泥灣門-雞啼門水道航道整治工程尖峰大橋防撞方案選擇

程宗健

摘 要：目前廣東省航運需求日益加大，內河貨運船舶船型大型化發(fā)展明顯，提高航道等級適應日益增長的貨運量需求成為迫切的需要，然而部分航道上的橋梁通航凈寬不能滿足規(guī)范規(guī)定的要求，需采取防撞措施來解決。本文通過介紹泥灣門-雞啼門水道航道整治工程中尖峰大橋防撞方案的選擇實例，為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：航道整治工程 大橋 防撞方案 選擇

1.泥灣門-雞啼門水道航道整治工程概況

泥灣門-雞啼門水道從竹洲頭至小木乃44km按內河Ⅲ級，通航1000噸級港澳線船舶標準整治建設，航道設計尺度為：4.0m×80m×480m。按內河通航標準，該水道跨過河建筑物單向通航孔通航凈寬不應小于55m，雙向通航孔凈寬不應小于110m。

本工程河段內的跨河橋梁共7座，有6座橋梁的通航凈寬完全滿足規(guī)范要求，只有尖峰大橋凈寬不滿足規(guī)范要求。

2.尖峰大橋通航孔凈寬尺度分析

尖峰大橋1994年建成，設兩個通航孔，凈寬分別為75m、48m。根據《內河通航標準》水上過河建筑物通航凈寬的計算方法按1000噸級港澳線船舶計算，通航凈寬要求為不小39m，雙向通航孔凈寬不應小于79m。尖峰大橋凈寬滿足根據設計代表船型主尺度計算所需凈寬，但不滿足規(guī)范要求。因此，需采取一定的措施后方可滿足1000噸級船舶安全通航的要求。

3.橋墩防撞能力評估

3. 1 船舶撞擊力計算

船舶撞擊力的計算有多種方法，包括經驗公式計算法、動力數值模擬法、有限元瞬態(tài)動力分析法等。

經驗公式計算法是在一定的物理、力學原理基礎上，經過大量的實踐總結出來的半理論半經驗公式。由于目前沒有完善的船橋撞擊力計算的理論體系，采用經驗計算法計算船舶撞擊力有著簡便、快捷、實用，并且在使用過程中尚未出現(xiàn)大的工程質量、安全問題，因此經驗公式計算法得到了廣泛應用。目前船舶撞擊力的計算公式較多，常見的有《公路橋涵通用規(guī)范》（JTGD60-2004）、《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（TB1002.1-2005）、美國AASHTO公式、敏諾斯基-捷勒-沃易蓀公式等，各種計算公式的結果出入相對較大。

船舶碰撞動力數值模擬法是通過研究船舶碰撞的內部機理、外部機理，建立船舶碰撞的動力學模型，模擬船舶撞擊的動力學過程，獲得撞擊力、能量轉化、船舶破損等結果。

有限元瞬態(tài)動力分析法通過建立撞擊船舶、橋墩有限元模型，利用非線性有限元瞬態(tài)動力方法計算船舶碰撞過程中結構的變形、失穩(wěn)、破損。

通過對上述公式分析，我國公路及鐵路規(guī)范考慮到沖撞的動態(tài)屬性，較為符合物理學的動態(tài)原理，也較為符合國內的實際情況。國外公式往往只考慮船舶的質量和速度，用一個簡單的方次或者一個綜合的系數表示，計算出的數值普遍偏大。國內規(guī)范中，公路規(guī)范引入沖量公式，含有沖撞時間，是最符合物理分析的方法。而本橋是一座公路橋，因此，推薦選用《公路橋涵通用規(guī)范》的計算結果作為本項目撞擊力的標準值較符合實際。按設計代表船型計算，船舶橫橋向撞擊力為6.3MN，順橋向撞擊力為3.2MN。

3.2橋梁的防撞能力評估

原有橋墩基礎6根直徑1.5m的灌注樁，樁基主筋為28根HRB335直徑25mm的鋼筋。根據地質條件、承臺與河床位置關系和樁基的配筋，可計算出結構所能承受的最大水平抗力值。經計算，橋墩水平抗力為4.3MN，小于船舶撞擊力，不滿足抗力要求，需采取防撞措施。

采用有限元瞬態(tài)動力分析法仿真1000噸港澳船在高水位滿載時與原橋墩正碰的情況。綜合考慮通航水位、碰撞夾角、碰撞速度和船舶裝載等因素，高水位滿載正碰為結構的安全控制工況。仿真結果顯示，橋墩受撞后在樁基頂部發(fā)生斷裂，船舶反彈時樁基回擺，最后墩頂殘余位移為1.1cm，表明橋墩無法承載船舶高水位滿載正向碰撞。

4.橋梁防撞方案

4. 1常見的防撞方式

橋梁防撞在國外發(fā)展有幾十年的歷史，而國內近幾年隨著水運行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對安全意識的不斷提高，對橋梁防撞越來越重視。根據日本學者巖井聰的分類，將防船撞設施分為直接結構和間接結構：

（1）間接結構體系：常見的有防撞墩、防撞島、樁群、沉井、鋼板樁圍堰、鋼船、重力錨等；

（2）直接結構體系：附著式橡膠護弦、鋼箱、阻尼柔性防撞元件、移動重力擺、粘滯性防撞圈等。

4.2各種防撞方式的優(yōu)劣對比

目前我國長江流域、珠江流域跨河橋梁采用防撞墩、浮箱、浮式復合材料、群樁、人工島等較為普遍。

防撞墩一般用于橋梁自身抗力較差的橋梁防撞，其特點是跟橋梁保持一定的距離，當船舶在失控或者走錨等意外情況發(fā)生時，船舶首先與防撞墩發(fā)生碰撞，削弱來船的沖撞力。該類防撞設施其施工技術成熟，日后的維護管理方便。

