樟湖庫區(qū)大橋船撞力評估及防撞方案研究

摘要 樟湖庫區(qū)作為重要的水上交通要道，船舶往來給大橋帶來了潛在的船撞風(fēng)險。該研究首先通過實(shí)地調(diào)研和歷史數(shù)據(jù)收集，分析了大橋所在區(qū)域的船舶交通流量、船舶類型及其航行特性；其次，利用經(jīng)驗(yàn)公式法，對大橋可能遭受的船撞力進(jìn)行了定量評估；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了建立浮動式防撞措施和主動預(yù)警系統(tǒng)以保證結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)期防船撞性能提升；最后，通過有限元數(shù)值模擬驗(yàn)證了防撞方案的有效性。研究結(jié)果表明：所提出的防撞措施能夠有效降低大橋遭受船撞的風(fēng)險，保障橋梁的安全運(yùn)營。

關(guān)鍵詞 樟湖庫區(qū)大橋；船撞力評估；防撞方案；主動預(yù)警；效果評價

中圖分類號 U447 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0182-03

0 引言

近年來，隨著全國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益加快，跨越通航水域的橋梁不斷增多，受到多種因素影響，船舶碰撞跨河橋梁的風(fēng)險日趨加大，且事故頻發(fā)。

2024年2月22日5時30分左右，一艘集裝箱船空載從佛山南海開往廣州南沙途中，航經(jīng)洪奇瀝水道時觸碰瀝心沙大橋橋墩，致瀝心沙大橋橋面斷裂。事故共導(dǎo)致4部車輛墜落，5人死亡，1名船員受輕微傷。2024年4月22日，福州融海航運(yùn)有限公司所屬“新融海1”輪裝載卷鋼4907噸，在西江干流國道G240線九江大橋水域，船首左舷觸碰橋梁下行通航孔左側(cè)第21#橋墩防撞設(shè)施，導(dǎo)致船殼破損進(jìn)水。事故造成“新融海1”輪沉沒，3人死亡、1人失蹤，國道G240線九江大橋21#橋墩防撞設(shè)施10塊橡膠護(hù)舷脫落或損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失約1780萬元，構(gòu)成較大等級的水上交通事故。2024年3月26日，裝載了9971個集裝箱的“達(dá)利”號貨輪撞到“弗朗西斯·斯科特·基”大橋，導(dǎo)致鋼制橋體坍塌，人員和車輛墜入帕塔普斯科河中，事故造成大橋垮塌，6人死亡。

目前，船舶航行存在的主要問題有：（1）早期建設(shè)的橋梁通航凈空尺度、防撞標(biāo)準(zhǔn)較低，部分橋梁未建設(shè)防撞設(shè)施，存在安全風(fēng)險；（2）部分橋區(qū)導(dǎo)助航和警示標(biāo)志不夠完善；（3）部分船舶船員駕駛操作能力不高[1]。因此，為保障跨河橋梁安全和船舶航行安全，完善橋區(qū)標(biāo)志標(biāo)識，提升橋梁防撞能力十分必要。

該文對閩江通航流域一座大跨徑連續(xù)箱梁所處環(huán)境進(jìn)行調(diào)研、分析該區(qū)域的航道特性。采用經(jīng)驗(yàn)公式的分析方法，對大橋可能遭受不同等級船舶的撞擊力進(jìn)行定量評估，提出了一套切實(shí)可行的防撞方案，通過分析，該方案能夠提高大橋的結(jié)構(gòu)安全性。

1 工程概況及航道資料

1.1 橋梁概況

樟湖庫區(qū)大橋位于南平市延平區(qū)樟湖鎮(zhèn)，大橋起點(diǎn)在閩江左岸的樟湖鎮(zhèn)溪口村外福鐵路樟湖板一號隧道附近山坡上，大橋跨越閩江后終點(diǎn)位于閩江右岸的樟湖鎮(zhèn)麟經(jīng)社區(qū)的寶峰亭附近，并與國道G316相接。橋梁中心樁號為K1449+649，雙向兩車道。主橋采用（70+4×125+70）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋；引橋采用（4×35）m預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制T形梁+16 m鋼筋混凝土簡支空心板，橋梁全長804.5 m。主跨橋墩為板式矩形雙薄壁墩，橋墩壁厚1.4 m，墩底設(shè)置3m高系梁，主跨承臺厚4 m，基礎(chǔ)為6Ф2 m的鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。橋梁通航孔設(shè)置在1#墩和2#墩之間，橋梁通航孔跨度為125 m，實(shí)際通航凈寬為111 m，實(shí)際通航凈高為20 m。

