某連續剛構橋梁船舶碰撞隱患治理研究

文章以廣西某運營高速公路跨江橋梁船舶碰撞隱患治理工程為例，對橋梁現場橋區航道條件、航道等級、航道通航船舶類型等進行調查分析，通過Midas Civil有限元模型建模，將船舶碰撞力以等效靜態力的形式施加到橋梁結構上，對各橋墩碰撞工況進行驗算，以此綜合評估跨航道橋墩的抗撞能力，并針對橋梁抗撞性不足提出解決措施及建議。研究表明，采用自浮式鋼套箱被動防護保護橋墩，能有效吸能并提高橋梁抗撞能力，為后續橋梁通航船舶碰撞隱患治理工程提供借鑒。

連續剛構；涉水橋墩；抗船撞性能；綜合評估

U448.23A401283

作者簡介：

沈籽余（1995—），工程師，主要從事橋梁施工管理工作。

0" 引言

近年來，船舶大型化趨勢明顯，部分橋梁所在航道等級有所提升，橋梁原設計通航凈空尺度難以滿足現行航道船舶通航。國內外因船舶撞擊而導致橋梁垮塌或嚴重破壞的事故逐漸增多，平均每年就有一座大型橋梁因為船舶撞擊而遭受嚴重破壞甚至倒塌［1］。為了進一步保障在船舶撞擊情況下的橋梁安全，交通運輸部于2020年發布了《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02-2020）［2］，保障橋梁實現設計階段結構預定抗撞能力。本文通過評估通航橋梁結構抗撞性能，針對性地增設自浮式套箱，以降低船舶撞擊力保證橋墩安全，為后續同類型橋梁進行船舶碰撞隱患治理提供可借鑒的思路。

1" 某連續剛構橋梁基礎調查

1.1" 橋梁資料

（1）橋梁基本信息。橋梁跨徑組合為（50+2×90+50+8×30）m，主橋采用（50+2×90+50）m預應力混凝土連續剛構，引橋為8×30 m先簡支后連續預應力混凝土T型梁。0#橋臺采用鋼筋混凝土肋板埋置式橋臺，12#橋臺為埋置式橋臺，主墩為鋼筋混凝土雙薄壁墩，鉆孔灌注樁基。橋面采用水泥混凝土鋪裝，異型鋼伸縮縫，鋼筋混凝土防撞護欄。橋梁原設計為2個通航孔，分別位于1#～2#、2#～3#墩之間，通航孔下底寬60 m、上底寬45 m，通航凈高為10 m、側高為6 m；現狀使用的通航孔為2#～3#墩之間孔，1#～2#墩通航孔尚未使用。該橋除0#、12#橋臺為埋置式橋臺外，其余1#～11#橋墩均涉水。

（2）防船撞設施。該橋在通航孔橋墩迎船面中央設置正方形橋涵標與綠色橋柱燈，在上下游約200 m的橋區航道邊線處，設置4.8 m的標艇，該側面浮標左側為白色錐形頂標，右側為紅色罐形頂標，共2對。根據現場踏勘，橋梁未配置凈空倒立水尺。此外該橋在2#、3#橋墩的墩身周圍設置由錨鏈連接浮筒組成的整體防撞設施。

1.2" 航道資料

橋位河段航道技術等級現狀為Ⅱ級，全長38.8 km，航道尺度為2.3 m×50 m×500 m（水深×航道寬度×最小彎曲半徑，下同），通航1 000噸級內河船舶，多年歷時保證率達到95%，全線按一類航標配布，航標夜間發光。該河段正常蓄水位保持在67.00 m高程，航道水深將大幅改善。擬建橋梁附近沒有礙航礁石、沉船。常水位工況下河道水流平緩，流態穩定，適宜船舶航行。洪水期橋區水流流速較大，但流態相對較穩定，航道內橫向流速＜0.2 m/s。航道規劃按內河Ⅱ級航道、通航2 000噸級單船和2排1列2×2 000噸級頂推船隊考慮。

