川槎大橋通航孔水上防撞限高架設計研究

2019-02-18 15:30:20徐光中

珠江水運 2019年2期

徐光中

摘要：船舶撞擊橋梁上部結構是船舶撞擊橋梁事故的種類之一，此類事故頻繁發(fā)生，對橋梁結構危害很大，本文介紹了水上限高防撞架的設計及施工方法，可為橋梁上部結構防止船撞的設計與研究提供參考。

關鍵詞：船撞橋梁上部結構橋梁防撞防撞裝置

1.引言

由于船舶大型化日益明顯，許多高噸位的大船卻選擇了走低等級的航道，導致船舶撞擊橋梁上部結構的事故呈不斷上升趨勢，我國對船橋碰撞的研究起步比較晚，直到上世紀90年代才開始。我國的船撞橋事故的研究工作，主要依靠研究學者結合國內(nèi)的橋梁項目的防撞設施實驗開展，研究內(nèi)容主要為船橋撞擊力的計算，橋墩附近的水域?qū)Υ昂叫械陌踩杂绊懙龋渲校瑢τ诖白矒魳蛄旱淖矒袅ρ芯慷酁榇白矒魳蚨盏南嚓P課題，關于船舶撞擊橋梁上部結構的研究相對較少，然而超過橋梁通航凈空的船舶撞擊橋梁上部結構的事故近年來卻頻繁發(fā)生，國內(nèi)外的預防措施多為設置通航警示、加強監(jiān)督等，但效果往往不甚理想，如能在橋梁旁側(cè)設置水上限高防撞結構攔截超高船舶，則是釜底抽薪的有效辦法，而關于橋梁防撞限高架的設計與實施目前國內(nèi)尚無先例。

船舶撞擊橋梁上部結構所引發(fā)的事故輕則造成橋梁上部結構損傷，重則造成橋梁上部結構整體垮塌，帶來重大生命財產(chǎn)損失，因此為了減少橋梁上部結構遭受船舶超高部分撞擊事故的發(fā)生，保護人民生命財產(chǎn)安全，開展對于超高船舶撞擊橋梁上部結構及對防范設施的研究設計工作是必要而且緊迫的。

2.工程概況

川槎大橋川槎大橋建成于1995年，橋址位于廣深高速麻涌至望牛墩之間路段，橫跨倒運海水道，在倒運海水道獅子洋——斗朗段中上游，其所在航道的規(guī)劃等級為Ⅳ級，規(guī)劃通航船舶為500t級，川槎大橋為公路橋梁，雙向六車道，橋梁橫斷面為等寬段雙幅采用上下行分離式橋面，單幅橋?qū)?5.75m，總長670m。

近年以來，川槎大橋上部結構多次遭超過通航凈空高度的船舶碰撞，其中包括1000～2000噸級船舶，2013年至2016年發(fā)生數(shù)起比較嚴重的碰撞事件，并造成橋梁上部結構部分T梁受損，雖采取多種措施，但效果仍不理想，為確保橋梁安全，需建一座水上防撞限高架攔截超高船舶。

3.防撞限高架的平面布置

平面布置方案以對孔布置及不減少現(xiàn)有通航孔通航凈空尺度為原則，結合現(xiàn)場調(diào)研及與相關等部門溝通成果及相關規(guī)范、規(guī)程，共布置三個平面方案。

3.1 總平面方案一

（1）布置原則：①通航孔對孔布置；②不改變原通航孔凈空尺度；③參照《內(nèi)河通航標準》（GB50139-2014）中“當兩座相鄰水上過河建筑物的軸線間距不能滿足要求，且其所處通航水域無礙航水流時，應靠近布置，兩建筑物間相鄰邊緣距離應控制在50m以內(nèi)，且通航孔必須相互對應”要求布置。

（2）平面布置：距川槎大橋橋梁上下游邊緣約32m處各布置1座限高架，即限高架與橋梁內(nèi)邊緣距離為32m，共布置2座限高架。限高架跨徑組合為2×72.5m，長145m。限高架橋墩與川槎大橋橋墩順水流方向?qū)贾谩?/p>

受限高架的影響，橋區(qū)航道相應作適當調(diào)整，調(diào)整后的航道直線段距限高架上邊緣不小于200m。調(diào)整后，上游最近一座碼頭水域與航道有交叉。

