泥湾门-鸡啼门水道航道整治工程尖峰大桥防撞方案选择

程宗健

摘 要：目前广东省航运需求日益加大，内河货运船舶船型大型化发展明显，提高航道等级适应日益增长的货运量需求成为迫切的需要，然而部分航道上的桥梁通航净宽不能满足规范规定的要求，需采取防撞措施来解决。本文通过介绍泥湾门-鸡啼门水道航道整治工程中尖峰大桥防撞方案的选择实例，为类似工程提供借鉴。

关键词：航道整治工程 大桥 防撞方案 选择

1.泥湾门-鸡啼门水道航道整治工程概况

泥湾门-鸡啼门水道从竹洲头至小木乃44km按内河Ⅲ级，通航1000吨级港澳线船舶标准整治建设，航道设计尺度为：4.0m×80m×480m。按内河通航标准，该水道跨过河建筑物单向通航孔通航净宽不应小于55m，双向通航孔净宽不应小于110m。

本工程河段内的跨河桥梁共7座，有6座桥梁的通航净宽完全满足规范要求，只有尖峰大桥净宽不满足规范要求。

2.尖峰大桥通航孔净宽尺度分析

尖峰大桥1994年建成，设两个通航孔，净宽分别为75m、48m。根据《内河通航标准》水上过河建筑物通航净宽的计算方法按1000吨级港澳线船舶计算，通航净宽要求为不小39m，双向通航孔净宽不应小于79m。尖峰大桥净宽满足根据设计代表船型主尺度计算所需净宽，但不满足规范要求。因此，需采取一定的措施后方可满足1000吨级船舶安全通航的要求。

3.桥墩防撞能力评估

3. 1 船舶撞击力计算

船舶撞击力的计算有多种方法，包括经验公式计算法、动力数值模拟法、有限元瞬态动力分析法等。

经验公式计算法是在一定的物理、力学原理基础上，经过大量的实践总结出来的半理论半经验公式。由于目前没有完善的船桥撞击力计算的理论体系，采用经验计算法计算船舶撞击力有着简便、快捷、实用，并且在使用过程中尚未出现大的工程质量、安全问题，因此经验公式计算法得到了广泛应用。目前船舶撞击力的计算公式较多，常见的有《公路桥涵通用规范》（JTGD60-2004）、《铁路桥涵设计基本规范》（TB1002.1-2005）、美国AASHTO公式、敏诺斯基-捷勒-沃易荪公式等，各种计算公式的结果出入相对较大。

船舶碰撞动力数值模拟法是通过研究船舶碰撞的内部机理、外部机理，建立船舶碰撞的动力学模型，模拟船舶撞击的动力学过程，获得撞击力、能量转化、船舶破损等结果。

有限元瞬态动力分析法通过建立撞击船舶、桥墩有限元模型，利用非线性有限元瞬态动力方法计算船舶碰撞过程中结构的变形、失稳、破损。

通过对上述公式分析，我国公路及铁路规范考虑到冲撞的动态属性，较为符合物理学的动态原理，也较为符合国内的实际情况。国外公式往往只考虑船舶的质量和速度，用一个简单的方次或者一个综合的系数表示，计算出的数值普遍偏大。国内规范中，公路规范引入冲量公式，含有冲撞时间，是最符合物理分析的方法。而本桥是一座公路桥，因此，推荐选用《公路桥涵通用规范》的计算结果作为本项目撞击力的标准值较符合实际。按设计代表船型计算，船舶横桥向撞击力为6.3MN，顺桥向撞击力为3.2MN。

3.2桥梁的防撞能力评估

原有桥墩基础6根直径1.5m的灌注桩，桩基主筋为28根HRB335直径25mm的钢筋。根据地质条件、承台与河床位置关系和桩基的配筋，可计算出结构所能承受的最大水平抗力值。经计算，桥墩水平抗力为4.3MN，小于船舶撞击力，不满足抗力要求，需采取防撞措施。

采用有限元瞬态动力分析法仿真1000吨港澳船在高水位满载时与原桥墩正碰的情况。综合考虑通航水位、碰撞夹角、碰撞速度和船舶装载等因素，高水位满载正碰为结构的安全控制工况。仿真结果显示，桥墩受撞后在桩基顶部发生断裂，船舶反弹时桩基回摆，最后墩顶残余位移为1.1cm，表明桥墩无法承载船舶高水位满载正向碰撞。

4.桥梁防撞方案

4. 1常见的防撞方式

桥梁防撞在国外发展有几十年的历史，而国内近几年随着水运行业的不断发展，人们对安全意识的不断提高，对桥梁防撞越来越重视。根据日本学者岩井聪的分类，将防船撞设施分为直接结构和间接结构：

（1）间接结构体系：常见的有防撞墩、防撞岛、桩群、沉井、钢板桩围堰、钢船、重力锚等；

（2）直接结构体系：附着式橡胶护弦、钢箱、阻尼柔性防撞元件、移动重力摆、粘滞性防撞圈等。

4.2各种防撞方式的优劣对比

目前我国长江流域、珠江流域跨河桥梁采用防撞墩、浮箱、浮式复合材料、群桩、人工岛等较为普遍。

防撞墩一般用于桥梁自身抗力较差的桥梁防撞，其特点是跟桥梁保持一定的距离，当船舶在失控或者走锚等意外情况发生时，船舶首先与防撞墩发生碰撞，削弱来船的冲撞力。该类防撞设施其施工技术成熟，日后的维护管理方便。

