探究跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設計方法

龔世康

中國公路工程咨詢集團有限公司 330000

摘要：本文主要闡明了跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設計的目的和原則，并就設計中最為重要的考量因素進行了分析和解釋，最后基于橋梁船舶撞擊力的計算方法對通航防撞設計理念進行了淺析，以期為今后類似工程設計提供相關參考資料。

關鍵詞：跨江橋梁工程；支架；通航防撞；撞擊力

我國內陸江河較多，為了便于河域兩邊的經濟交流和文化互動，在大型江河流域之間建立起一座橋梁成為了該區域經濟發展的必然趨勢。目前，在我國較為出名的跨江橋梁主要包含武漢長江大橋、武漢長江二橋、白沙洲大橋、南京長江大橋及萬安古渡洛陽橋等。而隨著橋梁建設基礎工程的不斷完善，船舶交通量及噸位也在不斷增加，故而，大跨橋梁結構工程設計項目中船舶防撞設計也成為亟待解決的課題之一。基于此研究背景，本文主要以跨江中小橋梁為研究對象，對該項工程項目支架施工中的通航防撞設計原則、方法進行了一番分析，現試論如下。

一、通航防撞設計概述

（一）簡析通航防撞設計的目的

跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設計方法的運用旨在于通過避免或降低船舶同橋墩發生碰撞對橋墩帶來的破壞力，來提升橋梁的使用年限，從而實現跨江橋梁的設計目的，發揮其職能。一般情況而言，諸如上文說例舉的大型跨江橋梁項目其支架施工中通航防撞設計方法的運用較為復雜，且實施難度較大，本次暫時不做探討，以中小跨江橋梁的通航防撞設計方法為研究分析對象。較之于大型跨江橋梁，中小跨江橋梁橫向抗撞擊力標準一般情況下會更低，因此在通航防撞設計方法的選擇上，也會選擇不同的防撞設施來規避和阻斷船舶撞擊力傳導到橋梁（或橋墩），抑或借由緩沖消能防撞設施延長船舶撞擊至橋梁體的時間，由此來降低或緩沖傳播撞擊力，避免船毀橋塌事件。

（二）簡析通航防撞設計的原則

目前，我國在跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設施設計方面并沒有出臺明確的規范和條文，因此，所有中小型跨江橋梁的防撞設施設計技均是依據其設計目的和原則開展和進行的，目的上文已經論述，此處不表。至于防撞設施的設計原則，應當是指向設計目的，以設計目的為服務對象，因此，需要考量的主要是影響橋墩抗撞能力的各項因素，諸如：橋梁橋墩在江中的位置設計、橋梁橋墩的外形設計、江水水流速度及季節水位變化情況、主要通航船舶的類型及噸位、橋梁橋墩自身的抗撞能力等。

結合橋梁項目支架施工中通航防撞目的，細化而言，防撞設計原則應當涵蓋以下幾點：其一，船舶同橋梁在碰撞過程中會促使兩者在運動狀態上發生劇烈改變，因此在設計原則上并不能以避免橋梁無損為原則，在一定條件下，允許通航防撞設計對象遭受損壞，但是需易于修復，確保橋梁橋體短期之內恢復至受保護狀態；其二，跨江中小型橋梁建設中，橋墩主要的作用在于支撐橋體上部結構傳來的荷載，因此一般情況下其抗撞能力較弱。由此通航防撞設施設計不宜同橋墩直接連接。其三，跨江中小型橋梁橋墩基礎較弱，防撞設施設計需在盡量避免動用原橋設計基礎的前提下，設計的防撞設施可以消耗全部或多數碰撞船舶的能量；若是橋墩承臺具有較好的抗撞性能，可以在設計階段將其可以承受小部分船舶撞擊力作為考量因素，確保設計方案更具經濟性。其四，橋梁建設的主要目的在于方便交通，因此防撞設施設計不能影響江面正常航道通航狀態，如果出現必須占用航道的情況，也需最大限度地盡量減少占用面積，以防導致航道堵塞。其五，船舶碰撞橋梁橋體是船舶方過錯，但是船舶因此撞擊受損沉沒抑或造成航道阻塞，均會造成極大的經濟損失，同時船舶損壞漏油也會造成極大的水污染，故而在通航防撞設計方法的運用方面，防撞設施的構造形式和設計原則應當濕度考慮船舶保護事項，以減少碰撞船只損傷，降低經濟損失。其六，防撞設施設計需要同橋墩設計風格一致，不影響其美觀。