3.2 總平面方案二

（1）布置原則：①通航孔對孔布置；②不改變原通航孔凈空尺度；③將可能撞擊橋梁的船舶攔截在遠離橋梁位置，限高架遠離橋梁布置。

（2）平面布置：考慮到上游彎道的影響，橋區(qū)航道直線段布置困難，限高架超過100m布置，航道邊線將布置到上游右岸岸坡上，因此，在距川槎大橋橋梁上下游邊緣約100m處布置1座限高架，即限高架與橋梁內(nèi)邊緣距離為100m，共布置2座限高架。限高架跨徑組合為2×72.5m，長145m。限高架橋墩與川槎大橋橋墩順水流方向?qū)贾谩?/p>

受限高架的影響，橋區(qū)航道相應作適當調(diào)整，調(diào)整后的航道直線段距限高架上邊緣不小于200m。調(diào)整后，對上游兩座碼頭影響較大。

3.3 總平面方案三

（1）布置原則：①通航孔對孔布置；②不改變原通航孔凈空尺度；③參照《內(nèi)河通航標準》（GB50139-2014），靠近布置的水上過河建筑物不宜超過2座，為避免產(chǎn)生“巷道效應”，限高架對應通航孔位置布置。

（2）平面布置：根據(jù)《內(nèi)河通航標準》（GB50139-2014），靠近布置的水上過河建筑物不宜超過2座，為避免產(chǎn)生“巷道效應”，限高架對應通航孔位置布置。即上下游各布置1跨跨度為72.5m的限高架，限高架與橋梁內(nèi)邊緣距離為40m，共布置2座限高架。限高架橋墩與川槎大橋橋墩順水流方向?qū)贾谩Ｔ诒畴x船舶一側(cè)通航孔設置禁航標志。

3.4 方案比選

各方案優(yōu)缺點如表1所示。

綜上對比，方案一限高架距橋邊緣距離約32m，滿足現(xiàn)行《內(nèi)河通航標準》（GB50139-2014）兩建筑物間相鄰邊緣距離應控制在50m以內(nèi)的要求，三座建筑物形成一定的“巷道效應”，對船舶駕駛會產(chǎn)生一定的壓迫感，但相比方案二，方案一與橋梁距離更近，可避免超高船舶繞過限高架從而躲避攔截，而方案三采用單跨布置，則不按通航規(guī)定或不熟悉該水域的通航船舶，可能會避開限高架誤從另一孔通行進而撞擊橋梁，采用雙跨布置可有效避免此情況發(fā)生。因此，將平面方案一作為平面推薦方案。

4.防撞限高架結構方案

4.1方案比選

本次防撞方案擬采用剛性方案和柔性方案進行比選，剛性方案采用鋼桁架結構型式，柔性方案采用拉索結構型式。

（1）鋼桁架結構設計。限高主體結構采用鋼桁架結構，2跨連續(xù)，總長145m，桁架高2m，寬5.2m。

鋼桁架受到船舶撞擊時，若撞擊位置恰好在鋼桁架節(jié)點處，則撞擊力能有效快速地傳遞分散至其他桿件，形成整體受力；若撞擊位置不在鋼桁架節(jié)點處，則巨大的撞擊集中力將使撞擊處的桿件迅速破壞，因此，為了能夠盡量擴散船舶撞擊力，在鋼桁架迎撞面設置向外突出的結構，由加厚鋼板組成，斷面為“]”形。外突出的“]”形結構正面設置一層豎向的加厚鋼板，長145m，高2m，厚2.5cm，頂部與底層分別各設置兩層水平加厚鋼板，長145m，寬0.4m，每層厚2.5cm。

鋼桁架各構件尺寸如表2。

鋼桁架各構件鋼材材質(zhì)均采用Q345B。

迎撞面的豎向鋼板上設置柔性防撞護舷，以盡量降低船舶撞擊力。

（2）拉索結構型式。拉索結構型式采用柔性結構，型式新穎，在拉索端部的處理上，具有一定的靈活性，拉索兩端采用錨固的方法，固定于左、右兩端承臺。

該方案的限高主體結構采用拉索緩沖耗散船舶撞擊能量，采用吊索將下方主拉索懸掛于上方拉索上，下方主拉索與上方拉索均通過鋼索塔定位，索端錨碇于混凝土承臺內(nèi)，拉索合力對船舶做負功抵抗消耗超高船舶的運動能量。

