韓江特大橋通航孔橋墩防撞措施方案分析

譚巨良

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 引 言

通航孔橋墩防撞措施對橋墩和通航船舶均能起到保護(hù)作用，根據(jù)航道、海事部門的相關(guān)要求，在一定等級的航道上，通航孔橋墩通常需設(shè)置防撞措施。船撞力的計(jì)算和防撞措施的選擇已有較多研究。根據(jù)多種規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的船撞力結(jié)果偏差加大，通常需結(jié)合有限元計(jì)算確定船撞力。防撞措施有固定式橡膠、浮動式鋼套箱、浮動式鋼+復(fù)合材料、獨(dú)立防撞隔柵、獨(dú)立防撞墩等等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)具體橋梁和河道的特點(diǎn)擇優(yōu)選擇。

2 概 況

韓江特大橋跨越處韓江寬度約600 m。通航孔處橋型圖見圖1。本橋所跨韓江擬規(guī)劃為Ⅳ級航道。最高通航水位H=19.16 m，最低通航水位H=9.16 m。

圖1 韓江特大橋通航孔處橋型圖

主橋上部結(jié)構(gòu)為(55+4×90+55)m預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為空心薄壁墩，樁基均為鉆孔灌注樁。

3 船舶撞擊相關(guān)參數(shù)分析

3.1 撞擊代表船型

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2004)的資料顯示及實(shí)際通航船型的調(diào)查結(jié)果，船型尺寸參數(shù)表見表1。

表1 船型尺寸參數(shù)表

3.2 船撞速度

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和測速，船舶通行速度為3.0 m/s。考慮到韓江特大橋位于通航水域范圍內(nèi)的橋墩數(shù)量眾多，且航道寬度與橋梁跨度接近，因此以3.0 m/s為船舶撞擊橋墩的速度。

3.3 無防撞措施時(shí)船撞力

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船舶撞擊力比較表見表2，可見各個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果差異較大。按照我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)計(jì)算的船撞力偏小。根據(jù)較近頒布的《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02-2020)計(jì)算，3 000～50 000 DWT輪船撞擊力與美國AASHTO規(guī)范接近，50～3 000 DWT駁船撞擊力小于美國規(guī)范。為進(jìn)一步分析船撞力，采用LS-DYNA顯式動力學(xué)分析軟件進(jìn)行有限元仿真。有限元計(jì)算得到的無防撞措施撞擊力時(shí)程圖見圖2。

表2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船舶撞擊力比較表 (單位：MN)

圖2 無防撞措施下撞擊力時(shí)程圖

由表3可見橋墩抗撞承載力較大，滿足了除AASHTO以外規(guī)范的要求，也滿足有限元計(jì)算結(jié)果。橋墩設(shè)計(jì)強(qiáng)度足以抵抗500t噸級船舶撞擊，增加防撞措施主要為了滿足航道、海事部門的相關(guān)要求和降低船舶的撞擊風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)船舶通行安全。船撞力偏安全采用有限元計(jì)算結(jié)果。

表3 無防撞措施下船舶撞擊計(jì)算結(jié)果

4 防撞設(shè)置研究

4.1 防撞措施的種類

(1)固定式橡膠防撞措施

固定式橡膠是一種圍繞在橋墩周圍，不隨水位變化的固定式柔性防撞體。

優(yōu)點(diǎn)：通過在墩壁預(yù)埋螺栓固定橡膠，構(gòu)造較簡單。單個(gè)體積小，便于運(yùn)輸，可局部維修、更換，耐腐蝕性好。缺點(diǎn)：本項(xiàng)目水位差較大，設(shè)置規(guī)模較大，總體上未必經(jīng)濟(jì)。橋墩已經(jīng)施工，非最低水位時(shí)期水下不便于安裝。緩沖能力有限，對橋墩和船舶保護(hù)有限。

(2)浮動式鋼套箱防撞措施

浮動式鋼套箱主體是多個(gè)鋼板梁構(gòu)成的密封艙室結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：防撞性能較強(qiáng)；隨水位升降；鋼構(gòu)件連接強(qiáng)度好、性能穩(wěn)定；鋼結(jié)構(gòu)加工工藝成熟。缺點(diǎn)：需添加防腐涂裝提高耐久性，維護(hù)成本較高。重量大，運(yùn)輸、安裝較為困難。