1.3" 船舶資料

航區現有運輸方式以單船運輸為主，船舶類型主要以一般干貨船、集裝箱船和多用途船為主，河段無漁船作業。據統計，過閘船舶中，1 000噸級及以上船舶數量從2007年的5%迅速增加至2014年的65%，目前1 000噸級以上船型已成為主力船型?，F狀主力船型總長為50～90 m，寬為9～12.8 m，滿載吃水深度為2.4～4.15 m。

2" 通航安全風險評估

2.1" 航道條件分析

為分析和驗證橋區水域流速流態，針對橋軸線上游700 m至下游650 m河道開展了水域通航水流數值模擬，選擇2個水文資料作為橋位河段的計算控制條件，如表1所示。

模擬研究得出如下主要結論：

（1）該橋涉水橋墩較多，阻水比較大，但水域河道河面寬闊，水深較大，中洪水期橋墩阻水作用有限，橋梁對上下游航道水深影響較小，上游水位不會因為增加的微量浸沒引起塌岸，下游水位降低也不會大幅減小航道的通航水深。橋梁存在對流速、流向有一定的變化，水流速度的變化隨流量減小而減小，但橋梁對流速、流態的影響范圍基本局限在橋墩前及橋墩后一定范圍（橋墩的迎水面底部產生橫軸旋渦，橋墩的后半部主流脫離邊界同樣有旋渦產生），對橋位附近以外的橋區航道基本沒有影響?？傮w而言，本橋對航道水流條件的影響較有限，橋梁建設沒有惡化航道通航水流條件。

（2）通航凈空尺度。該橋通航凈寬、凈高不滿足現狀、規劃船舶單孔雙向通航的要求。按照原設計最高通航水位為77.26 m，通航下底寬60 m，凈空尺度能滿足現狀2排1列1 000噸級船隊及單船雙孔單向通航的要求，不滿足規劃2排1列2 000噸級船隊雙孔單向通航的要求。規劃2排1列船隊及2 000噸級單船計算要求雙孔單向通航凈寬為76.1 m，對應上底寬為58.0 m，滿足側高6 m、凈高10 m的限制水位為76.16 m。該橋建成通車年份早，受當時航道技術等級及橋梁拱底、建橋技術、投資的制約，橋梁凈高成為制約船舶通航的主要因素。

2.2" 通航環境分析

該橋梁受風、能見度等自然環境及交通流、相鄰涉水設施的影響，通航風險等級低，通航秩序影響程度較低，水流風險等級為一般。根據《內河通航標準》，現狀Ⅲ級航道雙向通航孔通航凈高≥10 m，側高≥6 m［3］。橋梁凈高是制約船舶通航的主要因素，船橋碰撞的主要因素為橋梁凈空尺度，次要因素為水流流速、水位、船舶操縱技術和船舶故障。橋區暫未劃定橋區水域，對規范橋區船舶行為缺乏有效依據。風險等級匯總一覽表如表2所示。

3" 抗撞性能驗算

根據《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02-2020）（以下簡稱《規范》）第4.2條，橋梁抗船撞能力采用分級設防，橋墩、基礎和支座的抗撞性能采用分級評估的分析方法，其性能等級需根據船撞重要性等級、抗船撞設防目標、船撞作用設防水準確定。

3.1" 船撞力作用計算

（1）參數取值。咨詢船舶駕駛員得知，由于橋梁通航凈寬尺度較小，因此過往船舶過橋均采用控制行船速度，以安全航速過橋，過橋航速基本≤6節。結合相關監測數據，各橋墩處船舶撞擊速度如表3所示。各橋墩設防代表船舶如表4所示。