浮式防撞一般用于桥区水位落差大的桥梁防撞，其特点是防护装置可以随水位上下浮动，通过自身的变形来实现船舶撞击能量的转换。但对抵抗船舶撞击所起到的作用都非常有限，根据其作用机理，当浮式防撞跟船舶碰撞时，大约可以消减来船20%～35%的撞击能量，因此，该装置并不适用于自身抗力较差的桥梁，同时，该装置体积比较庞大，对于有通航净宽限制的桥梁，不宜采用。

其他如群桩、人工岛、移动重力摆、重力锚等防撞装置，自身有一定的优点也有其限制性因素。

4.3防撞方式的选取

结合各类防撞方式的特性，从桥梁结构尺寸、自身抗力、通航净空尺度、防撞水位等方面情况，考虑采用分离式防撞墩和浮式防撞两种方式进行比选，并根据施工难易程度、日常维护难易度、水位适应性、工程造价、防护效果等方面进行分析，推荐最适合本工程桥梁的防撞设施方案。

（1）分离式防撞墩

船舶与桥梁碰撞，一般是在船舶机械故障、走锚、航路选择错误等情况下发生，或洪水期船舶航路出现异常等情况，具有方向的不确定性，为了更好的保护桥梁的安全，拟在通航孔两侧桥墩上、下游各设一个分离式防撞墩，共设6座分离式防撞墩。考虑防撞墩结构及施工对桥梁结构的影响，分离式防撞墩的结构边缘距桥梁外边缘距离为5m。

分离式防撞墩长度为11.25m，宽度为5.9m，外围安装橡胶护舷后，防撞设施总的宽度与通航孔两侧桥墩承台一致为6.5m，与通航孔两侧桥墩承台平齐。

分离式防撞墩由桩基、承台、附着式橡胶护舷三大部分组成，其中桩基采用6根直径为1.5m的灌注桩，纵向桩间距为3.75m，横向桩间距为3.3m，桩长42.2m，其中入土部分长约37m。

（2）浮式防撞

浮式防撞必须有固定的载体，通常将其安装在桥墩处，沿桥墩上下浮动。浮式柔性防撞设施集强度、刚度、耐久性于一体，是一种采用复合材料的浮式柔性防撞设施。该设施由多个复合材料板梁结构的密封舱室、桁架支撑结构组成的多舱室复合材料防撞体，防撞体内部填充缓冲吸能材料，安装在桥墩四周。

根据1000吨港澳线船舶的特性，结合本桥梁的实际情况，防撞设施顺水流方向迎击面结构厚度为4m，垂直水流方向侧碰面结构厚度为2m，可对桥墩起到较好的保护作用，桥墩抗撞力可提升约25%。

4.4方案比选及推荐方案

以上两个防撞方案都可以在一定程度上削减来船的撞击能量，也是近几年在桥梁防撞工程中运用比较多的方式。采用分离式防撞墩，对桥梁结构无影响，来船撞击防撞墩时对桥梁起到“丢车保帅”的作用。

采用浮式柔性防撞，对于水位落差大的桥梁非常适用，对桥梁在任何水位下均起到良好的保护作用，但是其占用通航净宽范围过大，同时，该防撞体系是以桥墩为依托，更多的能量将传递给固定该装置的桥墩，考虑尖峰大桥桥墩基础自身结构抗力较差，因此推荐采用分离式防撞墩方案。

5.防撞设施效果验证

经计算，本方案防撞墩水平抗力可达9.5MN，大于船舶撞击力，理论上可满足抗力要求。为验证防撞墩的防撞效果，采用有限元瞬态动力分析法来验证其可靠性。

根据防撞墩的结构、工程河段的地质情况、水流特征等，采用1000吨级港澳线船舶，对防撞墩、船舶碰撞进行数值仿真分析。对同一碰撞速度，在竖直方向考虑了最低通航水位满载情况、最高通航水位满载情况和最高通航水位空载情况，选择最危险工况进行计算。通过对工况1（满载+高水位+正碰）、工况2（满载+低水位+正碰）、工况3（满载+高水位+侧碰）、工况4（满载+低水位+侧碰）、工况5（空载+高水位+正碰）等5种工况进行数值仿真分析，船舶与防撞墩横向最大瞬时撞击力为8.62MN，防撞墩最大位移为5.7cm，最大残余位移3mm。桩顶未发生断裂破损，防撞墩的变位发生在弹性范围内，变形基本可以恢复。

6.结语

结合船舶承载情况、撞击水位、撞击角度、桩基及地质情况、材料性能等边界条件，通过建立“整船-防撞墩-桥墩-地基基础”三维有限元模型，分析防撞墩防护效果。经验证，船舶与防撞墩碰撞后，防撞墩有效吸收了船舶动能，避免了船舶与桥墩的直接碰撞，减少了船舶对桥梁的撞击风险，在保护桥梁自身安全方面可达到预期的效果。