二、淺析通航防撞設計中舶撞擊力計算的計算方法

目前，在通航防撞設計構思主要依據兩點因素進行選擇，其一為基于擬船舶撞擊力的防撞方案選擇，其二為于結構抗力的防撞設計構思。第二種方案主要應用于外海，因此本文主要集中探討第一種構思方案。現階段，我國缺失系統的橋墩防撞設計規范，但是對于船舶碰撞撞擊力的計算方法卻在《系統的橋墩防撞設計規范》（JTGD60—2004）及《鐵路橋涵設計基本規范》（TB10002.1—2005）中均有論述。

（一）公路規范中舶撞擊力計算的計算方法

公路規范中規范了航運中漂流物橫橋向撞擊力標準值計算公式，為：F=Wv/gT。其中：

F——漂浮物撞擊力；

W——漂浮物重力；

v——水流速度；

g——重力加速度；

T——撞擊時間

其中，T若無實際資料表明撞擊事件，則取值1s；g一般情況下取值為9.81m/s?。假設內河船舶的撞擊作用點是跨江橋梁寬度的中線處，具體位置為通航水位線上2米處，則順橋向撞擊力標準值約為橫橋向撞擊力標準值的3/4倍。

（二）鐵路規范中舶撞擊力計算的計算方法

公路規范中同樣對橋梁墩臺承受船只的撞擊力標準值計算公式給予了規定，為：F=rVsinα[w/（C1+C2）]0.5。式中：

F——船舶撞擊力；

r——動能折減系數；

V——船只撞擊墩臺時的速度；

α——船只駛近方向與撞擊點處墩臺切線所成的夾角；

w——船只噸位；

C1——船只彈性變形系數；

C2——墩臺圬工的彈性變形系數

當船只駛近方向與撞擊點處墩臺面處法線方向不一致，[w/（C1+C2）]0.5取值0.2，當方向一致，取值0.3；α確定困難則取值為20°；C1和C2確定困難，則設定兩者之和為0.0005m/kN。

三、根據虛擬案例分析橋梁船舶撞擊力計算結果

綜合上文可知，跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設計需要考量的因素眾多，進行設計的過程中需要重點考量的便是船舶撞擊力。依據上述公式和理論，參考《內河通航標準》相關規定，虛擬各項計算參數，計算出橋梁船舶撞擊力。

假設船舶噸位（w）為3000t，船舶靜水速度為17km/h，水流速度（v）為2.3m/s。則依據公路規范可進行橋梁船舶撞擊力計算：其中，船舶橫橋向撞擊力為：F=Wv/gT=20000×2.3/9.81×1=4689.09kN；順橋向撞擊力為：4689.09×3/4=3516.82kN。

依據鐵路規范進行計算，則船舶順橋向撞擊力為：F=rVsinα[w/（C1+C2）]0.5=0.2×2.3×sin20°×[20000/0.0005]=6293.17kN；則船舶橫橋向撞擊力為：6293.17×1.25=7866.46kN。

一般情況而言，基于橋梁船舶撞擊力進行通航防撞設計是保證橋抗撞力的主要途徑，因此可以進一步依據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》計算出一般橋梁的撞擊力，從而來評判橋梁防撞設計是否合格。

四、基于橋梁船舶撞擊力進行通航防撞設計的方法

已經明確，基于橋梁船舶撞擊力來進行通航防撞設計是確保橋梁防撞性能優良的主要方法之一，不過正如前文所述，橋梁支架及橋墩是否可以承受船舶撞擊，還在于橋梁的抗撞力。因此目前使用于防撞設計中的主要方案中便包含緩沖橡膠塊、防撞頂面墩（見圖1a.b.c）等設計，當然基于外部保護原則也存在設置人工防撞島、防撞墻、纜索攔截等設計方法。

圖1 a 防撞墩立面布置圖

圖1 b 防撞墩平面布置圖

圖1 b 防撞墩截面布置圖

以防撞頂面墩設計為例，由上圖可知，防撞墩主要采用的是鋼箱混凝土結構形式，其長寬和壁厚都依據其性能進行了嚴格限制，而為了增強其抗撞力，依據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》采用規格的鋼材和混凝土也是應當遵循的原則之一。

結束語

總而言之，在進行跨江橋梁工程項目支架施工中通航防撞設計時，需要考量的重要問題便是橋梁支架（或橋墩）最大抗撞力的計算，只有基于橋梁船舶撞擊力進行防撞設計，方可滿足設計要求。

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