川槎大橋通航孔水上防撞限高架設(shè)計(jì)研究

徐光中

摘 要：船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)是船舶撞擊橋梁事故的種類(lèi)之一，此類(lèi)事故頻繁發(fā)生，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)危害很大，本文介紹了水上限高防撞架的設(shè)計(jì)及施工方法，可為橋梁上部結(jié)構(gòu)防止船撞的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

關(guān)鍵詞：船撞橋梁上部結(jié)構(gòu) 橋梁防撞 防撞裝置

1.引言

由于船舶大型化日益明顯，許多高噸位的大船卻選擇了走低等級(jí)的航道，導(dǎo)致船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故呈不斷上升趨勢(shì)，我國(guó)對(duì)船橋碰撞的研究起步比較晚，直到上世紀(jì)90年代才開(kāi)始。我國(guó)的船撞橋事故的研究工作，主要依靠研究學(xué)者結(jié)合國(guó)內(nèi)的橋梁項(xiàng)目的防撞設(shè)施實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，研究?jī)?nèi)容主要為船橋撞擊力的計(jì)算，橋墩附近的水域?qū)Υ昂叫械陌踩杂绊懙?，而其中，?duì)于船舶撞擊橋梁的撞擊力研究多為船舶撞擊橋墩的相關(guān)課題，關(guān)于船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少，然而超過(guò)橋梁通航凈空的船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故近年來(lái)卻頻繁發(fā)生，國(guó)內(nèi)外的預(yù)防措施多為設(shè)置通航警示、加強(qiáng)監(jiān)督等，但效果往往不甚理想，如能在橋梁旁側(cè)設(shè)置水上限高防撞結(jié)構(gòu)攔截超高船舶，則是釜底抽薪的有效辦法，而關(guān)于橋梁防撞限高架的設(shè)計(jì)與實(shí)施目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。

船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)所引發(fā)的事故輕則造成橋梁上部結(jié)構(gòu)損傷，重則造成橋梁上部結(jié)構(gòu)整體垮塌，帶來(lái)重大生命財(cái)產(chǎn)損失，因此為了減少橋梁上部結(jié)構(gòu)遭受船舶超高部分撞擊事故的發(fā)生，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，開(kāi)展對(duì)于超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)及對(duì)防范設(shè)施的研究設(shè)計(jì)工作是必要而且緊迫的。

2.工程概況

川槎大橋川槎大橋建成于1995年，橋址位于廣深高速麻涌至望牛墩之間路段，橫跨倒運(yùn)海水道，在倒運(yùn)海水道獅子洋——斗朗段中上游，其所在航道的規(guī)劃等級(jí)為Ⅳ級(jí)，規(guī)劃通航船舶為500t級(jí)，川槎大橋?yàn)楣窐蛄海p向六車(chē)道，橋梁橫斷面為等寬段雙幅采用上下行分離式橋面，單幅橋?qū)?5.75m，總長(zhǎng)670m。

近年以來(lái)，川槎大橋上部結(jié)構(gòu)多次遭超過(guò)通航凈空高度的船舶碰撞，其中包括1000～2000噸級(jí)船舶，2013年至2016年發(fā)生數(shù)起比較嚴(yán)重的碰撞事件，并造成橋梁上部結(jié)構(gòu)部分T梁受損，雖采取多種措施，但效果仍不理想，為確保橋梁安全，需建一座水上防撞限高架攔截超高船舶。

3.防撞限高架的平面布置

平面布置方案以對(duì)孔布置及不減少現(xiàn)有通航孔通航凈空尺度為原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及與相關(guān)等部門(mén)溝通成果及相關(guān)規(guī)范、規(guī)程，共布置三個(gè)平面方案。

3.1 總平面方案一

（1）布置原則：①通航孔對(duì)孔布置；②不改變?cè)ê娇變艨粘叨?；③參照《?nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）中“當(dāng)兩座相鄰水上過(guò)河建筑物的軸線間距不能滿足要求，且其所處通航水域無(wú)礙航水流時(shí)，應(yīng)靠近布置，兩建筑物間相鄰邊緣距離應(yīng)控制在50m以內(nèi)，且通航孔必須相互對(duì)應(yīng)”要求布置。