1.2 航道及通航情況現(xiàn)狀

閩江水口至沙溪口航道全長114.66 km，其中閩江干流水口至南平延福門航段長95.22 km，航道水深取2.7 m。單線航道寬度30.0 m，雙線航道寬度55.0 m。航道彎曲半徑取300 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，上下游共有碼頭37座，泊位停靠能力為300～500 t。連續(xù)2 d在該大橋所處區(qū)域白天全天船舶調(diào)查、跟蹤情況，通航船舶約3～5艘次，通航船型以貨船為主，少量漁船，其中貨船主要為沙船和散貨船，載重噸在150～353 t，船舶總長38.2～52.8 m，型寬7～8.8 m，滿載吃水1.5～1.95 m，貨運(yùn)種類包括煤炭、礦石、石英、砂石、水泥等，通過樟湖庫區(qū)大橋船舶過橋航速一般在6～8節(jié)。據(jù)當(dāng)?shù)睾Ｊ虏块T統(tǒng)計(jì)，橋址附近河段近三年沒有發(fā)生水上交通安全事故。

2 船撞力評估

2.1 船舶撞擊力

根據(jù)遠(yuǎn)期規(guī)劃，未來該區(qū)域?yàn)閮?nèi)河Ⅳ級航道，防船撞性能及風(fēng)險評定采用閩江干貨-II型船舶（750噸級）、閩江干貨-III型船舶（1250噸級）。采用調(diào)查船速，船舶在航道內(nèi)正常行駛速度取8節(jié)，按照《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-02—2020）[3]公式計(jì)算，得到防船撞性能及風(fēng)險評定代表船型下的船撞力如表1。

2.2 現(xiàn)有橋墩抗船撞性能評價結(jié)果

根據(jù)計(jì)算得到的橋墩截面抗力和確定的橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)力，樟湖庫區(qū)大橋1～6#墩在設(shè)計(jì)洪水位65.4 m下，橫橋向和縱橋向的橋墩極限船撞抗力均小于撞擊力，橋梁樁基均出現(xiàn)剪切破壞。

2.3 現(xiàn)有橋梁船撞風(fēng)險評估

采用AASHTO船撞風(fēng)險分析方法，對橫橋向的船撞風(fēng)險進(jìn)行評估，得到樟湖庫區(qū)大橋1～6#墩在現(xiàn)有通航密度下，在最高通航水位并通過在代表船型閩江干貨—II（750DWT）和閩江干貨—III（1250DWT）情況下得到橫橋向船撞年倒塌概率，計(jì)算結(jié)果如表2及表3。

采用區(qū)域通航代表船型（載重噸位750 t）碰撞力下的船撞失效概率計(jì)算，綜合來看現(xiàn)期全橋年倒塌概率為0.00817次/年，高于公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的1×10-4/年的倒塌概率標(biāo)準(zhǔn)，表明全橋船撞安全風(fēng)險較高。遠(yuǎn)期通行流量增大6.5倍，碰撞概率增大10.4倍，全橋船撞年倒塌概率為8.49×10-2次/年，全橋的船撞安全風(fēng)險高。

3 防撞方案研究

建立橋墩防撞設(shè)施是防止橋梁因船舶撞擊力超過橋梁的設(shè)計(jì)承載能力，同時減少撞擊船舶的損傷。采用不同型式的防撞設(shè)施，可以阻止船舶撞擊力傳到橋墩，或者通過緩沖消能延長船舶的碰撞時間，減小船舶撞擊力，保護(hù)橋梁安全[2]。結(jié)合該橋在低水位條件下，樁基外露這一不利情況，防撞設(shè)施建議采用獨(dú)立式防撞設(shè)施，即在橋墩上下游設(shè)置鋼管樁，并在鋼管樁上設(shè)置自浮式防撞套箱，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性對比，并結(jié)合國內(nèi)防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，建議防撞套箱采用鋼—復(fù)合材料的浮式防撞設(shè)施。

3.1 防撞方案設(shè)計(jì)

（1）防撞措施

在大橋1#、2#墩上分別設(shè)置一套浮動式防船撞裝置，該裝置附著在橋墩周圍，靠浮力漂浮在水面上，直接承受失控船舶的碰撞，避免橋墩和樁基直接受到船舶的撞擊。為了使浮動式防船撞裝置能夠隨著水位的漲落順利浮動，在1#、2#橋墩承臺側(cè)面分別設(shè)置6條鋼箱滑道。

