沿河布設(shè)橋梁防船撞措施研究

摘要：沿通航河流建設(shè)的橋梁存在船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)，但由于沿河橋梁涉及墩柱數(shù)量多，防撞設(shè)施設(shè)置受行洪、景觀、造價(jià)等因素影響顯著，故其防撞設(shè)施設(shè)置不同于跨河橋梁。文章以某高速公路沿河橋梁為依托，結(jié)合有限元分析結(jié)果，提出了多種防撞措施方案，并進(jìn)行了綜合比選，為類似工程橋墩防撞問題提供參考。

關(guān)鍵詞：沿河橋梁；墩柱；船撞；防撞措施

U443.26A310983

0 引言

近年來，由于船舶撞擊橋梁事故的發(fā)生率逐年增加，橋梁防撞問題日益受到工程界的廣泛關(guān)注。船撞橋事故發(fā)生后不僅經(jīng)濟(jì)損失巨大，同時(shí)會(huì)造成惡劣的社會(huì)影響，因此在設(shè)計(jì)階段充分考慮橋墩的防撞問題就顯得尤為必要［1-4］。

對(duì)于跨河橋梁，船舶撞擊橋墩角度和速度明確，且一般只需考慮通航孔橋墩防撞，涉及墩柱數(shù)量少，防撞措施設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單。而對(duì)于沿河布設(shè)橋梁，由于涉及路線范圍長(zhǎng)、墩柱數(shù)量多、船舶失控撞擊角度影響因素多等原因，船撞風(fēng)險(xiǎn)分析變得更為復(fù)雜，同時(shí)也要考慮防撞設(shè)施對(duì)河道行洪的影響、沿河景觀要求、造價(jià)等因素，沿河橋梁橋墩防撞措施設(shè)置難度較大。

本文以某高速公路沿河布設(shè)橋梁工程為依托，在對(duì)船撞橋概率風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了多種橋墩防撞措施，運(yùn)用有限元方法分析了各種防撞措施的抗船撞能力，對(duì)比了各種防撞措施的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了推薦方案。本文的研究成果可為類似工程的橋梁防撞措施設(shè)置提供參考。

1 項(xiàng)目概況

某高速公路橋梁沿河布設(shè)，通航河流規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，代表船型為1 000噸級(jí)船舶，代表船型尺度為68.0 m（總長(zhǎng)）×11.0 m（型寬）×2.4 m（吃水）。最高通航水位為10年一遇，在最高通航水位下，部分橋墩被水淹沒，存在船撞風(fēng)險(xiǎn)。橋位平面布置如圖1所示，其中深色橋墩為防撞風(fēng)險(xiǎn)研究橋墩。

橋梁上構(gòu)采用40 m跨徑先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，半幅橋梁全寬12.75 m；下構(gòu)采用樁基圓柱式橋墩，墩徑為2.2 m，樁徑為2.4 m，墩高為28 m。橋型布置如圖2所示。

2 船舶撞擊力

確定船舶撞擊力大小是研究橋梁防船撞問題的前提，船舶撞擊力與船型、水流速度、撞擊速度、撞擊角度等諸多參數(shù)相關(guān)［5］。各參數(shù)確定后采用《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020）的相關(guān)公式計(jì)算船舶撞擊力［6］。船舶撞擊力計(jì)算非本文研究重點(diǎn)，具體計(jì)算過程不在此贅述，僅給出不同船型、不同角度、不同航速情況下，船舶撞擊力最值計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

3 橋墩防船撞設(shè)施研究

3.1 涉水橋墩抗撞性能分析

利用MIDAS軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖3所示。在不設(shè)置防撞設(shè)施的情況下，將橫橋向、順橋向船撞水平力施加到船舶撞擊點(diǎn)，計(jì)算橋墩或樁身最不利內(nèi)力，并與橋墩抗力進(jìn)行對(duì)比［7］。

