南寧三岸邕江大橋通航安全風險及抗撞性能研究

黃飛龍，黃科榜，林 云，凌塑奇

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

橋梁作為跨越河流等障礙的重要工程構筑物，也是溝通河流兩岸之間陸路交通運輸的樞紐，其在陸路交通系統中的作用是不言而喻的。但對于水上運輸的船舶而言，橋梁卻是人工構筑的障礙物。因此，橋與船就成為對立的矛盾主體。從某種意義上講，自從在通航河流上建設橋梁起，就有了橋梁船撞事故發生的可能性，而且在橋梁全壽命過程這種可能性都是客觀存在的[1]。2007—2011年間，我國共發生了20余起造成橋梁倒塌、航線中斷、人員傷亡等惡劣后果的重大船-橋相撞事故。

對于橋梁通航安全分析，大多數研究對象為通航水域內的橋墩，對于一跨過江的中承式拱橋研究較少[2]。本文以南寧市三岸邕江大橋——凈跨徑為270 m的中承式鋼管混凝土拱橋為研究對象，對該橋梁通航安全風險及抗撞性能進行分析，為同類工程項目提供借鑒和參考。

1 工程概況

南寧市三岸邕江大橋是原南寧至北海高速公路上的一座特大橋，于宋村三江口至邕寧蒲廟之間河段的冷水洲附近跨越邕江。主橋采用中承式鋼管混凝土拱橋一跨跨越邕江，凈跨徑為270 m。于1995年12月開工，1998年12月竣工，距今使用約23年。

橋位處航道現狀技術等級為Ⅲ級，最高通航水位按五年一遇洪水位控制，為73.1 m，通航凈高10 m，通航凈寬≥150 m。航道保護利用發展技術等級為Ⅱ級[3]。

2 技術路線

在收集調查與總結分析橋區航道與橋梁基本數據的基礎上，依據最新相關資料和相關規范，進行橋區航道條件與通航環境分析，確定橋梁抗撞性能標準。在此基礎上，以航道水流數模分析、非線性船-橋碰撞動力模擬為手段，進行全橋船舶撞擊性能分析，獲取水流流速、船舶撞力、橋梁結構動力響應以及橋梁結構抗力等關鍵數據。綜合橋區通航安全性、大橋結構形式與橋墩基礎布置等情況，制定改善通航條件，加強通航安全等措施，針對橋梁船撞安全進行多種橋墩防撞及抗撞方案比選，對各橋墩提出合理的防撞及抗撞建議，推薦經濟合理的橋梁抗撞性能提升方案。具體技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線圖

3 通航安全風險評估

三岸邕江大橋位于西江航運干線南寧至蒲廟河段上，上距南寧市民生碼頭23.2 km，下游距邕寧水利樞紐19.1 km。橋位在邕江一個約90°急彎的尾部，彎道進出口上下游河道較順直，橋梁軸線斷面適航水域寬約190 m，為橋位附近河道最窄處略下游，枯水期最大水深>23.0 m，水深條件良好。

3.1 水流情況分析

橋梁所在河道水流主要為由上游向下游的單向流，流向變化不大，拱座對所在位置的橫向流速有一定影響。

根據航道水流條件分析，最高通航水位(20年一遇洪水位)條件下，縱向流速最大值為2.988 m/s，橫向流速最大值為0.337 m/s；10年一遇洪水位條件下，縱向流速最大值為2.688 m/s，橫向流速最大值為0.197 m/s。

3.2 船舶可達性分析

三岸邕江大橋主橋為單孔凈跨270 m的鋼管混凝土桁架式中承拱橋，由于拱肋的限制，在5年一遇洪水位時，橋梁實際可通航水域寬度為226.3 m(滿足通航凈高10 m、側高6 m，且滿足通航水深的水域寬度)，左側距離拱座21.4 m，右側距離拱座20.4 m。在10年一遇洪水位時，通航凈高為9.07 m；在設計最高通航水位(20年一遇)時，通航凈高為7.43 m，均不滿足10 m的要求。

橋梁兩側拱座大部分埋入原地面線以下，且受到拱肋高度限制，船舶無法到達拱座處，故船舶誤航碰撞拱座，造成橋、船受損的情況出現概率較小。但船舶行駛至橋梁處時，有一定概率誤航碰撞拱肋，建議橋梁增設通航凈高標牌，設置位置為橋梁通航孔橋桁兩側，標示橋梁通航孔滿足通航凈高的范圍，指引船舶安全通過橋梁。

3.3 通航凈空尺度分析

3.3.1 通航設計船型

橋梁所在的郁江南寧民生碼頭至邕寧樞紐河段目前為Ⅲ級航道，規劃為Ⅱ級航道，將來主要通航1 000噸級、2 000噸級船舶，結合《內河通航標準》《西江干線過閘船舶標準船型主尺度系列》和相關規劃報告推薦船型及老口船閘、邕寧船閘的設計代表船型，本橋橋區通航設計代表船型如表1所示。

