某連續(xù)剛構(gòu)橋梁船舶碰撞隱患治理研究

文章以廣西某運(yùn)營高速公路跨江橋梁船舶碰撞隱患治理工程為例，對橋梁現(xiàn)場橋區(qū)航道條件、航道等級、航道通航船舶類型等進(jìn)行調(diào)查分析，通過Midas Civil有限元模型建模，將船舶碰撞力以等效靜態(tài)力的形式施加到橋梁結(jié)構(gòu)上，對各橋墩碰撞工況進(jìn)行驗(yàn)算，以此綜合評估跨航道橋墩的抗撞能力，并針對橋梁抗撞性不足提出解決措施及建議。研究表明，采用自浮式鋼套箱被動防護(hù)保護(hù)橋墩，能有效吸能并提高橋梁抗撞能力，為后續(xù)橋梁通航船舶碰撞隱患治理工程提供借鑒。

連續(xù)剛構(gòu)；涉水橋墩；抗船撞性能；綜合評估

U448.23A401283

作者簡介：

沈籽余（1995—），工程師，主要從事橋梁施工管理工作。

0" 引言

近年來，船舶大型化趨勢明顯，部分橋梁所在航道等級有所提升，橋梁原設(shè)計(jì)通航凈空尺度難以滿足現(xiàn)行航道船舶通航。國內(nèi)外因船舶撞擊而導(dǎo)致橋梁垮塌或嚴(yán)重破壞的事故逐漸增多，平均每年就有一座大型橋梁因?yàn)榇白矒舳馐車?yán)重破壞甚至倒塌［1］。為了進(jìn)一步保障在船舶撞擊情況下的橋梁安全，交通運(yùn)輸部于2020年發(fā)布了《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020）［2］，保障橋梁實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)預(yù)定抗撞能力。本文通過評估通航橋梁結(jié)構(gòu)抗撞性能，針對性地增設(shè)自浮式套箱，以降低船舶撞擊力保證橋墩安全，為后續(xù)同類型橋梁進(jìn)行船舶碰撞隱患治理提供可借鑒的思路。

1" 某連續(xù)剛構(gòu)橋梁基礎(chǔ)調(diào)查

1.1" 橋梁資料

（1）橋梁基本信息。橋梁跨徑組合為（50+2×90+50+8×30）m，主橋采用（50+2×90+50）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，引橋?yàn)?×30 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁。0#橋臺采用鋼筋混凝土肋板埋置式橋臺，12#橋臺為埋置式橋臺，主墩為鋼筋混凝土雙薄壁墩，鉆孔灌注樁基。橋面采用水泥混凝土鋪裝，異型鋼伸縮縫，鋼筋混凝土防撞護(hù)欄。橋梁原設(shè)計(jì)為2個通航孔，分別位于1#～2#、2#～3#墩之間，通航孔下底寬60 m、上底寬45 m，通航凈高為10 m、側(cè)高為6 m；現(xiàn)狀使用的通航孔為2#～3#墩之間孔，1#～2#墩通航孔尚未使用。該橋除0#、12#橋臺為埋置式橋臺外，其余1#～11#橋墩均涉水。

（2）防船撞設(shè)施。該橋在通航孔橋墩迎船面中央設(shè)置正方形橋涵標(biāo)與綠色橋柱燈，在上下游約200 m的橋區(qū)航道邊線處，設(shè)置4.8 m的標(biāo)艇，該側(cè)面浮標(biāo)左側(cè)為白色錐形頂標(biāo)，右側(cè)為紅色罐形頂標(biāo)，共2對。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，橋梁未配置凈空倒立水尺。此外該橋在2#、3#橋墩的墩身周圍設(shè)置由錨鏈連接浮筒組成的整體防撞設(shè)施。

1.2" 航道資料

橋位河段航道技術(shù)等級現(xiàn)狀為Ⅱ級，全長38.8 km，航道尺度為2.3 m×50 m×500 m（水深×航道寬度×最小彎曲半徑，下同），通航1 000噸級內(nèi)河船舶，多年歷時保證率達(dá)到95%，全線按一類航標(biāo)配布，航標(biāo)夜間發(fā)光。該河段正常蓄水位保持在67.00 m高程，航道水深將大幅改善。擬建橋梁附近沒有礙航礁石、沉船。常水位工況下河道水流平緩，流態(tài)穩(wěn)定，適宜船舶航行。洪水期橋區(qū)水流流速較大，但流態(tài)相對較穩(wěn)定，航道內(nèi)橫向流速＜0.2 m/s。航道規(guī)劃按內(nèi)河Ⅱ級航道、通航2 000噸級單船和2排1列2×2 000噸級頂推船隊(duì)考慮。

