關(guān)于水上防撞限高架結(jié)構(gòu)型式的探究

鄭宏鴻

摘 要：在珠三角地區(qū)，船舶大型化趨勢(shì)明顯，建設(shè)年代較早的橋梁通航凈高較低，時(shí)常發(fā)生超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故。在橋梁工程防撞設(shè)計(jì)中，通常只考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)，少有對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞的設(shè)計(jì)。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，提出一種新型的防撞方式，即修建水上限高架，并對(duì)其進(jìn)行探索研究，給出水上限高架結(jié)構(gòu)型式的適用范圍及應(yīng)用情況，為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)及參考。

關(guān)鍵詞：水上限高架 超高船舶 橋梁上部結(jié)構(gòu) 防撞

1.前言

近年來(lái)，隨著水運(yùn)行業(yè)大發(fā)展，整個(gè)珠三角地區(qū)水域船舶大型化趨勢(shì)明顯，航道升級(jí)發(fā)展迅速，而由于珠三角地區(qū)發(fā)展起步早，許多橋梁原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，通航凈高不足，兩者必然產(chǎn)生矛盾，體現(xiàn)為超高船舶撞擊橋梁上部的事故多發(fā)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁墩臺(tái)等下部結(jié)構(gòu)的防撞分析較多，對(duì)超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的研究較少。本文就超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的防撞措施展開(kāi)研究。

經(jīng)論證分析，通常防止超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)有以下措施：

（1）委托相關(guān)主管部門(mén)對(duì)通航橋梁按規(guī)范設(shè)置航標(biāo)，并委托專(zhuān)業(yè)單位對(duì)航標(biāo)進(jìn)行日常維護(hù)；

（2）安裝超高預(yù)警裝置，設(shè)置警示標(biāo)志，監(jiān)控船舶高度并警示船舶超高；

（3）設(shè)置電子標(biāo)高水尺，通過(guò)電子屏實(shí)時(shí)顯示水位高度；

（4）加強(qiáng)航道情況宣傳，加強(qiáng)海事監(jiān)督巡邏，避免不明航道情況的船舶通過(guò)橋梁。

以上措施為“軟措施”，主要起到預(yù)警作用，不能完全杜絕事故發(fā)生。在實(shí)際情況中，珠三角地區(qū)部分船舶對(duì)航道實(shí)時(shí)橋梁通航凈高判斷失誤，忽視警示信息，未按規(guī)定行駛，抱著僥幸心理，強(qiáng)行通過(guò)橋梁，造成撞擊橋梁事故。

水上防撞限高架——這新型的橋梁防撞形式，作為“硬措施”被提出。防撞原理是將限高架設(shè)置于橋梁上、下游側(cè)合適的位置，其通航凈高在滿(mǎn)足航道規(guī)定通航尺度的條件下，略低于橋梁通航凈高。超高船舶通過(guò)橋梁前，先與限高架刮擦或碰撞，在合理的保證率下被攔截下來(lái)，可有效避免與橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸。

限高架進(jìn)行防護(hù)的措施是在設(shè)置航標(biāo)、通航警示、加強(qiáng)監(jiān)督管理等有效措施之外的最可靠的措施，能有效警示和攔截的超高船舶。

2.水上限高架結(jié)構(gòu)型式

不同于行駛于道路的汽車(chē)，航行在水上的船舶制動(dòng)性較差，啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向、停船機(jī)動(dòng)性遠(yuǎn)不如汽車(chē)?？紤]到船舶制動(dòng)性差的特點(diǎn)，根據(jù)船舶撞擊水上限高架后是否立即停止的情況，水上限高架可分為剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)型式。

（1）剛性結(jié)構(gòu)。剛性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是船舶撞到剛性限高架后，基本不再向前行駛，屬于硬碰硬的攔截形式。

剛性結(jié)構(gòu)需要高強(qiáng)度的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)，以承受船舶產(chǎn)生的撞擊力。

（2）柔性結(jié)構(gòu)。柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是船舶撞到柔性限高架后，允許發(fā)生較長(zhǎng)距離的緩沖，在碰撞到橋梁之前停下來(lái)。

柔性結(jié)構(gòu)需要變形性、延展性、吸能性良好的上部結(jié)構(gòu)。

根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)，在實(shí)際項(xiàng)目中，分別對(duì)上部結(jié)構(gòu)為“鋼桁架結(jié)構(gòu)”和“固定拉索結(jié)構(gòu)”的兩種水上限高架進(jìn)行探究。