表1 通航設計代表船型一覽表

3.3.2 設計通航水位

本項目橋梁所在河段不受潮汐影響，根據《內河通航標準》(GB50139-2014)6.2.1條規定，本橋址處設計最高通航水位采用20年一遇洪水位。根據邕寧梯級汛期設計洪水水面推斷20年一遇水位為76.24 m(85高程，下同)。

根據邕寧水利樞紐水庫運行調度方式，由邕寧庫區枯水期回水外包線插值計算，該橋址處最低通航水位為66.13 m。

3.3.3 通航凈空

航道通航凈寬要求如表2、表3所示。通航凈高要求如表4所示。

表2 通航凈寬與航道現狀技術等級Ⅲ級標準要求對照表(m)

表3 通航凈寬與航道保護利用發展技術等級Ⅱ級標準要求對照表(m)

表4 通航凈高與等級標準要求對照表(m)

橋址河段航道現狀技術等級為Ⅲ級，航道保護利用發展技術等級為Ⅱ級，橋梁實際通航凈寬為212.9 m。經過計算復核，橋梁實際通航凈寬滿足Ⅲ級及Ⅱ級航道標準，凈高均不滿足10 m要求，若需滿足Ⅲ級航道及Ⅱ級航道標準10 m凈高的要求，需將水位降至73.67 m。根據計算，本橋橋址處5年一遇洪水位為72.88 m，本橋能在5年一遇洪水位時滿足航道現狀技術等級為Ⅲ級、航道保護利用發展技術等級為Ⅱ級的標準要求。

4 橋梁抗船撞性能研究

4.1 抗撞性能標準確定

根據我國《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T 3360-02-2020)中規定橋梁的抗撞設防目標分為3個等級(P1、P2、P3)，抗船撞設防目標、抗船撞性能等級以及構件的抗船撞性能等級應按表5的規定確定和取用。三岸邕江大橋抗撞性能標準如表5所示。

表5 三岸邕江大橋抗撞性能標準匯總表

4.2 抗撞分析基本參數

4.2.1 船撞角度

船舶撞擊橋梁角度的確定需要考慮多方面的因素，如河道變遷與河勢情況、水流流向、水流流向與橋軸線法向夾角、橋位處的風壓與流壓偏角等。船舶在航道上航行，一般是按照航道中線呈蛇行航跡左右擺動前進，在實船滿載的情況下，受水流的流態、流向、流速的影響較大。而在空載情況下，船舶干舷增高，則受風速、風向的影響較大。評估三岸邕江大橋橋位處橋梁與水流方向夾角較小，綜合考慮環境因素和駕駛員行為分析，選取船舶撞擊角度為0°交角正向撞擊。

4.2.2 撞擊速度

根據《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T 3360-02-2020)5.1.5規定，船舶撞擊速度可按速度曲線采用式(1)計算：

(1)

結合本文前述流速分析，計算本橋船舶撞擊速度為3.97 m/s。

4.2.3 船撞作用力

根據《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T 3360-02-2020)5.1.3(2)，與橋梁碰撞時，輪船撞擊力設計值按式(2)計算：

F=a·η·γ·V·[(1+CM)·M]0.62

(2)

與橋梁上部結構碰撞時，甲板室撞擊力設計值按式(3)計算：

FDH=RDHF

RDH=0.532-2.66DWT×10-6

(3)

與橋梁上部結構碰撞時，桅桿撞擊力設計值按式(4)計算：

FM=KmFDH

(4)

代入式(1)～(4)，計算三種工況下撞擊力值如表6所示。

表6 三種工況下撞擊力計算結果表

4.3 船撞效應分析

根據前述航道分析，可能發生船舶撞擊的情況為最高通航水位，拱肋受到船體、甲板室或桅桿撞擊。采用空間有限元軟件Midas Civil建立全橋抗撞分析有限元模型。全橋均采用梁單元建模，共3 945個單元，2 756個節點。橋梁有限元模型如圖2所示，船體撞擊位置如圖3所示，三種工況下撞擊作用效應如表7所示。

圖2 全橋有限元模型圖

圖3 船體撞擊位置示意圖

表7 三種工況下撞擊作用效應表

4.4 抗撞性能分析

目前我國尚沒有規范明確指導如何開展橋梁船撞性能評估，但在《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T3360-02-2020)中給出了橋梁船撞效應和橋梁結構抗船撞性能指標計算分析方法，并指出抗船撞性能驗算應分別進行強度驗算和變形驗算[4-7]。本文采用橋梁船撞響應作為結構需求，采用《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T3360-02-2020)中給出的橋梁結構抗船撞性能指標計算結果作為結構抗船撞能力，通過對比需求、能力與抗撞設防目標來評估結構的抗船撞性能。當能力與需求相比能夠達到抗撞設防目標時，則認為橋梁結構抗船撞性能驗算滿足要求；反之，則認為橋梁結構抗船撞性能驗算不滿足要求，需進行抗撞性能提升。