（2）平面布置：距川槎大橋橋梁上下游邊緣約32m處各布置1座限高架，即限高架與橋梁內(nèi)邊緣距離為32m，共布置2座限高架。限高架跨徑組合為2×72.5m，長(zhǎng)145m。限高架橋墩與川槎大橋橋墩順?biāo)鞣较驅(qū)?yīng)布置。

受限高架的影響，橋區(qū)航道相應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的航道直線段距限高架上邊緣不小于200m。調(diào)整后，上游最近一座碼頭水域與航道有交叉。

3.2 總平面方案二

（1）布置原則：①通航孔對(duì)孔布置；②不改變?cè)ê娇變艨粘叨?；③將可能撞擊橋梁的船舶攔截在遠(yuǎn)離橋梁位置，限高架遠(yuǎn)離橋梁布置。

（2）平面布置：考慮到上游彎道的影響，橋區(qū)航道直線段布置困難，限高架超過(guò)100m布置，航道邊線將布置到上游右岸岸坡上，因此，在距川槎大橋橋梁上下游邊緣約100m處布置1座限高架，即限高架與橋梁內(nèi)邊緣距離為100m，共布置2座限高架。限高架跨徑組合為2×72.5m，長(zhǎng)145m。限高架橋墩與川槎大橋橋墩順?biāo)鞣较驅(qū)?yīng)布置。

受限高架的影響，橋區(qū)航道相應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的航道直線段距限高架上邊緣不小于200m。調(diào)整后，對(duì)上游兩座碼頭影響較大。

3.3 總平面方案三

（1）布置原則：①通航孔對(duì)孔布置；②不改變?cè)ê娇變艨粘叨龋虎蹍⒄铡秲?nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014），靠近布置的水上過(guò)河建筑物不宜超過(guò)2座，為避免產(chǎn)生“巷道效應(yīng)”，限高架對(duì)應(yīng)通航孔位置布置。

（2）平面布置：根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014），靠近布置的水上過(guò)河建筑物不宜超過(guò)2座，為避免產(chǎn)生“巷道效應(yīng)”，限高架對(duì)應(yīng)通航孔位置布置。即上下游各布置1跨跨度為72.5m的限高架，限高架與橋梁內(nèi)邊緣距離為40m，共布置2座限高架。限高架橋墩與川槎大橋橋墩順?biāo)鞣较驅(qū)?yīng)布置。在背離船舶一側(cè)通航孔設(shè)置禁航標(biāo)志。

受限高架的影響，橋區(qū)航道相應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的航道直線段距限高架上邊緣不小于200m。調(diào)整后，上游最近一座碼頭水域與航道有交叉。

3.4 方案比選

各方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

綜上對(duì)比，方案一限高架距橋邊緣距離約32m，滿足現(xiàn)行《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）兩建筑物間相鄰邊緣距離應(yīng)控制在50m以內(nèi)的要求，三座建筑物形成一定的“巷道效應(yīng)”，對(duì)船舶駕駛會(huì)產(chǎn)生一定的壓迫感，但相比方案二，方案一與橋梁距離更近，可避免超高船舶繞過(guò)限高架從而躲避攔截，而方案三采用單跨布置，則不按通航規(guī)定或不熟悉該水域的通航船舶，可能會(huì)避開(kāi)限高架誤從另一孔通行進(jìn)而撞擊橋梁，采用雙跨布置可有效避免此情況發(fā)生。因此，將平面方案一作為平面推薦方案。

4.防撞限高架結(jié)構(gòu)方案

4.1方案比選

本次防撞方案擬采用剛性方案和柔性方案進(jìn)行比選，剛性方案采用鋼桁架結(jié)構(gòu)型式，柔性方案采用拉索結(jié)構(gòu)型式。

（1）鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。限高主體結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，2跨連續(xù)，總長(zhǎng)145m，桁架高2m，寬5.2m。

