橋梁防撞方案比較及加強(qiáng)管理建議

李忠俊

【摘 要】 橋梁是我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要設(shè)施。船舶一旦發(fā)生撞橋事故，對(duì)水路和陸路運(yùn)輸將產(chǎn)生不可估量的損失。從防止船舶撞橋角度出發(fā)，計(jì)算船舶碰撞力，從硬件建設(shè)和軟件管理兩方面提出橋梁防撞的建議。研究結(jié)果表明，浮式消能防撞設(shè)施和人工島防撞設(shè)施對(duì)于防止橋墩受沖撞有重要作用，進(jìn)而比較兩種防撞設(shè)施的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，加強(qiáng)橋區(qū)通航監(jiān)管也是橋梁防撞的重要措施之一。

【關(guān)鍵詞】 橋梁；防撞；人工島；消能防撞；通航監(jiān)管

0 引 言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)跨海和跨江橋梁越來(lái)越多。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)主要的三大內(nèi)陸航運(yùn)水系，即長(zhǎng)江水系、珠江水系和京杭運(yùn)河水系，現(xiàn)有各種橋梁近300座，其中長(zhǎng)江水系和珠江水系分別有100多座，京杭運(yùn)河水系有50余座。[1-3] 我國(guó)沿海地區(qū)已建和擬建的跨海大橋有東海大橋、杭州灣大橋、舟山跨海大橋、廈漳跨海大橋、瓊州海峽跨海大橋和港珠澳大橋等。橋梁不僅能給交通運(yùn)輸帶來(lái)方便，更重要的是能促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。如東海大橋連接上海南匯新城與大小洋山，同時(shí)東海大橋工程是上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路運(yùn)輸和供水、供電、通信等需求提供服務(wù)；杭州灣跨海大橋的建設(shè)對(duì)于杭州灣整個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展都具有深遠(yuǎn)而重大的戰(zhàn)略意義。

橋梁能有效地改善陸上交通并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但是橋梁建成以后，由于通航水域流態(tài)變得復(fù)雜，且通航密度加大，導(dǎo)致橋區(qū)交通事故頻發(fā)。[4-5]如黃石長(zhǎng)江大橋，由于選址在水運(yùn)繁忙而河道彎曲的水域，加上駕駛?cè)藛T的疏忽，導(dǎo)致黃石大橋水域碰撞不斷，僅在1993年4月16日至9月16日的147天中，就發(fā)生撞橋事故16起，沉船9艘，造成直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百萬(wàn)元。據(jù)長(zhǎng)江海事局統(tǒng)計(jì)，截至2003年8月，長(zhǎng)江干線共發(fā)生船橋相撞事故120多起。2007年6月15日，廣東九江大橋被船撞塌，造成嚴(yán)重的人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)億元。浙江沿海舉世矚目的舟山跨海大橋，分別于2008年3月27日和2009年11月16日發(fā)生船舶撞橋事故，造成人員失蹤、船舶下沉和橋墩損壞。由此看來(lái)，橋梁防撞對(duì)于保障水路運(yùn)輸發(fā)展有著重要意義。

1 船舶碰撞力的計(jì)算

船舶碰撞力的計(jì)算有許多種方法，包括經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、動(dòng)力數(shù)值模擬法、有限元瞬間動(dòng)力分析法等。[6-7] 上述三種方法都有實(shí)際應(yīng)用。包括我國(guó)的公路、鐵路規(guī)范在內(nèi)，世界上不同組織已提出數(shù)十種船舶撞擊橋墩的碰撞力計(jì)算公式。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法快捷簡(jiǎn)便，適合在無(wú)詳細(xì)的船舶撞擊力資料時(shí)使用，但不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果可能相差較大。

船舶碰撞動(dòng)力數(shù)值模擬法通過(guò)研究船舶碰撞的內(nèi)部機(jī)理和外部機(jī)理，建立船舶碰撞的動(dòng)力學(xué)模型，模擬船舶撞擊橋墩的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，獲得撞擊力、能量轉(zhuǎn)化、船舶破損長(zhǎng)度等結(jié)果，并可模擬分析船舶消能設(shè)施的實(shí)際消能過(guò)程。動(dòng)力數(shù)值模擬法考慮實(shí)際船舶撞擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)特性、船舶周圍水動(dòng)力作用、橋墩剛度和形狀，結(jié)果更符合實(shí)際情況。

有限元瞬間動(dòng)力分析法通過(guò)建立撞擊船舶、橋墩有限元模型，利用非線性有限元瞬間動(dòng)力方法計(jì)算船舶碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形、失穩(wěn)、破損，考慮材料動(dòng)力屈服應(yīng)變力敏感性。該方法建模工作量大，計(jì)算費(fèi)時(shí)，在世界范圍內(nèi)（包括我國(guó)）較少使用。

在本研究中采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計(jì)算。美國(guó)國(guó)家高速公路和交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)（AASHTO）指導(dǎo)性規(guī)范提供的公式為

Ps=1.2 €？105 v（1）

式中：Ps為船舶碰撞力，N；v為撞擊速度，kn；GDWT為撞擊船舶載重噸位，t。

假設(shè)代表船型為3 000 t，其航速為6 kn，按照上式計(jì)算出的撞擊力為3.29 €？107 N。由此看來(lái)，即使船舶低速航行時(shí)的撞橋沖擊力也是較大的，因此有必要做好防范措施。