抗撞主要驗算被撞擊的主弦管拱腳與撞擊點截面，并將驗算截面根據不同材料劃分為纖維截面。根據《鋼管混凝土加勁混合結構技術規程》(T/CECS6632020)，鋼管混凝土截面應分為鋼管內核心混凝土和鋼管[8]。鋼管內核心混凝土宜按式(5)計算。

(5)

式中：as——鋼管混凝土截面含鋼率(%)；

ξ——約束效應系數；

As——鋼管的橫截面面積(mm2)；

AC——核心混凝土的橫截面面積(mm2)。

鋼管采用理想彈塑性模型，屈服強度取345 MPa，失效應變為0.01。各工況的彎矩-轉角曲線如圖4、圖5所示。

圖4 主弦管撞擊點截面纖維模型圖(mm)

圖5 弦管拱腳撞擊點截面纖維模型圖(mm)

三岸大橋的抗船撞設防目標為P1等級，各構件的抗船撞性能等級為JX1。因此，要求弦管在船撞作用下的截面彎矩應小于截面等效屈服彎矩(考慮軸力)Meq。通過對比船撞效應與結構抗撞性能標準，對橋梁結構的抗撞性能進行驗算。當結構抗彎承載力計算值Meq(抗彎能力)大于船撞產生的彎矩效應值(抗彎需求)，則抗彎性能滿足要求，反之則抗彎性能不滿足要求。結果如下頁表8所示。

5 橋梁防撞性能提升方案

三岸邕江大橋主橋是凈跨徑為270 m的中承式鋼管混凝土拱橋，一跨跨越邕江，不存在水中墩，但是在最高通航水位及偏航條件下，船舶有撞擊大橋拱肋的風險。

現狀三岸大橋距離下游南欽高鐵邕江大橋的平面凈距約40 m。據悉，在本橋上游擬新建一幅三岸大橋復線橋。考慮三岸復線橋建成以后，橋位處三座橋梁位置立面示意圖如下頁圖6所示。從上游至下游依次為擬建三岸大橋復線橋、既有三岸大橋、南欽高鐵邕江特大橋。既有三岸大橋位于三岸復線橋和南欽邕江兩座特大橋之間。

表8 主弦管關鍵截面抗撞性能驗算表

圖6 考慮三岸復線橋建設后橋址橋梁立面圖(cm)

由圖6可知，三岸復線橋建設完成以后，三岸邕江大橋橋位處同時存在三座并行的特大橋，既有三岸邕江大橋處于兩座特大橋的中間，其船撞的風險降低。

據了解，目前三岸邕江大橋復線橋建設已經啟動。由于復線橋與現有三岸大橋距離很近(兩幅橋凈距僅約5 m)，若采用獨立防撞墩、防撞群樁、自浮式拱形防撞設施等措施，不但影響橋梁整體美觀，還會與復線橋相關結構設施、施工工作面沖突。其次，若在拱肋上設置橡膠護舷等附著式防撞設施，其抗撞作用較小，也不方便施工。因此，三岸邕江大橋不建議采用被動式防撞設施。

綜上所述，結合橋梁的限制性條件、結構尺寸、橋梁抗力、通航尺度、防撞水位以及橋位建設復線橋的需求等，推薦采用主動防撞預警系統。主動防撞預警系統設置時機宜結合三岸邕江大橋復線橋建設時機實施，以提高預警系統的使用效率，避免造成資源浪費。建議在復線橋建設完成后，結合橋位處三座特大橋的具體情況，設置主動防撞預警系統，以保證整個系統有效運行。

6 結語

經過以上分析，針對三岸邕江大橋的通航安全風險及抗撞性能提升，提出以下建議：

(1)在本段西江干線航道建設達到Ⅱ級航道之前，應完善該橋區助導航標志設置，特別是通航凈空水尺，改造后水尺凈高在8～10 m，提醒過往船舶在一定的水位根據自身情況航行，不要強行通過橋梁，避免發生安全事故。

(2)根據《內河航標技術規范》(JTS/T 181-1-2020)要求，橋梁需要增設通航凈高標牌，設置位置為橋梁通航孔橋桁兩側。

(3)增設乙類標志，設置位置在橋梁拱肋的兩個迎船面上，標志中間段位于航道中心線的上方，配上左側段和右側段，以標示橋梁的通航凈空寬度。

(4)加強信息的發布和安全監督管理。加強有關信息的發布，根據水情水位的變化情況，提前發布橋梁通航信息，以便船舶航行中提前選擇是否通過橋梁；設置橋梁的CCTV視頻監控系統，通過系統監控橋區水情及通航孔凈空尺度，及時提醒過往船舶錨泊。

(5)結合橋梁的限制性條件、結構尺寸、橋梁抗力、通航尺度、防撞水位以及橋位建設復線橋的需求等，建議增設主動防撞預警系統。主動防撞預警系統設置時機宜結合三岸邕江大橋復線橋建設時機實施。