鋼桁架受到船舶撞擊時(shí)，若撞擊位置恰好在鋼桁架節(jié)點(diǎn)處，則撞擊力能有效快速地傳遞分散至其他桿件，形成整體受力；若撞擊位置不在鋼桁架節(jié)點(diǎn)處，則巨大的撞擊集中力將使撞擊處的桿件迅速破壞，因此，為了能夠盡量擴(kuò)散船舶撞擊力，在鋼桁架迎撞面設(shè)置向外突出的結(jié)構(gòu)，由加厚鋼板組成，斷面為“]”形。外突出的“]”形結(jié)構(gòu)正面設(shè)置一層豎向的加厚鋼板，長(zhǎng)145m，高2m，厚2.5cm，頂部與底層分別各設(shè)置兩層水平加厚鋼板，長(zhǎng)145m，寬0.4m，每層厚2.5cm。

鋼桁架各構(gòu)件尺寸如表2。

鋼桁架各構(gòu)件鋼材材質(zhì)均采用Q345B。

迎撞面的豎向鋼板上設(shè)置柔性防撞護(hù)舷，以盡量降低船舶撞擊力。

（2）拉索結(jié)構(gòu)型式。拉索結(jié)構(gòu)型式采用柔性結(jié)構(gòu)，型式新穎，在拉索端部的處理上，具有一定的靈活性，拉索兩端采用錨固的方法，固定于左、右兩端承臺(tái)。

該方案的限高主體結(jié)構(gòu)采用拉索緩沖耗散船舶撞擊能量，采用吊索將下方主拉索懸掛于上方拉索上，下方主拉索與上方拉索均通過(guò)鋼索塔定位，索端錨碇于混凝土承臺(tái)內(nèi)，拉索合力對(duì)船舶做負(fù)功抵抗消耗超高船舶的運(yùn)動(dòng)能量。

綜合表3優(yōu)缺點(diǎn)分析，鋼桁架方案防護(hù)效果更好，使用維修方便，且總造價(jià)更省，推薦采用鋼桁架方案。

4.2防撞限高架結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）撞擊力的確定。結(jié)合對(duì)倒運(yùn)海水道實(shí)際航行的各貨種船型分析，進(jìn)一步分析典型過(guò)橋船舶，并考慮到船舶大型化發(fā)展趨勢(shì)，提出在95%保證率下防撞設(shè)計(jì)的代表船型為2000噸級(jí)船舶，設(shè)計(jì)撞擊速度為3.5m/s。

船舶撞擊限高架上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撞擊力，目前國(guó)內(nèi)未有規(guī)范進(jìn)行規(guī)定，參考《公路橋梁船舶撞擊指導(dǎo)性規(guī)范》（美國(guó)AASHTO）、《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（美國(guó)AASHTO）進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（美國(guó)AASHO），船舶對(duì)橋墩的正面撞擊力可按下式計(jì)算：

（2）計(jì)算結(jié)果。結(jié)構(gòu)采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所得各工況內(nèi)力如表4所示。

表4顯示，限高鋼桁架最大馮米塞斯等效應(yīng)力為176Mpa<295Mpa，結(jié)構(gòu)承載能力滿足規(guī)范要求。

5.防撞限高架施工

防撞限高架施工主要工序包括：水中貝雷架便橋與鋼平臺(tái)搭設(shè)、鋼管樁制作及沉樁、樁芯鋼筋混凝土施工、下承臺(tái)施工、墩臺(tái)施工、鋼桁架制作與運(yùn)輸安裝、防撞緩沖設(shè)施安裝。

（1）貝雷架便橋與鋼平臺(tái)搭設(shè)。臨時(shí)施工平臺(tái)是水上施工生產(chǎn)的工作場(chǎng)地，其主要功能是作為鋼護(hù)筒下放及樁基礎(chǔ)施工平臺(tái)，并作為打樁設(shè)備、材料堆放場(chǎng)地，便于鋼護(hù)筒下放及樁基礎(chǔ)施工，樁基礎(chǔ)施工完成后能為后續(xù)的墩臺(tái)、墩身及上部構(gòu)造的施工繼續(xù)提供服務(wù)及簡(jiǎn)單工作場(chǎng)地。