（2）舶撞擊效應。將撞擊力時程曲線加于有限元模型對應位置，以計算結構在撞擊作用下的效應。同時，提取截面最不利位置的組合效應值，如表5所示。

3.2" 抗撞性能驗算

本文通過建立P1～P11號墩的全橋Midas Civil有限元模型，采用“m法”考慮土-基礎的相互作用，船撞抗力計算的荷載組合為：“自重+二期恒載+車輛+船撞力”，以等效靜態力的形式施加到橋梁結構上，計算撞擊效應，進行該橋的抗撞性能驗算［4］。有限元計算模型如圖1～4所示。由于不同水位下橋墩構件控制截面不同，一般撞擊作用位置越高，對結構越不利，選取最高水位（79.12 m）進行橋梁抗撞性能驗算，驗算結果如下頁表6所示。

由表6可知，P2～P3墩截面承載力略小于組合效應，P4～P10墩截面承載力不滿足要求，P1、P11墩在時程荷載作用下的船撞效應滿足截面抗撞性能要求。

4" 評估結論

該橋通航凈寬、凈高不滿足現狀、規劃船舶單孔雙向通航的要求。采取限制水位的方式進行，按照原設計最高通航水位77.26 m，通航下底寬60 m，凈空尺度能滿

足現狀2排1列1 000噸級船隊及單船雙孔單向通航的要求，不滿足規劃2排1列2 000噸級船隊雙孔單向通航的要求。規劃2排1列船隊及2 000噸級單船計算要求雙孔單向通航凈寬為76.1 m，對應上底寬為58.0 m，滿足側高6 m、凈高10 m的限制水位為76.16 m。

大橋P1～P11號墩設防代表船型依次為：1000DWT、2000DWT、2000DWT、1000DWT、1000DWT、500DWT、500DWT、500DWT、500DWT、300DWT、50DWT。P2～P3墩截面承載力略小于組合效應，P4～P10墩截面承載力不滿足要求，P1、P11墩在時程荷載作用下的船撞效應滿足截面抗撞性能要求。

5" 處置措施

（1）防撞性能提升措施。通航孔涉水P2、P3主墩截面承載力略小于組合效應，既有防護設施為由錨鏈連接浮筒組成的整體防撞設施，不滿足2 000噸級船舶的防撞需求，因此考慮增設防撞設施，降低船舶撞擊力，保證橋墩安全。針對被動防護，本文設計如表7所示兩個方案進行比選。

兩個防撞方案都可以在一定程度上削減來船的撞擊能量，也是近幾年在橋梁防撞工程中運用比較多的方式。由于橡膠護舷尺寸限制，緩沖能力有限，對橋墩及船舶局部損傷保護有限。自浮式套箱為浮式形式，對橋墩美觀影響較小，適合于河道水位落差大的橋梁，對橋梁在不同水位下均起到良好的保護作用，消能緩沖尺度可根據需求定制，能較好地保護橋墩，降低船舶損傷程度。

（2）通航環境改善措施。本橋通航凈寬、凈高不滿足現狀、規劃船舶單孔雙向通航的要求，建議的措施為加裝主動預警裝置。在橋梁防撞墻設立實時凈高提示標牌，供過橋船舶參考，以便讓航行中的船舶提前選擇是否通過橋梁。

（3）建議橋區加強橋梁警示標志、通航凈高標牌的設置和管理，完善周邊水域導助航設施，以便于船舶保持正確航道航行。后續應根據實際情況對該橋遠期的船撞風險按公路橋梁抗撞設計規范進行相應的動態評估。

6" 結語

本文通過對某連續剛構橋梁船舶碰撞隱患的風險分析與評估，認為該橋既有防撞設施不滿足2 000噸級船舶的防撞需求，并針對此類隱患的治理提出相應的措施及建議，如提升被動防護設施、改善通航環境及加強橋區標志標牌管理等，供類似結構橋梁的船舶碰撞隱患治理工作參考借鑒。

［1］王召兵.航道等級提升后橋梁船撞風險分析及防撞措施研究［D］.重慶：重慶交通大學，2016.

［2］JTG/T 3360-02-2020，公路橋梁抗撞設計規范［S］.

［3］GB 50139-2014，內河通航標準［S］.

［4］高榮雄.基于非線性有限元的橋梁船撞分析與撞擊力研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2015（1）：12-15，21.

20240406