綜合表3優(yōu)缺點分析，鋼桁架方案防護效果更好，使用維修方便，且總造價更省，推薦采用鋼桁架方案。

4.2防撞限高架結構計算

（1）撞擊力的確定。結合對倒運海水道實際航行的各貨種船型分析，進一步分析典型過橋船舶，并考慮到船舶大型化發(fā)展趨勢，提出在95%保證率下防撞設計的代表船型為2000噸級船舶，設計撞擊速度為3.5m/s。

船舶撞擊限高架上部結構產(chǎn)生的撞擊力，目前國內(nèi)未有規(guī)范進行規(guī)定，參考《公路橋梁船舶撞擊指導性規(guī)范》（美國AASHTO）、《公路橋梁設計規(guī)范》（美國AASHTO）進行計算。

根據(jù)《公路橋梁設計規(guī)范》（美國AASHO），船舶對橋墩的正面撞擊力可按下式計算：

（2）計算結果。結構采用有限元軟件進行計算，計算所得各工況內(nèi)力如表4所示。

表4顯示，限高鋼桁架最大馮米塞斯等效應力為176Mpa<295Mpa，結構承載能力滿足規(guī)范要求。

5.防撞限高架施工

防撞限高架施工主要工序包括：水中貝雷架便橋與鋼平臺搭設、鋼管樁制作及沉樁、樁芯鋼筋混凝土施工、下承臺施工、墩臺施工、鋼桁架制作與運輸安裝、防撞緩沖設施安裝。

（1）貝雷架便橋與鋼平臺搭設。臨時施工平臺是水上施工生產(chǎn)的工作場地，其主要功能是作為鋼護筒下放及樁基礎施工平臺，并作為打樁設備、材料堆放場地，便于鋼護筒下放及樁基礎施工，樁基礎施工完成后能為后續(xù)的墩臺、墩身及上部構造的施工繼續(xù)提供服務及簡單工作場地。

貝雷梁棧橋及鋼平臺結構從下至上依次為：Φ600mmδ8mm鋼管樁樁基、2×工36a雙拼工字鋼橫梁、貝雷架縱梁、工25a雙拼工字鋼橫梁、20a槽鋼橋面系。

其中，鋼管樁下沉采用懸打法施工，用 50t 履帶式起重機或80t浮吊配合DZ60液壓振動樁錘施沉鋼管樁。履帶式起重機停放在已施工完成的棧橋橋面上，吊裝裝配式懸臂定位導向架，利用懸臂定位導向架精確打入棧橋及鋼平臺基礎鋼管樁。

（2）鋼管樁沉樁與樁芯混凝土施工。鋼管樁加工制作選擇專業(yè)化鋼管樁制作公司進行數(shù)控全機械化加工制作，根據(jù)設計圖紙要求，對已加工成型的鋼管樁須進行焊縫相關檢測，待檢測合格后，進行涂裝施工。

鋼管樁沉樁前，須測量放樣樁基中心順橋向軸線，準確定位樁基定位架位置，通過在施工平臺上安裝定位架，確保鋼管樁精確就位。

本工程鋼管樁需打入強風化巖，對打樁設備要求較高，但由于航道等級較低、橋梁通航凈空不足的因素，打樁船無法進駐現(xiàn)場，需利用100噸履帶吊駐位于貝雷架鋼平臺上，直接懸吊液壓打樁錘（含樁、管帽）套接在鋼管樁上進行沉樁施工。

鋼管樁通過大型船舶運輸?shù)轿唬笮透〉蹙臀唬酶〉鯇痘摴軜兜跹b到導向架內(nèi)腔，鋼管樁在導向架的導向作用下垂直下沉到河床底，并依靠其自重嵌入覆蓋層，鋼管樁下沉穩(wěn)定后，可松開吊鉤。待鋼管樁通過自重下沉穩(wěn)定后，用浮吊將 YC30液壓振動樁錘（帶樁、管帽一并）起吊到鋼管樁頂口，利用樁帽直接嵌入鋼管樁頂，緩慢松下部分起吊重量，通過樁錘自重壓力使鋼管樁繼續(xù)下沉，直至下沉穩(wěn)定后，待檢查鋼管樁垂直度滿足要求后，開始啟動打樁作業(yè)。