1.3" 船舶資料

航區(qū)現(xiàn)有運(yùn)輸方式以單船運(yùn)輸為主，船舶類型主要以一般干貨船、集裝箱船和多用途船為主，河段無漁船作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過閘船舶中，1 000噸級及以上船舶數(shù)量從2007年的5%迅速增加至2014年的65%，目前1 000噸級以上船型已成為主力船型。現(xiàn)狀主力船型總長為50～90 m，寬為9～12.8 m，滿載吃水深度為2.4～4.15 m。

2" 通航安全風(fēng)險(xiǎn)評估

2.1" 航道條件分析

為分析和驗(yàn)證橋區(qū)水域流速流態(tài)，針對橋軸線上游700 m至下游650 m河道開展了水域通航水流數(shù)值模擬，選擇2個水文資料作為橋位河段的計(jì)算控制條件，如表1所示。

模擬研究得出如下主要結(jié)論：

（1）該橋涉水橋墩較多，阻水比較大，但水域河道河面寬闊，水深較大，中洪水期橋墩阻水作用有限，橋梁對上下游航道水深影響較小，上游水位不會因?yàn)樵黾拥奈⒘拷]引起塌岸，下游水位降低也不會大幅減小航道的通航水深。橋梁存在對流速、流向有一定的變化，水流速度的變化隨流量減小而減小，但橋梁對流速、流態(tài)的影響范圍基本局限在橋墩前及橋墩后一定范圍（橋墩的迎水面底部產(chǎn)生橫軸旋渦，橋墩的后半部主流脫離邊界同樣有旋渦產(chǎn)生），對橋位附近以外的橋區(qū)航道基本沒有影響。總體而言，本橋?qū)降浪鳁l件的影響較有限，橋梁建設(shè)沒有惡化航道通航水流條件。

（2）通航凈空尺度。該橋通航凈寬、凈高不滿足現(xiàn)狀、規(guī)劃船舶單孔雙向通航的要求。按照原設(shè)計(jì)最高通航水位為77.26 m，通航下底寬60 m，凈空尺度能滿足現(xiàn)狀2排1列1 000噸級船隊(duì)及單船雙孔單向通航的要求，不滿足規(guī)劃2排1列2 000噸級船隊(duì)雙孔單向通航的要求。規(guī)劃2排1列船隊(duì)及2 000噸級單船計(jì)算要求雙孔單向通航凈寬為76.1 m，對應(yīng)上底寬為58.0 m，滿足側(cè)高6 m、凈高10 m的限制水位為76.16 m。該橋建成通車年份早，受當(dāng)時航道技術(shù)等級及橋梁拱底、建橋技術(shù)、投資的制約，橋梁凈高成為制約船舶通航的主要因素。

2.2" 通航環(huán)境分析

該橋梁受風(fēng)、能見度等自然環(huán)境及交通流、相鄰涉水設(shè)施的影響，通航風(fēng)險(xiǎn)等級低，通航秩序影響程度較低，水流風(fēng)險(xiǎn)等級為一般。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，現(xiàn)狀Ⅲ級航道雙向通航孔通航凈高≥10 m，側(cè)高≥6 m［3］。橋梁凈高是制約船舶通航的主要因素，船橋碰撞的主要因素為橋梁凈空尺度，次要因素為水流流速、水位、船舶操縱技術(shù)和船舶故障。橋區(qū)暫未劃定橋區(qū)水域，對規(guī)范橋區(qū)船舶行為缺乏有效依據(jù)。風(fēng)險(xiǎn)等級匯總一覽表如表2所示。

3" 抗撞性能驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020）（以下簡稱《規(guī)范》）第4.2條，橋梁抗船撞能力采用分級設(shè)防，橋墩、基礎(chǔ)和支座的抗撞性能采用分級評估的分析方法，其性能等級需根據(jù)船撞重要性等級、抗船撞設(shè)防目標(biāo)、船撞作用設(shè)防水準(zhǔn)確定。

3.1" 船撞力作用計(jì)算

（1）參數(shù)取值。咨詢船舶駕駛員得知，由于橋梁通航凈寬尺度較小，因此過往船舶過橋均采用控制行船速度，以安全航速過橋，過橋航速基本≤6節(jié)。結(jié)合相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，各橋墩處船舶撞擊速度如表3所示。各橋墩設(shè)防代表船舶如表4所示。

（2）舶撞擊效應(yīng)。將撞擊力時程曲線加于有限元模型對應(yīng)位置，以計(jì)算結(jié)構(gòu)在撞擊作用下的效應(yīng)。同時，提取截面最不利位置的組合效應(yīng)值，如表5所示。