橋墩抗力按照《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020）附錄A方法進(jìn)行計(jì)算。代表橋墩在典型工況下，橋墩抗力值與船舶撞擊力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，在不設(shè)置防撞設(shè)施的情況下，橋墩在考慮船撞作用的偶然組合下，橋墩順橋向抗力明顯小于撞擊力，順橋向抗力嚴(yán)重不足，存在倒塌風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 橋墩防撞方案

根據(jù)前文分析，涉水橋墩抗力嚴(yán)重不足，需要設(shè)置防撞設(shè)施，以滿足運(yùn)營(yíng)期橋梁結(jié)構(gòu)安全。常見防撞設(shè)施大多僅適用于跨河橋梁防船撞，而本工程橋梁臨河而建，需要設(shè)置防撞設(shè)施的橋墩多處于岸坡、灘地，地形變化大，為此結(jié)合工程特點(diǎn)，提出了以下多種防撞方案進(jìn)行比選［8］。

方案一：附著自浮式防撞設(shè)施方案（見圖4）

基本構(gòu)成：防撞設(shè)施主要由防撞浮箱、導(dǎo)向裝置和支墩組成。浮箱依托橋墩用導(dǎo)向裝置連接，相鄰浮箱之間艏艉用錨栓連接，共同形成攔截區(qū)域。

工作原理：利用導(dǎo)向裝置對(duì)防撞浮箱定位，河道水位變化時(shí)浮箱帶動(dòng)導(dǎo)向裝置沿墩柱浮動(dòng)，平面位置不變，浮箱自適應(yīng)水位升降。當(dāng)水位下降至一定高程浮箱擱置在支墩上。浮箱和錨鏈形成防撞保護(hù)區(qū)，對(duì)可能撞擊橋墩的偏航船舶進(jìn)行攔截，當(dāng)船舶撞擊浮箱時(shí)，主要由浮箱承擔(dān)船舶撞擊力，通過導(dǎo)向裝置將船舶撞擊力傳遞至墩柱實(shí)現(xiàn)消能。

方案二：錨泊式自驅(qū)動(dòng)升降防撞設(shè)施方案（見圖5）

基本構(gòu)成：防撞設(shè)施主要包括防撞浮箱、錨泊設(shè)施（纜繩和錨樁）、自驅(qū)動(dòng)與鎖定裝置三部分。在防撞浮箱內(nèi)部布置自驅(qū)動(dòng)與鎖定裝置，錨泊設(shè)施包括超高分子量聚乙烯纜繩和水下系泊鋼管樁兩部分。

工作原理：日常運(yùn)行中，在自驅(qū)動(dòng)裝置作用下，纜繩自動(dòng)靈活調(diào)整長(zhǎng)度與張力，使浮箱自適應(yīng)水位升降，實(shí)現(xiàn)在無外接電源、無自控系統(tǒng)、無人為干預(yù)條件下的完全自主控制，保證防撞浮箱任意水位條件下的平面位置不變。若浮箱處于灘地，當(dāng)水位下降至一定高程浮箱擱置在支墩上；若浮箱始終處于水中，則不需要支墩。當(dāng)船舶偏航撞擊浮箱的瞬間，纜繩自動(dòng)鎖定并隨浮箱移位伸長(zhǎng)進(jìn)一步消能。船撞作用結(jié)束后，纜繩釋放能量，浮箱回歸初始狀態(tài)。

方案三：水上定位樁自浮式防撞設(shè)施方案（見圖6）

基本構(gòu)成：防撞設(shè)施主要由防撞浮箱、定位樁、錨鏈、纜繩和地牛等組成。浮箱套在定位樁上，相鄰浮箱艏艉用錨鏈連接，纜繩分別與首尾浮箱連接系于岸坡地牛，浮箱、錨鏈與纜繩一起形成攔截區(qū)域。