3.工程概況

工程項(xiàng)目地處東莞西北部，位于廣深高速麻涌至望牛墩之間路段，橋梁橫跨倒運(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)。

大橋平均每天船舶通過(guò)量約為30～50艘。通航船舶有散貨船、干貨船、平板船、自卸砂船、集裝箱船、打撈船等，以散貨船和干貨船為主。

倒運(yùn)海水道天然水深條件良好，地理位置優(yōu)越，實(shí)際航行于倒運(yùn)海水道的船舶大部分超過(guò)500t級(jí)。橋區(qū)船型艘次小船居多，實(shí)際2000噸級(jí)以下船舶占橋區(qū)船型總艘次達(dá)95%以上。根據(jù)船訊網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2000噸以下的船舶過(guò)橋艘次占到約96.3%。因此，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。

工程所屬航道的船舶航速無(wú)相關(guān)明文規(guī)定，根據(jù)河道內(nèi)橋區(qū)船舶實(shí)際航速的監(jiān)測(cè)，一般船舶航速在4節(jié)到10節(jié)之間，大部分船舶為4節(jié)～6節(jié)。參考其它水域航速有關(guān)規(guī)定，“除高速客船外，船舶航經(jīng)渡口水域時(shí)航速不得超過(guò)7節(jié)，其它水域航速不得超過(guò)12節(jié)?！蓖瞥龇雷补こ淘O(shè)計(jì)代表船速3.5m/s。

4.水上限高架結(jié)構(gòu)分析

4.1水上限高架的結(jié)構(gòu)型式

橋梁為雙孔單向通航，跨度72.5m。

（1）鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。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。

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，頂部設(shè)置一層水平的加厚鋼板。

鋼桁架底面存在被船舶上部構(gòu)件撞擊的可能，因此，鋼桁架底面設(shè)置一層鋼板。鋼桁架制作加工設(shè)置預(yù)拱度。

鋼桁架底面與承臺(tái)之設(shè)置橡膠支座。支座位于鋼桁架節(jié)點(diǎn)處，采用GJZF4 橡膠支座。鋼桁架側(cè)面與前后側(cè)墻之間填充緩沖材料。

迎撞面的鋼板前設(shè)置柔性防撞設(shè)施，以降低船舶撞擊力，見(jiàn)圖1、圖2。

（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，分為傳統(tǒng)的錨固式和考慮兼顧智能化收放索配套系統(tǒng)兩種型式。本文僅考慮錨固式。

索端錨固型式，拉索兩端采用錨固的方法，固定于左、右兩端承臺(tái)。

限高主體結(jié)構(gòu)采用拉索緩沖方案，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。

鋼索塔高14.6m，橫向?qū)挾葹?m，厚度1.5m，鋼索塔中心距為135.5m。吊索間距為5m，見(jiàn)圖3。

4.2水上限高架的結(jié)構(gòu)計(jì)算

船舶撞擊力根據(jù)美國(guó)《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（AASHTO）、ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算，綜合考慮2000t級(jí)船舶在3.5m/s的速度下，撞擊限高架上部結(jié)構(gòu)撞擊力取為3800kN。

（1）鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。采用A n s y s進(jìn)行計(jì)算，梁?jiǎn)卧捎玫氖荁 e a m 1 8 8，板單元采用的是shell181。中間墩臺(tái)處的鋼結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)只約束豎直方向自由度；左側(cè)墩臺(tái)處鋼桁架的所有節(jié)點(diǎn)，約束高度方向自由度，并且鋼桁架最后面支座的節(jié)點(diǎn)，約束行船方向和鋼桁架跨度方向自由度；右側(cè)墩臺(tái)鋼桁架的所有節(jié)點(diǎn)，約束豎直方向自由度，釋放行船方向自由度，見(jiàn)表1。

通過(guò)ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得出各結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，如表2、表3、表4所示。

通過(guò)ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

①?gòu)墓r3和13可以看出，作用于迎撞面鋼板的撞擊力對(duì)上弦桿產(chǎn)生有利扭矩，撞擊位置越靠下，有利扭矩越?。?/p>

②限高架迎撞面設(shè)置柔性防撞護(hù)舷能夠有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力；

③撞擊方向位移最大位移為0.12m，豎直方向最大位移0.15m；

④結(jié)構(gòu)馮米塞斯等效應(yīng)力最大值為233MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求，見(jiàn)圖4、圖5。