3.2" 抗撞性能驗(yàn)算

本文通過建立P1～P11號墩的全橋Midas Civil有限元模型，采用“m法”考慮土-基礎(chǔ)的相互作用，船撞抗力計(jì)算的荷載組合為：“自重+二期恒載+車輛+船撞力”，以等效靜態(tài)力的形式施加到橋梁結(jié)構(gòu)上，計(jì)算撞擊效應(yīng)，進(jìn)行該橋的抗撞性能驗(yàn)算［4］。有限元計(jì)算模型如圖1～4所示。由于不同水位下橋墩構(gòu)件控制截面不同，一般撞擊作用位置越高，對結(jié)構(gòu)越不利，選取最高水位（79.12 m）進(jìn)行橋梁抗撞性能驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如下頁表6所示。

由表6可知，P2～P3墩截面承載力略小于組合效應(yīng)，P4～P10墩截面承載力不滿足要求，P1、P11墩在時程荷載作用下的船撞效應(yīng)滿足截面抗撞性能要求。

4" 評估結(jié)論

該橋通航凈寬、凈高不滿足現(xiàn)狀、規(guī)劃船舶單孔雙向通航的要求。采取限制水位的方式進(jìn)行，按照原設(shè)計(jì)最高通航水位77.26 m，通航下底寬60 m，凈空尺度能滿

足現(xiàn)狀2排1列1 000噸級船隊(duì)及單船雙孔單向通航的要求，不滿足規(guī)劃2排1列2 000噸級船隊(duì)雙孔單向通航的要求。規(guī)劃2排1列船隊(duì)及2 000噸級單船計(jì)算要求雙孔單向通航凈寬為76.1 m，對應(yīng)上底寬為58.0 m，滿足側(cè)高6 m、凈高10 m的限制水位為76.16 m。

大橋P1～P11號墩設(shè)防代表船型依次為：1000DWT、2000DWT、2000DWT、1000DWT、1000DWT、500DWT、500DWT、500DWT、500DWT、300DWT、50DWT。P2～P3墩截面承載力略小于組合效應(yīng)，P4～P10墩截面承載力不滿足要求，P1、P11墩在時程荷載作用下的船撞效應(yīng)滿足截面抗撞性能要求。

5" 處置措施

（1）防撞性能提升措施。通航孔涉水P2、P3主墩截面承載力略小于組合效應(yīng)，既有防護(hù)設(shè)施為由錨鏈連接浮筒組成的整體防撞設(shè)施，不滿足2 000噸級船舶的防撞需求，因此考慮增設(shè)防撞設(shè)施，降低船舶撞擊力，保證橋墩安全。針對被動防護(hù)，本文設(shè)計(jì)如表7所示兩個方案進(jìn)行比選。

兩個防撞方案都可以在一定程度上削減來船的撞擊能量，也是近幾年在橋梁防撞工程中運(yùn)用比較多的方式。由于橡膠護(hù)舷尺寸限制，緩沖能力有限，對橋墩及船舶局部損傷保護(hù)有限。自浮式套箱為浮式形式，對橋墩美觀影響較小，適合于河道水位落差大的橋梁，對橋梁在不同水位下均起到良好的保護(hù)作用，消能緩沖尺度可根據(jù)需求定制，能較好地保護(hù)橋墩，降低船舶損傷程度。

（2）通航環(huán)境改善措施。本橋通航凈寬、凈高不滿足現(xiàn)狀、規(guī)劃船舶單孔雙向通航的要求，建議的措施為加裝主動預(yù)警裝置。在橋梁防撞墻設(shè)立實(shí)時凈高提示標(biāo)牌，供過橋船舶參考，以便讓航行中的船舶提前選擇是否通過橋梁。

（3）建議橋區(qū)加強(qiáng)橋梁警示標(biāo)志、通航凈高標(biāo)牌的設(shè)置和管理，完善周邊水域?qū)е皆O(shè)施，以便于船舶保持正確航道航行。后續(xù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對該橋遠(yuǎn)期的船撞風(fēng)險(xiǎn)按公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的動態(tài)評估。

6" 結(jié)語

本文通過對某連續(xù)剛構(gòu)橋梁船舶碰撞隱患的風(fēng)險(xiǎn)分析與評估，認(rèn)為該橋既有防撞設(shè)施不滿足2 000噸級船舶的防撞需求，并針對此類隱患的治理提出相應(yīng)的措施及建議，如提升被動防護(hù)設(shè)施、改善通航環(huán)境及加強(qiáng)橋區(qū)標(biāo)志標(biāo)牌管理等，供類似結(jié)構(gòu)橋梁的船舶碰撞隱患治理工作參考借鑒。

［1］王召兵.航道等級提升后橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)分析及防撞措施研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

［2］JTG/T 3360-02-2020，公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］高榮雄.基于非線性有限元的橋梁船撞分析與撞擊力研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（1）：12-15，21.

20240406