桥梁防撞设计的常用方法探讨

顾承杰

摘 要：桥梁是重要的交通枢纽，一旦船舶与桥梁发生撞击，将会造成船舶被撞坏、沉没和桥梁被撞损、坍塌的严重后果，带来巨大的经济损失和人身伤害。文章针对国内外桥梁防撞现有的技术，简析了桥梁防撞设计的常用方法及其优缺点，并以某跨海大桥桥墩的防撞设计为例进行探讨。

关键词：桥梁防撞；常用方法；方案；设计

中图分类号：U422.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）27-0147-02

1 加强桥梁防撞方案设计的必要性

随着交通运输和内河航运的发展，我国航运量不断增大，船舶撞击桥梁的问题也越来越突出。根据相关机构公布的数据显示，世界上发生船舶撞击桥梁的事故已经达到上百件。我国自2006年以来，杭州湾跨海大桥、广东九江大桥、江苏昆山大洋桥、上海大治河大桥、湖南平阳范固桥等跨河大桥相继发生船舶撞击桥梁的事故，经济损失、人员伤亡严重，使得桥梁防撞设计受到了工程界人士的广泛关注。为了避免此类事故的发生，应加强桥梁防撞方案设计，充分发挥防护装置的作用。

2 常用的桥梁防撞设计方法

2.1 主动防撞和被动防撞设计方法

综合国内桥梁防撞设计既有的技术，桥梁防撞设计方法主要有两种：主动防撞和被动防撞。主动防撞设计，是通过对船舶的航行管理和航行轨迹进行干预，避免船舶撞击桥梁事故发生的一种方法；被动防撞设计，是通过桥墩自身的加强或者辅助防撞设施来抵御船舶的撞击，进而避免撞击事故发生或降低受损程度的方法。

主动防撞设计是一项比较复杂的系统工程，设计方案能否成功，取决于人的素质、技术水平、资金等各方面因素，因此有着较高的要求。被动防撞设计对防撞结构的强度和辅助设施的消能效果要求较高。

2.2 我国采用被动防撞设计方法的主要内容

我国在桥梁防撞设计上主要采用被动防撞设计方法，具体的防撞设计方法如下。

2.2.1 人工岛

人工岛是一种用圬工岛将桥墩台阻隔、消能的防撞设计方法。适用于航道水位浅、江面宽阔条件下的桥梁工程。实际运用中，存在侵占水面多、改变航道原有水流环境的缺点，由于刚性较大，对船舶破坏力较大。

2.2.2 墩外墩

墩外墩在桥墩外围设置防撞墩，用以消除船舶撞击带来的全部或部分动能。适用于航道水位浅、基础条件好、水位落差小及设置后不阻碍通航条件下的桥梁工程。实际运用中会侵占水面，对地基要求较高。若是对深水位的桥梁工程采用这种防撞方法，造价将会大幅度提高。

2.2.3 围 堰

围堰在桥墩外围的水底打入一圈混凝土桩或钢板桩，形成一个相互紧扣的围堰结构，利用变形来抵抗船舶的撞击力，既可以保护桥梁，又可以减轻船舶的损坏程度。适用于航道水位浅、基础条件好、设置后不阻碍通航条件下的桥梁工程。实际运用中存在改变水流环境、侵占水面的缺点。

2.2.4 防撞桩群

防撞桩群在桥墩外围设置更多的根桩，吸收船舶撞击带来的全部或部分动能。设计过程中，要求桩群消减能和墩台抗力之和大于船舶的撞击力，这样才能保护墩台，减轻船舶损坏的严重程度，达到良好的防撞效果。这种桥梁防撞设计方法适用于航道水位浅、水位落差小、基础条件好、设置后不阻碍通航条件下的桥梁工程，存在侵占水面较大的缺点。

2.2.5 实体墩

实体墩提高桥梁工程墩台的强度，使桥梁工程利用墩台的强度来抵抗船舶的撞击力。适用于水位落差大、航道紧张条件下的桥梁工程。实际运用中，该方案不受船舶撞击方向的影响，但由于桥墩刚度大，对船舶的破坏力大。