2 橋梁防撞方案

2.1 浮式消能防撞和人工島防撞

浮式消能防撞方案，即在橋墩周圍安裝浮式消能防撞設(shè)施。浮式消能防撞設(shè)施主要由鋼結(jié)構(gòu)主體、消能箱和橡膠件組成，主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括甲板、平臺(tái)、底板和縱橫隔板，含防腐措施。浮式消能防撞設(shè)施本身有一定的強(qiáng)度，對(duì)于小型船舶的碰撞只有局部損傷，消能箱破損消能。對(duì)于大型船舶的高能碰撞，浮式消能設(shè)施通過(guò)消能箱及橡膠件的破損來(lái)消能，減小船舶的撞擊力，確保橋墩、承臺(tái)不受損。防撞設(shè)施在碰撞后可進(jìn)行修復(fù)，繼續(xù)使用。不同類型橡膠件的性能見(jiàn)表1和表2。浮式消能防撞方案的主要優(yōu)點(diǎn)：防撞設(shè)施制造成本適中；防撞功能可靠，防腐壽命15～20年；占用航道寬度相對(duì)較小，易符合航道凈寬要求。浮式消能防撞方案的主要缺點(diǎn)是低水位時(shí)設(shè)施與承臺(tái)接觸面積偏小。

人工島防撞方案，即在橋墩周圍構(gòu)筑由沙、石塊組成的人工島。在船舶與人工島發(fā)生碰撞時(shí)，人工島變形損傷，同時(shí)使碰撞船舶擱淺。人工島防撞方案的主要優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，無(wú)需保養(yǎng)。人工島防撞方案的主要缺點(diǎn)：建造工程量大，初始投資成本高，會(huì)影響航道寬度。

2.2 防撞方案對(duì)比

將以上兩種防撞方案進(jìn)行對(duì)比，則可以發(fā)現(xiàn)：雖然人工島方案具有壽命長(zhǎng)、無(wú)需保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但建造工程量大、初始投資成本高，更為不利的是采用這種方案會(huì)影響橋梁主通航孔的通航凈寬；而浮式消能防撞設(shè)施的防撞功能可靠，防腐壽命有15～20年，同時(shí)占用航道寬度相對(duì)較小。因此，如果從降低投資成本的角度考慮，或在水域比較受限的橋區(qū)，建議采用浮式消能防撞設(shè)施；如果通航水域?qū)掗?，資金較充裕，則建議在橋區(qū)修建人工島。

3 橋梁防撞安全管理建議

根據(jù)上述研究結(jié)果，結(jié)合國(guó)際上橋梁建筑的風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則，綜合分析擬建大橋橋區(qū)影響船舶通航安全的因素和橋梁抗撞力，提出以下預(yù)防或減小船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)的措施及加強(qiáng)安全管理的建議，以確保通航船舶和大橋的安全。

（1）大橋建成后，大橋管理部門必須全天候監(jiān)控橋區(qū)船舶動(dòng)態(tài)，維護(hù)過(guò)往船舶的通航秩序；海事管理部門應(yīng)制定嚴(yán)格的橋區(qū)通航安全管理規(guī)定，提出合理的航行方法，完善橋區(qū)水域?qū)Ш胶椭皆O(shè)施。

（2）為有效防止橋區(qū)失控船舶碰撞橋墩，建議在橋區(qū)建立以海事管理部門為指揮中心的“橋區(qū)失控船舶應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)”，配備拖船等救助設(shè)施和通信設(shè)施，確保船舶一旦在橋區(qū)失控能得到及時(shí)有效的救助，保障大橋安全。

（3）大橋管理單位應(yīng)加強(qiáng)橋墩周圍防撞消能設(shè)施的管理，在防撞設(shè)施周圍設(shè)置警示浮標(biāo)，避免船首碰觸大橋塔柱和橋墩基礎(chǔ)造成局部破損，尤其要始終確保主墩的消能設(shè)施能承受設(shè)計(jì)最大代表船舶失控的撞擊。

（4）船舶駕駛?cè)藛T在橋區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎駕駛，及時(shí)通知船長(zhǎng)上駕駛臺(tái)，派專人到船頭瞭望，同時(shí)注意備車備錨。當(dāng)風(fēng)流較大或通航密度較大時(shí)，應(yīng)在過(guò)橋前拋錨，等待最佳時(shí)機(jī)通過(guò)橋區(qū)。在橋區(qū)通航時(shí)應(yīng)減速慢行，必要時(shí)可用維持舵效的安全航速通過(guò)。

4 結(jié) 論

橋梁能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是如果對(duì)橋區(qū)的防護(hù)措施不當(dāng)或駕駛?cè)藛T操縱船舶不當(dāng)，容易導(dǎo)致船舶撞橋事故的發(fā)生，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。橋梁防撞在硬件和軟件上都要采取有效的預(yù)防措施：在硬件上，可在橋墩周圍設(shè)置浮式消能防撞設(shè)施或建人工島防撞設(shè)施；在軟件上，各相關(guān)單位應(yīng)對(duì)船舶過(guò)橋加強(qiáng)監(jiān)管，做到防患于未然。

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