（2）拉索結(jié)構(gòu)型式。本結(jié)構(gòu)分別采用link10和link180進(jìn)行拉索的計(jì)算分析，得出的結(jié)果相近，本報(bào)告僅列出link180模型拉索的計(jì)算說(shuō)明。

拉索結(jié)構(gòu)方案，拉索跨度取67.5m，采用ANSYS有限元建模計(jì)算，拉索采用Link180進(jìn)行模擬。索單元 LINK180設(shè)置只能承受拉力不能承受壓力，并且施加初始應(yīng)力。

拉索面積為0.01365m2，索套管外徑 280mm，初始應(yīng)力為0.0001kPa。

拉索兩端施加全固結(jié)約束，上下兩根拉索通過(guò)鋼索塔的位置施加鉛錘向和橫向線(xiàn)約束，模擬拉索可伸縮的性質(zhì)，見(jiàn)圖6。

作用荷載為拉索自重和船舶撞擊力。撞擊力3800kN作用于跨中位置。荷載組合系數(shù)1.0×重力+撞擊力荷載組合系數(shù)1.0×撞擊力。

通過(guò)ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得出一下結(jié)論：

①拉索最大位移發(fā)生在撞擊力作用位置，為2.2m；

②上拉索軸力最大值為2980kN；吊索軸力最大值為191kN，位于撞擊點(diǎn)處吊索；下方主拉索最大軸力為12193kN；

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化，不考慮拉索自身伸長(zhǎng)變形吸能，船舶需要緩沖距離約7m，拉索對(duì)船舶做功可以滿(mǎn)足吸收全部船舶動(dòng)能，但由以上計(jì)算可知拉索發(fā)生2.2m時(shí)，其對(duì)船舶反力已達(dá)到3800kN，因此，緩沖距離繼續(xù)增大時(shí)，拉索在此前或者上揚(yáng)失效亦或者船舶上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，拉索將可能不會(huì)進(jìn)一步增大變形，船舶只能起到一定的緩沖減速效果，見(jiàn)圖7-圖11。

4.3 結(jié)構(gòu)型式比選

水上限高架上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)從防撞效果、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的角度進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表5、表6。

結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際需求，確保水上限高架有效攔截超高船舶，最終采用工期較短、效果顯著的鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。

4.4 水上限高架各型式的適用范圍

根據(jù)水上限高架上部結(jié)構(gòu)不同型式的特點(diǎn)，歸納總結(jié)各自的使用范圍。

鋼桁架型式主要優(yōu)點(diǎn)是攔截效果顯著，施工進(jìn)度快，工期短，樁基礎(chǔ)側(cè)向受力小，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是上部結(jié)構(gòu)較為笨重，需要大型設(shè)備進(jìn)行吊裝，適用于跨度較小，船舶緩沖距離短的情況。

拉索型式主要優(yōu)點(diǎn)是上部結(jié)構(gòu)輕便，安裝簡(jiǎn)單，具有較大的緩沖距離，缺點(diǎn)是拉索攔截效果差，樁基礎(chǔ)側(cè)向受力大，需設(shè)置大樁徑的基礎(chǔ)，施工進(jìn)度慢，工期較長(zhǎng)，適用于跨度較大，有較長(zhǎng)直線(xiàn)緩沖距離，工期要求不高的情況。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式的水上防撞限高架進(jìn)行了計(jì)算、分析、研究，得出了鋼桁架結(jié)構(gòu)型式和錨固式拉索結(jié)構(gòu)型式均能滿(mǎn)足承受2000t級(jí)船舶在3.5m/s速度下的撞擊力的要求。

鋼桁架結(jié)構(gòu)型式攔截效果優(yōu)于錨固式拉索結(jié)構(gòu)型式，工期較短，造價(jià)較低，適用于橋梁跨度較小的河道。

錨固式拉索結(jié)構(gòu)型式攔截效果較差，上部結(jié)構(gòu)輕便，適用于水域較寬的河道。

水上限高架是橋梁防止超高船舶撞擊其上部結(jié)構(gòu)的一種新方法，新嘗試，是按規(guī)范設(shè)置航標(biāo)、安裝預(yù)警裝置、加強(qiáng)監(jiān)督管理等常規(guī)措施失效情況下強(qiáng)有力的保證措施。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此類(lèi)研究較少。

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