貝雷梁棧橋及鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)從下至上依次為：Φ600mmδ8mm鋼管樁樁基、2×工36a雙拼工字鋼橫梁、貝雷架縱梁、工25a雙拼工字鋼橫梁、20a槽鋼橋面系。

其中，鋼管樁下沉采用懸打法施工，用 50t 履帶式起重機(jī)或80t浮吊配合DZ60液壓振動(dòng)樁錘施沉鋼管樁。履帶式起重機(jī)停放在已施工完成的棧橋橋面上，吊裝裝配式懸臂定位導(dǎo)向架，利用懸臂定位導(dǎo)向架精確打入棧橋及鋼平臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁。

（2）鋼管樁沉樁與樁芯混凝土施工。鋼管樁加工制作選擇專業(yè)化鋼管樁制作公司進(jìn)行數(shù)控全機(jī)械化加工制作，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，對(duì)已加工成型的鋼管樁須進(jìn)行焊縫相關(guān)檢測(cè)，待檢測(cè)合格后，進(jìn)行涂裝施工。

鋼管樁沉樁前， 須測(cè)量放樣樁基中心順橋向軸線，準(zhǔn)確定位樁基定位架位置，通過(guò)在施工平臺(tái)上安裝定位架，確保鋼管樁精確就位。

本工程鋼管樁需打入強(qiáng)風(fēng)化巖，對(duì)打樁設(shè)備要求較高，但由于航道等級(jí)較低、橋梁通航凈空不足的因素，打樁船無(wú)法進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)，需利用100噸履帶吊駐位于貝雷架鋼平臺(tái)上，直接懸吊液壓打樁錘（含樁、管帽）套接在鋼管樁上進(jìn)行沉樁施工。

鋼管樁通過(guò)大型船舶運(yùn)輸?shù)轿唬笮透〉蹙臀?，利用浮吊將樁基鋼管樁吊裝到導(dǎo)向架內(nèi)腔，鋼管樁在導(dǎo)向架的導(dǎo)向作用下垂直下沉到河床底，并依靠其自重嵌入覆蓋層，鋼管樁下沉穩(wěn)定后，可松開(kāi)吊鉤。待鋼管樁通過(guò)自重下沉穩(wěn)定后，用浮吊將 YC30液壓振動(dòng)樁錘（帶樁、管帽一并）起吊到鋼管樁頂口，利用樁帽直接嵌入鋼管樁頂，緩慢松下部分起吊重量，通過(guò)樁錘自重壓力使鋼管樁繼續(xù)下沉，直至下沉穩(wěn)定后，待檢查鋼管樁垂直度滿足要求后，開(kāi)始啟動(dòng)打樁作業(yè)。

待樁基鋼管樁錘擊沉入設(shè)計(jì)要求后，采用回旋鉆機(jī)鉆孔清渣，然后下放鋼筋籠，二次清空后進(jìn)行水下混凝土澆筑施工。

（3）下承臺(tái)施工。根據(jù)下承臺(tái)底標(biāo)高與水位標(biāo)高關(guān)系對(duì)比，通過(guò)水深調(diào)查，本次下承臺(tái)施工采用底板+側(cè)模組拼套箱施工，該套箱由底板橫向承重梁、 縱向分布梁、 墩臺(tái)底模面板、吊桿、反吊承重梁、側(cè)模及內(nèi)撐構(gòu)成。

下承臺(tái)施工分三個(gè)階段進(jìn)行：準(zhǔn)備階段、套箱安裝階段、下承臺(tái)實(shí)體施工階段。

（1）準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段包括下承臺(tái)底板材料加工、施工平臺(tái)轉(zhuǎn)換、反吊系統(tǒng)材料準(zhǔn)備等各項(xiàng)工作。

