橋梁防撞設(shè)計(jì)的常用方法探討

顧承杰

摘 要：橋梁是重要的交通樞紐，一旦船舶與橋梁發(fā)生撞擊，將會(huì)造成船舶被撞壞、沉沒(méi)和橋梁被撞損、坍塌的嚴(yán)重后果，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害。文章針對(duì)國(guó)內(nèi)外橋梁防撞現(xiàn)有的技術(shù)，簡(jiǎn)析了橋梁防撞設(shè)計(jì)的常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并以某跨海大橋橋墩的防撞設(shè)計(jì)為例進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：橋梁防撞；常用方法；方案；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U422.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）27-0147-02

1 加強(qiáng)橋梁防撞方案設(shè)計(jì)的必要性

隨著交通運(yùn)輸和內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展，我國(guó)航運(yùn)量不斷增大，船舶撞擊橋梁的問(wèn)題也越來(lái)越突出。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)顯示，世界上發(fā)生船舶撞擊橋梁的事故已經(jīng)達(dá)到上百件。我國(guó)自2006年以來(lái)，杭州灣跨海大橋、廣東九江大橋、江蘇昆山大洋橋、上海大治河大橋、湖南平陽(yáng)范固橋等跨河大橋相繼發(fā)生船舶撞擊橋梁的事故，經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡嚴(yán)重，使得橋梁防撞設(shè)計(jì)受到了工程界人士的廣泛關(guān)注。為了避免此類(lèi)事故的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)橋梁防撞方案設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮防護(hù)裝置的作用。

2 常用的橋梁防撞設(shè)計(jì)方法

2.1 主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞設(shè)計(jì)方法

綜合國(guó)內(nèi)橋梁防撞設(shè)計(jì)既有的技術(shù)，橋梁防撞設(shè)計(jì)方法主要有兩種：主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞。主動(dòng)防撞設(shè)計(jì)，是通過(guò)對(duì)船舶的航行管理和航行軌跡進(jìn)行干預(yù)，避免船舶撞擊橋梁事故發(fā)生的一種方法；被動(dòng)防撞設(shè)計(jì)，是通過(guò)橋墩自身的加強(qiáng)或者輔助防撞設(shè)施來(lái)抵御船舶的撞擊，進(jìn)而避免撞擊事故發(fā)生或降低受損程度的方法。

主動(dòng)防撞設(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)方案能否成功，取決于人的素質(zhì)、技術(shù)水平、資金等各方面因素，因此有著較高的要求。被動(dòng)防撞設(shè)計(jì)對(duì)防撞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和輔助設(shè)施的消能效果要求較高。

2.2 我國(guó)采用被動(dòng)防撞設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容

我國(guó)在橋梁防撞設(shè)計(jì)上主要采用被動(dòng)防撞設(shè)計(jì)方法，具體的防撞設(shè)計(jì)方法如下。

2.2.1 人工島

人工島是一種用圬工島將橋墩臺(tái)阻隔、消能的防撞設(shè)計(jì)方法。適用于航道水位淺、江面寬闊條件下的橋梁工程。實(shí)際運(yùn)用中，存在侵占水面多、改變航道原有水流環(huán)境的缺點(diǎn)，由于剛性較大，對(duì)船舶破壞力較大。

2.2.2 墩外墩

墩外墩在橋墩外圍設(shè)置防撞墩，用以消除船舶撞擊帶來(lái)的全部或部分動(dòng)能。適用于航道水位淺、基礎(chǔ)條件好、水位落差小及設(shè)置后不阻礙通航條件下的橋梁工程。實(shí)際運(yùn)用中會(huì)侵占水面，對(duì)地基要求較高。若是對(duì)深水位的橋梁工程采用這種防撞方法，造價(jià)將會(huì)大幅度提高。