待樁基鋼管樁錘擊沉入設計要求后，采用回旋鉆機鉆孔清渣，然后下放鋼筋籠，二次清空后進行水下混凝土澆筑施工。

（3）下承臺施工。根據(jù)下承臺底標高與水位標高關系對比，通過水深調(diào)查，本次下承臺施工采用底板+側(cè)模組拼套箱施工，該套箱由底板橫向承重梁、縱向分布梁、墩臺底模面板、吊桿、反吊承重梁、側(cè)模及內(nèi)撐構成。

下承臺施工分三個階段進行：準備階段、套箱安裝階段、下承臺實體施工階段。

（1）準備階段

準備階段包括下承臺底板材料加工、施工平臺轉(zhuǎn)換、反吊系統(tǒng)材料準備等各項工作。

（2）套箱安裝階段

套箱安裝階段包括安裝反吊系統(tǒng)、底板鋪設、側(cè)模吊放安裝、抽水堵漏等各項工作。

（3）下承臺實體施工階段

下承臺實體施工階段包括樁頂處理、分兩階段鋼筋綁扎安裝、分兩階段澆筑下承臺混凝土、混凝土養(yǎng)生及套箱拆除等工作。

（4）墩臺施工

墩臺施工具體步驟為：

1、測量放樣樁頂標高，割除樁基護筒剩余部分；

2、用風鎬清除封底表面和樁基頂面浮渣和鑿除高出部分，同時清除樁基鋼筋和立柱上的浮銹；

3、根據(jù)設計圖紙要求，沿鋼管樁焊接加勁板；

4、模板支立、鋼筋加工、安裝及混凝土澆筑。

（5）鋼桁架制作運輸與安裝

鋼桁架制作程序包括：下料、加工、拼裝、防腐涂裝、檢測，現(xiàn)重點介紹鋼桁架的安裝，

本次鋼桁架結構采用大型船舶運輸至施工現(xiàn)場，利用大型浮吊將70m/跨逐個抬吊安裝，吊裝過程須全封閉航道。

鋼桁架吊裝工藝流程：吊座安裝（吊裝委托加工）→起重船駐位→安裝吊索具→起吊、移船→運輸駁駐位（運輸駁改造加固）→鋼桁架落駁加固→起重船、運輸駁依次拖航至安裝現(xiàn)場駐位→鋼桁架起吊、運輸駁撤出、安裝鋼桁架就位（現(xiàn)場準備工作）→測量復核鋼桁架偏位（不合格則進行調(diào)整）→起重船撤出安裝現(xiàn)場→進行下一跨鋼桁架吊裝。

（6）防撞緩沖設施安裝

防撞緩沖設施為常規(guī)橡膠護舷，其中一部分橡膠護舷設置在下承臺周圍，另外一部分設置在鋼桁架迎撞面豎直厚鋼板上。

下承臺在澆筑前應設置預埋件，鋼桁架迎撞面豎直厚鋼板在安裝前應鉆打螺栓孔，用于安裝橡膠護舷。

6. 結語

作為“全國首創(chuàng)”的水上限高防撞架工程，經(jīng)建設單位、使用單位及省市政府多部門反饋評價，自該水上鋼結構限高防撞工程投入使用以來，未再出現(xiàn)船舶碰撞橋梁的事故，對于該水上限高防撞工程所發(fā)揮的防范船舶撞擊航道橋梁上部結構的實際效果均高度認可，認為其中“川槎大橋的防撞工程發(fā)揮著重要的警示預防作用”。

本水上鋼結構限高防撞工程在國內(nèi)尚屬首例，既無相應前例可供參考，也無明確對應的規(guī)范標準可供參照執(zhí)行，本項目開展的關于船舶撞擊橋梁上部結構以及相應防撞設施的研究和設計工作，可為今后國內(nèi)有關橋梁上部結構的防撞工程設計起到先導和示范作用，同時可以為將來相關規(guī)范的編制提供有價值的參考。