（2）套箱安裝階段

套箱安裝階段包括安裝反吊系統(tǒng)、底板鋪設(shè)、側(cè)模吊放安裝、抽水堵漏等各項(xiàng)工作。

（3）下承臺(tái)實(shí)體施工階段

下承臺(tái)實(shí)體施工階段包括樁頂處理、分兩階段鋼筋綁扎安裝、分兩階段澆筑下承臺(tái)混凝土、混凝土養(yǎng)生及套箱拆除等工作。

（4）墩臺(tái)施工

墩臺(tái)施工具體步驟為：

1、測(cè)量放樣樁頂標(biāo)高，割除樁基護(hù)筒剩余部分；

2、用風(fēng)鎬清除封底表面和樁基頂面浮渣和鑿除高出部分，同時(shí)清除樁基鋼筋和立柱上的浮銹；

3、根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，沿鋼管樁焊接加勁板；

4、模板支立、鋼筋加工、安裝及混凝土澆筑。

（5） 鋼桁架制作運(yùn)輸與安裝

鋼桁架制作程序包括：下料、加工、拼裝、防腐涂裝、檢測(cè)，現(xiàn)重點(diǎn)介紹鋼桁架的安裝，

本次鋼桁架結(jié)構(gòu)采用大型船舶運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，利用大型浮吊將70m/跨逐個(gè)抬吊安裝，吊裝過(guò)程須全封閉航道。

鋼桁架吊裝工藝流程：吊座安裝（吊裝委托加工）→起重船駐位→安裝吊索具→起吊 、移船→運(yùn)輸駁駐位（運(yùn)輸駁改造加固）→鋼桁架落駁加固→起重船、運(yùn)輸駁依次拖航至安裝現(xiàn)場(chǎng)駐位→鋼桁架起吊、運(yùn)輸駁撤出、安裝鋼桁架就位（現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作）→測(cè)量復(fù)核鋼桁架偏位（不合格則進(jìn)行調(diào)整）→起重船撤出安裝現(xiàn)場(chǎng)→進(jìn)行下一跨鋼桁架吊裝。

（6）防撞緩沖設(shè)施安裝

防撞緩沖設(shè)施為常規(guī)橡膠護(hù)舷，其中一部分橡膠護(hù)舷設(shè)置在下承臺(tái)周?chē)?，另外一部分設(shè)置在鋼桁架迎撞面豎直厚鋼板上。

下承臺(tái)在澆筑前應(yīng)設(shè)置預(yù)埋件，鋼桁架迎撞面豎直厚鋼板在安裝前應(yīng)鉆打螺栓孔，用于安裝橡膠護(hù)舷。

6. 結(jié)語(yǔ)

作為“全國(guó)首創(chuàng)”的水上限高防撞架工程，經(jīng)建設(shè)單位、使用單位及省市政府多部門(mén)反饋評(píng)價(jià)，自該水上鋼結(jié)構(gòu)限高防撞工程投入使用以來(lái)，未再出現(xiàn)船舶碰撞橋梁的事故，對(duì)于該水上限高防撞工程所發(fā)揮的防范船舶撞擊航道橋梁上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際效果均高度認(rèn)可，認(rèn)為其中“川槎大橋的防撞工程發(fā)揮著重要的警示預(yù)防作用”。

本水上鋼結(jié)構(gòu)限高防撞工程在國(guó)內(nèi)尚屬首例，既無(wú)相應(yīng)前例可供參考，也無(wú)明確對(duì)應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可供參照?qǐng)?zhí)行，本項(xiàng)目開(kāi)展的關(guān)于船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)防撞設(shè)施的研究和設(shè)計(jì)工作，可為今后國(guó)內(nèi)有關(guān)橋梁上部結(jié)構(gòu)的防撞工程設(shè)計(jì)起到先導(dǎo)和示范作用，同時(shí)可以為將來(lái)相關(guān)規(guī)范的編制提供有價(jià)值的參考。

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