2.2.3 圍 堰

圍堰在橋墩外圍的水底打入一圈混凝土樁或鋼板樁，形成一個(gè)相互緊扣的圍堰結(jié)構(gòu)，利用變形來(lái)抵抗船舶的撞擊力，既可以保護(hù)橋梁，又可以減輕船舶的損壞程度。適用于航道水位淺、基礎(chǔ)條件好、設(shè)置后不阻礙通航條件下的橋梁工程。實(shí)際運(yùn)用中存在改變水流環(huán)境、侵占水面的缺點(diǎn)。

2.2.4 防撞樁群

防撞樁群在橋墩外圍設(shè)置更多的根樁，吸收船舶撞擊帶來(lái)的全部或部分動(dòng)能。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求樁群消減能和墩臺(tái)抗力之和大于船舶的撞擊力，這樣才能保護(hù)墩臺(tái)，減輕船舶損壞的嚴(yán)重程度，達(dá)到良好的防撞效果。這種橋梁防撞設(shè)計(jì)方法適用于航道水位淺、水位落差小、基礎(chǔ)條件好、設(shè)置后不阻礙通航條件下的橋梁工程，存在侵占水面較大的缺點(diǎn)。

2.2.5 實(shí)體墩

實(shí)體墩提高橋梁工程墩臺(tái)的強(qiáng)度，使橋梁工程利用墩臺(tái)的強(qiáng)度來(lái)抵抗船舶的撞擊力。適用于水位落差大、航道緊張條件下的橋梁工程。實(shí)際運(yùn)用中，該方案不受船舶撞擊方向的影響，但由于橋墩剛度大，對(duì)船舶的破壞力大。

2.2.6 漂浮式柔性防撞系統(tǒng)

漂浮式柔性防撞系統(tǒng)利用繩柔性網(wǎng)等耗能器或浮鏈消減船舶撞擊傳來(lái)的動(dòng)能，具有保護(hù)墩臺(tái)、減輕對(duì)撞擊船舶破壞的優(yōu)勢(shì)。適用于航道寬闊、設(shè)置后不阻礙通航條件下的橋梁工程。

2.2.7 耗能吸收元件

耗能吸收元件主要利用橡膠或塑性囊體吸收船舶撞擊橋梁的部分動(dòng)能，要求設(shè)置后和墩臺(tái)的合抗力大于船舶的撞擊力。適用于航道寬闊條件下的橋梁工程。實(shí)際應(yīng)用中，具有保護(hù)橋梁和船舶的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)大型船舶的意義不大。因?yàn)榇笮痛白矒魳蛄旱膭?dòng)能較大，而橡膠或塑性囊體吸收的部分撞力只能抵消大型船舶撞力的一小部分，達(dá)不到保護(hù)橋梁的作用。

3 某跨海大橋橋墩防撞設(shè)計(jì)分析

3.1 工程概況

某跨海大橋，由于受風(fēng)、浪、水流荷載、地震慣性力和汽車(chē)制動(dòng)力等因素的影響較大，在橋梁設(shè)計(jì)中增大了橋墩水平承載力，但是防撞能力依然沒(méi)有得到有效的改善，對(duì)撞擊振動(dòng)比較敏感。所以，需要采取一定的防撞措施，盡量降低船舶撞擊帶來(lái)的破壞性影響。該橋的主航道孔塔柱基礎(chǔ)采用的是高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，樁基為直徑2 500 mm的混凝土灌注樁。下面主要論述針對(duì)主航道孔的橋墩防撞方案設(shè)計(jì)。

3.2 防撞設(shè)計(jì)

3.2.1 防撞設(shè)計(jì)分析

第一，從實(shí)際勘探結(jié)果來(lái)看，橋墩地基條件差，表層為淤泥，持力層較深，不適宜采用適用于地基條件好的防撞設(shè)計(jì)方案，如墩外墩、圍堰等。