2.2.6 漂浮式柔性防撞系统

漂浮式柔性防撞系统利用绳柔性网等耗能器或浮链消减船舶撞击传来的动能，具有保护墩台、减轻对撞击船舶破坏的优势。适用于航道宽阔、设置后不阻碍通航条件下的桥梁工程。

2.2.7 耗能吸收元件

耗能吸收元件主要利用橡胶或塑性囊体吸收船舶撞击桥梁的部分动能，要求设置后和墩台的合抗力大于船舶的撞击力。适用于航道宽阔条件下的桥梁工程。实际应用中，具有保护桥梁和船舶的优势，但是对大型船舶的意义不大。因为大型船舶撞击桥梁的动能较大，而橡胶或塑性囊体吸收的部分撞力只能抵消大型船舶撞力的一小部分，达不到保护桥梁的作用。

3 某跨海大桥桥墩防撞设计分析

3.1 工程概况

某跨海大桥，由于受风、浪、水流荷载、地震惯性力和汽车制动力等因素的影响较大，在桥梁设计中增大了桥墩水平承载力，但是防撞能力依然没有得到有效的改善，对撞击振动比较敏感。所以，需要采取一定的防撞措施，尽量降低船舶撞击带来的破坏性影响。该桥的主航道孔塔柱基础采用的是高桩承台结构，桩基为直径2 500 mm的混凝土灌注桩。下面主要论述针对主航道孔的桥墩防撞方案设计。

3.2 防撞设计

3.2.1 防撞设计分析

第一，从实际勘探结果来看，桥墩地基条件差，表层为淤泥，持力层较深，不适宜采用适用于地基条件好的防撞设计方案，如墩外墩、围堰等。

第二，海浪、潮流流速较大，不适于采用漂浮式柔性防撞系统，难以保证防护装置稳定。

第三，海水的腐蚀性严重，易腐蚀防撞结构，要求防撞结构具有较高的防腐蚀性能。

第四，海上施工作业困难，应当采用安装便捷、修复快速的防撞结构型式。

3.2.2 船舶撞击力计算

鉴于我国尚未形成完整和系统的桥梁防撞设计规范，设有系统的船舶撞击力计算公式，因此，参考国际上通用的规范，这里采用美国桥梁设计规范中的船舶撞击力计算公式：

v表示撞击速度，DWT表示船舶载重量。

确定采用的船舶撞击力计算公式后，收集整理计算需要的相关数据，包括船舶撞击速度、船舶排水量、水位情况、通航孔径等，然后输入公式中，得到主通航孔在不同船舶排水量、不同撞击模式、不同撞击速度下的船撞力，见表1。

3.2.3 防撞结构吸收能量计算

同样，由于我国尚未形成完善和标准的计算方式，参考国际上通用的计算方式，这里采用英国标准BS6349中的公式进行防撞结构吸收能量计算：

Cm表示流体动力系数，表示船舶排水量，Vb表示撞击速度，Ce表示偏心系数，Cs表示柔性系数，Vb表示形状系数。

计算前，收集整理需要的数据，包括满载排水量、水动力系数、撞击速度、有效撞击动能等，然后输入计算公式中，得到防撞结构吸收能量，见表2。

3.2.4 防撞方案设计

基于以上分析，我们知道了此桥梁防撞设计要求，以及需要考虑的船舶撞击力、防撞结构吸收能量数据，再结合桥墩采用高桩承台结构，基桩为2 500 mm的钻孔灌注桩，可承受10 000 t级别的船舶撞击力，所以提出采用悬浮式的防撞结构。基于这样的考量，对主通航孔处桥墩提出了这样的防撞设计方案：混凝土防撞承台和橡胶护舷混合型。简单地说，就是把围堰和耗能吸收元件两种防撞设计方法有机的结合起来，充分发挥两种防撞设计方法的优势，以达到防护桥梁的目的。通过有限元仿真分析，这种设计符合该工程特点，满足主航道孔桥墩防撞要求。

4 结 语

综上所述，桥梁防撞设计方法是多种多样的，如何从众多方法中选出最适合的方法，要以桥梁工程实际的工程地质条件和防撞要求等为基本依据。为此，进行桥梁防撞设计时，要全面掌握桥梁的工程地质条件和设计中需要的各种数据，为防撞方案设计提供基本的数据支持，推动防撞设计工作的有序开展，保证防撞方案设计的科学性和有效性，满足桥梁防撞要求。在今后的工作中，应当不断加强桥梁防撞设计研究力度，不断提高桥梁防撞设计方法的技术水平，为桥梁安全提供基本的保障，降低船舶撞击桥梁事故的发生率及其危害程度，保护生命财产安全。

参考文献：

[1] 李华文.防范船撞桥事故的思考[J].世界海运，2012，（3）.

[2] 张少为.近十年国内桥梁防撞研究述评[J].河南科技，2012，（3）.