20000/0.0005]=6293.17kN；則船舶橫橋向撞擊力為：6293.17×1.25=7866.46kN。

一般情況而言，基于橋梁船舶撞擊力進(jìn)行通航防撞設(shè)計是保證橋抗撞力的主要途徑，因此可以進(jìn)一步依據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算出一般橋梁的撞擊力，從而來評判橋梁防撞設(shè)計是否合格。

四、基于橋梁船舶撞擊力進(jìn)行通航防撞設(shè)計的方法

已經(jīng)明確，基于橋梁船舶撞擊力來進(jìn)行通航防撞設(shè)計是確保橋梁防撞性能優(yōu)良的主要方法之一，不過正如前文所述，橋梁支架及橋墩是否可以承受船舶撞擊，還在于橋梁的抗撞力。因此目前使用于防撞設(shè)計中的主要方案中便包含緩沖橡膠塊、防撞頂面墩（見圖1a.b.c）等設(shè)計，當(dāng)然基于外部保護(hù)原則也存在設(shè)置人工防撞島、防撞墻、纜索攔截等設(shè)計方法。

圖1 a 防撞墩立面布置圖

圖1 b 防撞墩平面布置圖

圖1 b 防撞墩截面布置圖

以防撞頂面墩設(shè)計為例，由上圖可知，防撞墩主要采用的是鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)形式，其長寬和壁厚都依據(jù)其性能進(jìn)行了嚴(yán)格限制，而為了增強(qiáng)其抗撞力，依據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》采用規(guī)格的鋼材和混凝土也是應(yīng)當(dāng)遵循的原則之一。

結(jié)束語

總而言之，在進(jìn)行跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設(shè)計時，需要考量的重要問題便是橋梁支架（或橋墩）最大抗撞力的計算，只有基于橋梁船舶撞擊力進(jìn)行防撞設(shè)計，方可滿足設(shè)計要求。

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