工作原理：利用定位墩對(duì)防撞浮箱進(jìn)行平面約束定位，浮箱保持一定吃水深度，河道水位變化浮箱隨水位升降。當(dāng)水位下降接近定位樁處地面高程時(shí)，浮箱擱置在定位墩的牛腿上。浮箱和纜繩形成防撞保護(hù)區(qū)，對(duì)可能撞擊橋墩的偏航船舶進(jìn)行攔截，浮箱和纜繩共同承擔(dān)船舶撞擊力協(xié)同消能。

方案四：岸邊鉸接自浮式防撞設(shè)施方案（見下頁圖7）

基本構(gòu)成：防撞設(shè)施主要由防撞浮箱、系留設(shè)施（撐桿、撐桿墩、纜繩、地牛）和支墩組成。浮箱與撐桿鉸接，相鄰浮箱之間艏艉用錨鏈連接，纜繩分別與首尾浮箱連接并系于岸坡地牛，浮箱與纜繩（錨鏈）共同形成攔截區(qū)域。

工作原理：利用撐桿墩對(duì)防撞浮箱定位，河道水位變化時(shí)浮箱帶動(dòng)撐桿繞岸邊撐桿墩鉸接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，浮箱自適應(yīng)水位升降。當(dāng)水位下降至一定高程浮箱擱置在支墩上。浮箱和纜繩形成防撞保護(hù)區(qū)，對(duì)可能撞擊橋墩的偏航船舶進(jìn)行攔截。當(dāng)船舶撞擊浮箱時(shí)，由浮箱和撐桿共同承擔(dān)船舶撞擊力，通過撐桿將船舶撞擊力傳遞至撐桿墩實(shí)現(xiàn)消能。

3.3 各方案防撞設(shè)施仿真計(jì)算

針對(duì)各防撞設(shè)施方案，需進(jìn)行數(shù)值仿真分析，以確定各方案的可行性。本文應(yīng)用ABAQUS軟件分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。有限元計(jì)算分析模型如圖8所示。

在考慮防撞設(shè)施的情況下，1 000噸級(jí)船舶撞擊作用下，各方案關(guān)鍵構(gòu)件船撞效應(yīng)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?～6所示：

表3～6的有限元計(jì)算成果表明，防撞方案一橫橋向反力及順橋向反力均小于橋墩自身抗力，滿足抗船撞要求；防撞方案二、方案三和方案四在船撞荷載作用下，各構(gòu)件性能均滿足材料性能要求，即各防撞方案均滿足抗船撞要求。

3.4 方案比選

通過對(duì)防撞方案的研究和總體設(shè)計(jì)，從適用性、防護(hù)有效性、對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響等方面進(jìn)行綜合比較，如表7所示。

通過表7對(duì)上述四種防撞方案的對(duì)比分析可知，方案一投資省，除需對(duì)防撞墩柱里面進(jìn)行局部處理外，其他對(duì)比類別指標(biāo)均較好；方案二投資高，方案三美觀性差，方案四適用范圍有限。綜合比較，推薦方案一作為防撞方案。

4 結(jié)語

沿河橋梁防船撞設(shè)施設(shè)置影響因素較多，本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某沿河布設(shè)橋梁防船撞問題進(jìn)行了綜合分析，提出了可行的防撞措施方案。

（1）船舶撞擊力受船型、船速、水流速度、撞擊角度等因素影響，合理確定各參數(shù)取值是船舶撞擊力計(jì)算的前提。

（2）沿河布設(shè)橋梁，其順橋向抗撞能力顯著小于橫橋向，而順橋向船舶撞擊力明顯大于橫橋向。因此，沿河布設(shè)橋梁其防撞設(shè)施的設(shè)置就尤為必要。

（3）沿河橋梁防撞設(shè)施設(shè)置涉及墩柱數(shù)量多，路線范圍長(zhǎng)，防撞設(shè)施選擇需同時(shí)考慮景觀要求、行洪影響、施工難度、造價(jià)等諸多因素，本文提出的多種方案可為類似工程提供參考。

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