(3)浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施

浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施的鋼結(jié)構(gòu)外表面覆蓋復(fù)合材料層用于提高耐久性，在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充耗能閉孔材料，可降低鋼結(jié)構(gòu)的用量。

優(yōu)點(diǎn)：防撞性能較強(qiáng)，隨水位升降，耐久性較好。通過節(jié)段拼裝形成整體，節(jié)段重量較輕，運(yùn)輸、安裝較為方便。缺點(diǎn)：采用新材料，需專業(yè)單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)。復(fù)合材料價(jià)格較高。

(4)獨(dú)立防撞隔柵

獨(dú)立防撞隔柵是將橋墩與承臺用混凝土隔柵包圍，主要起隔離防撞作用。該防撞措施主要適用于橋墩橫、縱橋向抗撞承載力都欠缺較多的情況。

(5)獨(dú)立防撞墩

防撞墩下部基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，上部橋墩采用三角形斷面，既可以抵抗船舶撞擊力，又可以撥轉(zhuǎn)船頭的方向。該防撞措施主要適用于單個(gè)方向抗撞承載力欠缺較多的情況。

4.2 北江(烏石至三水河口)航道擴(kuò)能升級工程通航孔橋梁防撞加固

北江(烏石至三水河口)航道擴(kuò)能升級為III級航道，根據(jù)《北江(烏石至三水河口段)通航孔橋梁防撞加固專題研究》報(bào)告，設(shè)防船撞力為橫橋向8 000 kN，順橋向6 500 kN。該項(xiàng)目對本橋的防撞設(shè)計(jì)有參考意義，相關(guān)方案見表4。

由表4可見，獨(dú)立防撞隔柵和獨(dú)立防撞墩的防撞能力都較強(qiáng)，當(dāng)沒有獨(dú)立防撞措施施工空間，或樁基施工會對原橋梁結(jié)構(gòu)有安全影響時(shí)，或地質(zhì)條件較差時(shí)，不適合采用。如拱橋拱腳橋墩附近可能空間受限，不適合采用獨(dú)立防撞隔柵，但橫橋向獨(dú)立防撞墩還可施工；如由溶巖地質(zhì)不適合施工獨(dú)立防撞措施的樁基。

浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施可在以上兩種方式不合適時(shí)考慮采用。浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施不適用的情況為：拱橋拱腳橋墩不適合措施上下浮動時(shí)，原橋墩防撞能力與所需抗力差值大于40%時(shí)。

4.3 韓江特大橋防撞措施推薦方案

韓江特大橋橋位處水位差較大，不適合采用固定橡膠防撞。橋墩設(shè)計(jì)強(qiáng)度足以抵抗500 t噸級船舶撞擊，因此不適合采用造價(jià)高且多用在承載力欠缺較多情況的獨(dú)立防撞隔柵或墩。本項(xiàng)目適合采用施工相對方便且造價(jià)相對較低的浮動式防撞措施，其中浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施的耐久性和防撞能力較優(yōu)，韓江特大橋浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施布置。

采用浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施時(shí)，船舶撞擊力計(jì)算暫無經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)有限元計(jì)算，韓江特大橋設(shè)置防撞措施下撞擊力時(shí)程圖見圖3，計(jì)算結(jié)果見表5，船撞力降低約40%。

圖3 設(shè)置防撞措施下撞擊力時(shí)程圖

表5 采用浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施時(shí)船舶撞擊計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語

以某高速韓江特大橋?yàn)楸尘?，對?nèi)河Ⅳ級航道500 t級船舶撞擊力作用下的通航孔橋墩防撞措施方案進(jìn)行分析。根據(jù)多個(gè)規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的船撞力及有限元分析結(jié)果，韓江特大橋橋墩設(shè)計(jì)強(qiáng)度足以抵抗500 t級船舶撞擊，增加防撞措施主要為了保護(hù)船舶通行安全。對比固定式橡膠、浮動式鋼套箱、浮動式鋼+復(fù)合材料、獨(dú)立防撞隔柵、獨(dú)立防撞墩防撞措施的優(yōu)缺點(diǎn)，參考北江(烏石至三水河口)航道擴(kuò)能升級工程多座橋梁通航孔橋墩防撞加固方案，本項(xiàng)目最終選擇浮動式鋼+復(fù)合材料防撞措施，降低船撞力達(dá)40%。