北江航道白土大橋防撞設計

孫旋,饒西平

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司,湖北武漢 430060)

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北江航道白土大橋防撞設計

孫旋,饒西平

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司,湖北武漢 430060)

摘要:針對北江韶關至烏石航道整治工程中白土大橋的防撞,通過從防撞效果、對航道凈寬的影響、撞擊船舶損傷度、船舶撞擊對橋梁的損傷、日常維護費用、撞損后修復難度、消能緩沖效果、對船舶的保護能力、水文適應性、施工難度和工程造價等方面對各防撞方案的比較確定設計方案,為類似航道整治工程上橋梁防撞設計提供參考。

關鍵詞:橋梁;航道整治;防撞設計;方案比選

1 工程概況

北江韶關至烏石航道全長約41 km,現狀航道等級為Ⅴ級。航道整治范圍為白土大橋至烏石,整治里程為34.5 km,整治后航道按內河Ⅲ級、通航1 000 t船舶標準建設,通航保證率98%,設計航道尺寸為(25×60×330)m。由于白土大橋按Ⅴ級航道標準設計,設計標準較低,通航凈寬富余較小,存在被船舶撞擊的風險,且橋梁結構自身抗撞能力薄弱,需對其增設防撞設施。白土大橋橋位見圖1。

圖1 白土大橋平面位置示意圖

2 橋梁通航現狀

2.1 白土大橋現狀

白土大橋建于1988年,跨航道處采用空腹式梁拱組合結構,雙孔通航,單個通航孔凈寬45.6 m,凈高7.04 m。白土大橋現狀見圖2。

2.2 凈空尺寸分析

白土大橋通航孔實測輪廓見圖3,正常蓄水位下的凈高情況如下:常水位45.82 m,常水位下凈高12.31 m,滿足船行凈高要求。其通航保證率見表1,凈高及通航保證率均滿足Ⅲ級航道要求。

圖2 現狀白土大橋

圖3 白土大橋實測輪廓線(單位:m)

表1 白土大橋2009—2012年通航保證率情況

3 橋梁防撞方案比選

3.1 防船舶撞擊設施設計原則

由于白土大橋建成時間早,設計標準低,通航凈空尺寸偏小,存在被船舶撞擊的風險,且結構自身較薄弱,不能承受船舶的直接撞擊。基于該橋以上特點,防撞設施設計中充分考慮以下因素:

(1)防撞設施應能很好地保護橋墩,同時盡量減小船舶的損傷。對碰撞的船舶能量進行消能緩沖,使船舶不能直接撞擊橋墩或將船舶碰撞力控制在安全范圍內。

(2)防撞設施占用空間小,盡量不占用航道通航寬度。

(3)防撞設施制造、安裝、維修方便,工程經濟性好,經久耐用,功能可靠。在一定條件下,允許防撞設施受破壞,但應考慮破壞后的迅速修復。

(4)防撞設施盡量不改變橋梁原有風格,能與周圍景觀相協調。

3.2 防撞設施設計方案

3.2.1 防撞設施類型

橋梁防撞設施一般分為主動防撞設施和被動防撞設施。主動防撞設施包括航標、橋涵標及相關警示標志、導航系統、預警系統等,通過這些設施引導船舶沿正確航道行駛;被動防撞設施通常采用橋梁自身抗撞、橡膠防撞護弦、附著式防撞設施、獨立防撞設施等方式。

主動防撞設施能減少船舶撞擊橋梁的幾率,但不能完全避免船舶撞擊橋梁,在發生船舶撞擊橋梁事故時需采用可靠手段保證橋梁的安全,故該橋采用主動防撞與被動防撞設施相結合的防撞方案。

3.2.2 被動式防撞方案選擇

目前常用的橋梁被動防撞方式主要有通過結構自身抗撞、橡膠防撞護弦、橋梁附著式防撞設施、獨立防撞設施等。由于該橋結構本身不滿足防撞要求,只對存在可實施性的橡膠防撞護弦、橋梁外包防撞設施、獨立防撞墩3種方案進行比選。被動式防撞方案比較見表2。