第二，海浪、潮流流速較大，不適于采用漂浮式柔性防撞系統(tǒng)，難以保證防護(hù)裝置穩(wěn)定。

第三，海水的腐蝕性嚴(yán)重，易腐蝕防撞結(jié)構(gòu)，要求防撞結(jié)構(gòu)具有較高的防腐蝕性能。

第四，海上施工作業(yè)困難，應(yīng)當(dāng)采用安裝便捷、修復(fù)快速的防撞結(jié)構(gòu)型式。

3.2.2 船舶撞擊力計(jì)算

鑒于我國(guó)尚未形成完整和系統(tǒng)的橋梁防撞設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)有系統(tǒng)的船舶撞擊力計(jì)算公式，因此，參考國(guó)際上通用的規(guī)范，這里采用美國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的船舶撞擊力計(jì)算公式：

v表示撞擊速度，DWT表示船舶載重量。

確定采用的船舶撞擊力計(jì)算公式后，收集整理計(jì)算需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括船舶撞擊速度、船舶排水量、水位情況、通航孔徑等，然后輸入公式中，得到主通航孔在不同船舶排水量、不同撞擊模式、不同撞擊速度下的船撞力，見(jiàn)表1。

3.2.3 防撞結(jié)構(gòu)吸收能量計(jì)算

同樣，由于我國(guó)尚未形成完善和標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方式，參考國(guó)際上通用的計(jì)算方式，這里采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS6349中的公式進(jìn)行防撞結(jié)構(gòu)吸收能量計(jì)算：

Cm表示流體動(dòng)力系數(shù)，表示船舶排水量，Vb表示撞擊速度，Ce表示偏心系數(shù)，Cs表示柔性系數(shù)，Vb表示形狀系數(shù)。

計(jì)算前，收集整理需要的數(shù)據(jù)，包括滿(mǎn)載排水量、水動(dòng)力系數(shù)、撞擊速度、有效撞擊動(dòng)能等，然后輸入計(jì)算公式中，得到防撞結(jié)構(gòu)吸收能量，見(jiàn)表2。

3.2.4 防撞方案設(shè)計(jì)

基于以上分析，我們知道了此橋梁防撞設(shè)計(jì)要求，以及需要考慮的船舶撞擊力、防撞結(jié)構(gòu)吸收能量數(shù)據(jù)，再結(jié)合橋墩采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，基樁為2 500 mm的鉆孔灌注樁，可承受10 000 t級(jí)別的船舶撞擊力，所以提出采用懸浮式的防撞結(jié)構(gòu)。基于這樣的考量，對(duì)主通航孔處橋墩提出了這樣的防撞設(shè)計(jì)方案：混凝土防撞承臺(tái)和橡膠護(hù)舷混合型。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把圍堰和耗能吸收元件兩種防撞設(shè)計(jì)方法有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮兩種防撞設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到防護(hù)橋梁的目的。通過(guò)有限元仿真分析，這種設(shè)計(jì)符合該工程特點(diǎn)，滿(mǎn)足主航道孔橋墩防撞要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，橋梁防撞設(shè)計(jì)方法是多種多樣的，如何從眾多方法中選出最適合的方法，要以橋梁工程實(shí)際的工程地質(zhì)條件和防撞要求等為基本依據(jù)。為此，進(jìn)行橋梁防撞設(shè)計(jì)時(shí)，要全面掌握橋梁的工程地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)中需要的各種數(shù)據(jù)，為防撞方案設(shè)計(jì)提供基本的數(shù)據(jù)支持，推動(dòng)防撞設(shè)計(jì)工作的有序開(kāi)展，保證防撞方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性和有效性，滿(mǎn)足橋梁防撞要求。在今后的工作中，應(yīng)當(dāng)不斷加強(qiáng)橋梁防撞設(shè)計(jì)研究力度，不斷提高橋梁防撞設(shè)計(jì)方法的技術(shù)水平，為橋梁安全提供基本的保障，降低船舶撞擊橋梁事故的發(fā)生率及其危害程度，保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)：

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