浮式防撞一般用于橋區(qū)水位落差大的橋梁防撞，其特點是防護裝置可以隨水位上下浮動，通過自身的變形來實現(xiàn)船舶撞擊能量的轉換。但對抵抗船舶撞擊所起到的作用都非常有限，根據其作用機理，當浮式防撞跟船舶碰撞時，大約可以消減來船20%～35%的撞擊能量，因此，該裝置并不適用于自身抗力較差的橋梁，同時，該裝置體積比較龐大，對于有通航凈寬限制的橋梁，不宜采用。

其他如群樁、人工島、移動重力擺、重力錨等防撞裝置，自身有一定的優(yōu)點也有其限制性因素。

4.3防撞方式的選取

結合各類防撞方式的特性，從橋梁結構尺寸、自身抗力、通航凈空尺度、防撞水位等方面情況，考慮采用分離式防撞墩和浮式防撞兩種方式進行比選，并根據施工難易程度、日常維護難易度、水位適應性、工程造價、防護效果等方面進行分析，推薦最適合本工程橋梁的防撞設施方案。

（1）分離式防撞墩

船舶與橋梁碰撞，一般是在船舶機械故障、走錨、航路選擇錯誤等情況下發(fā)生，或洪水期船舶航路出現(xiàn)異常等情況，具有方向的不確定性，為了更好的保護橋梁的安全，擬在通航孔兩側橋墩上、下游各設一個分離式防撞墩，共設6座分離式防撞墩。考慮防撞墩結構及施工對橋梁結構的影響，分離式防撞墩的結構邊緣距橋梁外邊緣距離為5m。

分離式防撞墩長度為11.25m，寬度為5.9m，外圍安裝橡膠護舷后，防撞設施總的寬度與通航孔兩側橋墩承臺一致為6.5m，與通航孔兩側橋墩承臺平齊。

分離式防撞墩由樁基、承臺、附著式橡膠護舷三大部分組成，其中樁基采用6根直徑為1.5m的灌注樁，縱向樁間距為3.75m，橫向樁間距為3.3m，樁長42.2m，其中入土部分長約37m。

（2）浮式防撞

浮式防撞必須有固定的載體，通常將其安裝在橋墩處，沿橋墩上下浮動。浮式柔性防撞設施集強度、剛度、耐久性于一體，是一種采用復合材料的浮式柔性防撞設施。該設施由多個復合材料板梁結構的密封艙室、桁架支撐結構組成的多艙室復合材料防撞體，防撞體內部填充緩沖吸能材料，安裝在橋墩四周。

根據1000噸港澳線船舶的特性，結合本橋梁的實際情況，防撞設施順水流方向迎擊面結構厚度為4m，垂直水流方向側碰面結構厚度為2m，可對橋墩起到較好的保護作用，橋墩抗撞力可提升約25%。

4.4方案比選及推薦方案

以上兩個防撞方案都可以在一定程度上削減來船的撞擊能量，也是近幾年在橋梁防撞工程中運用比較多的方式。采用分離式防撞墩，對橋梁結構無影響，來船撞擊防撞墩時對橋梁起到“丟車保帥”的作用。

采用浮式柔性防撞，對于水位落差大的橋梁非常適用，對橋梁在任何水位下均起到良好的保護作用，但是其占用通航凈寬范圍過大，同時，該防撞體系是以橋墩為依托，更多的能量將傳遞給固定該裝置的橋墩，考慮尖峰大橋橋墩基礎自身結構抗力較差，因此推薦采用分離式防撞墩方案。

5.防撞設施效果驗證

經計算，本方案防撞墩水平抗力可達9.5MN，大于船舶撞擊力，理論上可滿足抗力要求。為驗證防撞墩的防撞效果，采用有限元瞬態(tài)動力分析法來驗證其可靠性。

根據防撞墩的結構、工程河段的地質情況、水流特征等，采用1000噸級港澳線船舶，對防撞墩、船舶碰撞進行數值仿真分析。對同一碰撞速度，在豎直方向考慮了最低通航水位滿載情況、最高通航水位滿載情況和最高通航水位空載情況，選擇最危險工況進行計算。通過對工況1（滿載+高水位+正碰）、工況2（滿載+低水位+正碰）、工況3（滿載+高水位+側碰）、工況4（滿載+低水位+側碰）、工況5（空載+高水位+正碰）等5種工況進行數值仿真分析，船舶與防撞墩橫向最大瞬時撞擊力為8.62MN，防撞墩最大位移為5.7cm，最大殘余位移3mm。樁頂未發(fā)生斷裂破損，防撞墩的變位發(fā)生在彈性范圍內，變形基本可以恢復。

6.結語

結合船舶承載情況、撞擊水位、撞擊角度、樁基及地質情況、材料性能等邊界條件，通過建立“整船-防撞墩-橋墩-地基基礎”三維有限元模型，分析防撞墩防護效果。經驗證，船舶與防撞墩碰撞后，防撞墩有效吸收了船舶動能，避免了船舶與橋墩的直接碰撞，減少了船舶對橋梁的撞擊風險，在保護橋梁自身安全方面可達到預期的效果。