表2 被動式防撞方案比較

經綜合比較,該橋被動式防撞方案采用獨立防撞設施方案。

3.2.3 防撞設計方案比選

按所用材料的不同,獨立防撞設施主要分為鋼筋砼結構、鋼結構、柔性復合材料三類。3種材料防撞設施比較見表3。

表3 防撞設計方案比較

經綜合比較,該橋采用浮式柔性鋼復合材料防撞設施。

4 白土大橋防撞設計

4.1 總體布置

白土大橋位于航道K16+520 m處,跨航道處采用空腹式梁拱組合結構,雙孔通航,單個通航孔凈寬45.6 m。航道兩側橋墩為5#、6#、7#橋墩,均為砼實體式橋墩,存在被船舶撞擊的風險,需要在3個橋墩處設置防撞設施。

4.2 比選方案一

在橋梁通航孔兩側的5#、6#、7#橋墩處設置群樁-圓端型、矩形截面組合浮式柔性復合材料防撞設施,以防止船舶正面、側面撞擊橋梁。防撞設施將橋墩全部包裹,并與橋墩之間留有間隙,保證船舶撞擊時防撞設施不接觸到橋梁。橋梁防撞設施總體布置見圖4(a),防撞設施構造見圖5。

4.3 比選方案二

在橋梁5#橋墩下游、6#橋墩上下游、7#橋墩上游處設置群樁-圓端型浮式柔性防撞設施,防止船舶正面撞擊橋梁,并在5#、6#、7#橋墩外側設置附著式柔性防撞設施,防止船舶側面撞擊橋梁。防撞設施總體布置見圖4(b),防撞設施構造見圖6。

4.4 防撞原理

2種方案每個防撞設施主體結構由鋼套箱、復合高分子材料、阻尼元件組成,鋼套箱由多個鋼板結構的密封艙室、桁架支撐結構組成。鋼套箱外表面設置有200 mm厚復合高分子材料、300 mm厚阻尼元件,并焊接形成一個整體。

圖4 白土大橋防撞設施總體布置(方案一,單位:cm)

圖5 白土大橋防撞設施構造(方案一,單位:cm)

圖6 白土大橋防撞設施構造(方案二,單位:cm)

當船舶撞擊防撞設施時,阻尼元件、復合高分子材料首先吸收部分碰撞能量,并且延長了接觸時間,使撞擊力峰值得以降低,同時由于材料變形、船舶與防撞結構相互作用及撥動船頭方向的作用,減少了船舶與結構間的能量交換。當碰撞過程繼續進行時,高分子復合材料-鋼套箱結構進一步變形、吸能,再次改變船頭航向,降低船舶撞擊力。通過防撞設施改變船舶航行方向、延長接觸時間、結構變形等作用,大大降低碰撞能量,并吸收大部分碰撞能量,僅有少量碰撞能量傳遞到樁基礎上,同時最大限度地降低船舶的損傷,保護船舶的安全。

4.5 方案比選

方案一群樁-浮式柔性防撞設施與方案二群樁-圓端型浮式柔性防撞設施+附著式柔性防撞設施組合方案的比較見表4。

表4 防撞方案比較

經綜合比較,白土大橋防撞方案推薦采用方案一,即群樁-圓端型-矩形截面浮式柔性復合材料防撞方案。

5 結語

該文對北江韶關至烏石航道整治范圍內的白土大橋進行防撞設計,該橋增設防撞設施后,由于浮式柔性復合材料的吸能、延長碰撞時間、改變船舶航向的作用,有效減小了撞擊力,并起到保護船舶的作用。碰撞過程中,船舶、防撞設施均未出現破損,且不會直接接觸橋梁,起到了良好的保護橋梁的作用。

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收稿日期:2015-11-16

中圖分類號:U442.5

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0168-04