浮動式防船撞裝置總體平面尺寸順橋軸線方向總長17.4 m，橫橋軸線方向總寬31.094 m，高度3 m，浮出水面高度約為2 m，均高于滿載時水面以上船艏高度，完全在碰撞保護(hù)范圍內(nèi)；空載時水面以上船艏高度小于3.4 m，船艏將高出浮動式防船撞裝置頂面，碰撞時船艏頂面將越過浮動式防船撞裝置頂面，當(dāng)船艏下部與浮動式防船撞裝置接觸時，留給浮動式防船撞裝置變形消能的富余量達(dá)到1.9 m，滿足浮動式防船撞裝置船撞變形消能的需要，橋墩側(cè)壁也得到保護(hù)。每節(jié)段鋼箱由外壁板、內(nèi)壁板、甲板、底板和連接板構(gòu)成。在鋼箱的內(nèi)、外壁板上安裝橡膠護(hù)舷作為耗能元件。鋼箱內(nèi)填充聚氨酯閉孔泡沫塑料耗能材料。

（2）主動預(yù)警措施

該橋?qū)⒔ㄔO(shè)主動預(yù)警防船撞系統(tǒng)，以期達(dá)到有效預(yù)防偏航、超速船舶撞擊橋墩的目的。通過系統(tǒng)集成的方法將各設(shè)備有機(jī)結(jié)合在一起，以高清圖像分析、VTS（雷達(dá)）、AIS、紅外熱成像分析為核心技術(shù)，自動采集樟湖庫區(qū)大橋橋區(qū)水域的船舶航行數(shù)據(jù)，采用人工智能信息融合技術(shù)，對該水域的船舶進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，分析船舶類型和航行態(tài)勢，確定目標(biāo)船舶并跟蹤鎖定，通過預(yù)警算法模型的計(jì)算，將目標(biāo)船舶航行態(tài)勢分成不同的風(fēng)險預(yù)警類別，以AIS、VHF（甚高頻無線電話、對講機(jī)信號等、對講機(jī)）等途徑向目標(biāo)船舶播發(fā)交通監(jiān)管及助航服務(wù)信息，通過VHF 語音播報系統(tǒng)自主呼叫高風(fēng)險特定目標(biāo)船舶，此外還配備警示聲、光等主動報警形式，并在終端結(jié)合衛(wèi)星地圖展示預(yù)警數(shù)據(jù)，構(gòu)建成套的橋梁防船撞主動預(yù)警系統(tǒng)。

3.2 防撞方案分析模型

建立船舶動力學(xué)模型，對主墩防撞設(shè)計(jì)目標(biāo)船舶

（1 250 t）分別就加裝浮動式防船撞裝置前后進(jìn)行撞擊數(shù)值模擬，驗(yàn)證防撞裝置的效果，圖1為1 250 t級船舶橫橋向撞擊模擬。撞擊速度參照《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，取值2.015 m/s。

3.3 分析結(jié)果

根據(jù)非線性有限元模型分析結(jié)果匯總（見表4），1 250 t船舶與橋梁橫橋向、順橋向撞擊后，橋墩結(jié)構(gòu)在加裝防船撞措施后，接收到的撞擊力明顯降低，防護(hù)設(shè)施局部發(fā)生較大變形，通過變形的發(fā)生吸收了61.5%的撞擊能量，達(dá)到了提升橋墩結(jié)構(gòu)抗船撞性能的目的。

4 結(jié)語

（1）該文針對樟湖庫區(qū)大橋的船撞力評估及防撞方案進(jìn)行了全面分析與探討。通過對大橋所在區(qū)域的船舶交通特性、撞擊力的定量分析以及現(xiàn)有防撞措施的評估，該文提出了一系列切實(shí)可行的防撞措施。這些措施旨在提高大橋的結(jié)構(gòu)安全性，減少由于船舶撞擊帶來的潛在風(fēng)險，確保橋梁的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）主動預(yù)警系統(tǒng)能夠全天候監(jiān)控過往船舶，實(shí)現(xiàn)主動式非接觸避碰防撞功能。既起到保護(hù)橋梁，也可以降低船舶碰撞浮動式防船撞裝置的概率，保證船舶航行安全和降低浮動式防船撞裝置后期維護(hù)成本，解決航道、大橋、海事等管理部門的安全監(jiān)管問題。

（3）通過增設(shè)有效的防撞設(shè)施以及防船撞主動預(yù)警系統(tǒng)等綜合措施，可以有效降低船撞事故的發(fā)生概率，保護(hù)橋梁免受損害。

（4）隨著橋梁工程技術(shù)的不斷進(jìn)步和船舶交通管理的日益完善，期待未來能夠進(jìn)一步優(yōu)化防撞策略，提高橋梁的安全性和耐久性。同時，建議相關(guān)部門繼續(xù)關(guān)注橋梁安全領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，不斷更新和完善防撞措施，以應(yīng)對日益增長的交通壓力和安全挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]蘇權(quán)科.跨海大橋特殊技術(shù)問題探討[J].公路交通科技， 2005（12）：101-104.

[3]公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T 3360-2—2020[S].北京：人民交通出版社， 2020.