桥梁防撞方案比较及加强管理建议

李忠俊

【摘 要】 桥梁是我国交通基础设施的重要组成部分，是促进经济发展的重要设施。船舶一旦发生撞桥事故，对水路和陆路运输将产生不可估量的损失。从防止船舶撞桥角度出发，计算船舶碰撞力，从硬件建设和软件管理两方面提出桥梁防撞的建议。研究结果表明，浮式消能防撞设施和人工岛防撞设施对于防止桥墩受冲撞有重要作用，进而比较两种防撞设施的优缺点。同时，加强桥区通航监管也是桥梁防撞的重要措施之一。

【关键词】 桥梁；防撞；人工岛；消能防撞；通航监管

0 引 言

改革开放以来，我国跨海和跨江桥梁越来越多。据相关资料统计，我国主要的三大内陆航运水系，即长江水系、珠江水系和京杭运河水系，现有各种桥梁近300座，其中长江水系和珠江水系分别有100多座，京杭运河水系有50余座。[1-3] 我国沿海地区已建和拟建的跨海大桥有东海大桥、杭州湾大桥、舟山跨海大桥、厦漳跨海大桥、琼州海峡跨海大桥和港珠澳大桥等。桥梁不仅能给交通运输带来方便，更重要的是能促进地区经济的发展。如东海大桥连接上海南汇新城与大小洋山，同时东海大桥工程是上海国际航运中心洋山深水港区一期工程的重要配套工程，为洋山深水港区集装箱陆路运输和供水、供电、通信等需求提供服务；杭州湾跨海大桥的建设对于杭州湾整个地区的经济、社会发展都具有深远而重大的战略意义。

桥梁能有效地改善陆上交通并促进经济发展，但是桥梁建成以后，由于通航水域流态变得复杂，且通航密度加大，导致桥区交通事故频发。[4-5]如黄石长江大桥，由于选址在水运繁忙而河道弯曲的水域，加上驾驶人员的疏忽，导致黄石大桥水域碰撞不断，仅在1993年4月16日至9月16日的147天中，就发生撞桥事故16起，沉船9艘，造成直接经济损失数百万元。据长江海事局统计，截至2003年8月，长江干线共发生船桥相撞事故120多起。2007年6月15日，广东九江大桥被船撞塌，造成严重的人员伤亡，直接经济损失达亿元。浙江沿海举世瞩目的舟山跨海大桥，分别于2008年3月27日和2009年11月16日发生船舶撞桥事故，造成人员失踪、船舶下沉和桥墩损坏。由此看来，桥梁防撞对于保障水路运输发展有着重要意义。

1 船舶碰撞力的计算

船舶碰撞力的计算有许多种方法，包括经验公式计算法、动力数值模拟法、有限元瞬间动力分析法等。[6-7] 上述三种方法都有实际应用。包括我国的公路、铁路规范在内，世界上不同组织已提出数十种船舶撞击桥墩的碰撞力计算公式。经验公式计算法快捷简便，适合在无详细的船舶撞击力资料时使用，但不同的经验公式计算结果可能相差较大。

船舶碰撞动力数值模拟法通过研究船舶碰撞的内部机理和外部机理，建立船舶碰撞的动力学模型，模拟船舶撞击桥墩的动力学过程，获得撞击力、能量转化、船舶破损长度等结果，并可模拟分析船舶消能设施的实际消能过程。动力数值模拟法考虑实际船舶撞击区域的结构特性、船舶周围水动力作用、桥墩刚度和形状，结果更符合实际情况。

有限元瞬间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间动力方法计算船舶碰撞过程中结构的变形、失稳、破损，考虑材料动力屈服应变力敏感性。该方法建模工作量大，计算费时，在世界范围内（包括我国）较少使用。

在本研究中采用经验公式法进行计算。美国国家高速公路和交通运输协会（AASHTO）指导性规范提供的公式为

Ps=1.2 €？105 v（1）

式中：Ps为船舶碰撞力，N；v为撞击速度，kn；GDWT为撞击船舶载重吨位，t。

假设代表船型为3 000 t，其航速为6 kn，按照上式计算出的撞击力为3.29 €？107 N。由此看来，即使船舶低速航行时的撞桥冲击力也是较大的，因此有必要做好防范措施。

2 桥梁防撞方案

2.1 浮式消能防撞和人工岛防撞

浮式消能防撞方案，即在桥墩周围安装浮式消能防撞设施。浮式消能防撞设施主要由钢结构主体、消能箱和橡胶件组成，主体内部结构包括甲板、平台、底板和纵横隔板，含防腐措施。浮式消能防撞设施本身有一定的强度，对于小型船舶的碰撞只有局部损伤，消能箱破损消能。对于大型船舶的高能碰撞，浮式消能设施通过消能箱及橡胶件的破损来消能，减小船舶的撞击力，确保桥墩、承台不受损。防撞设施在碰撞后可进行修复，继续使用。不同类型橡胶件的性能见表1和表2。浮式消能防撞方案的主要优点：防撞设施制造成本适中；防撞功能可靠，防腐寿命15～20年；占用航道宽度相对较小，易符合航道净宽要求。浮式消能防撞方案的主要缺点是低水位时设施与承台接触面积偏小。

人工岛防撞方案，即在桥墩周围构筑由沙、石块组成的人工岛。在船舶与人工岛发生碰撞时，人工岛变形损伤，同时使碰撞船舶搁浅。人工岛防撞方案的主要优点是寿命长，无需保养。人工岛防撞方案的主要缺点：建造工程量大，初始投资成本高，会影响航道宽度。

2.2 防撞方案对比

将以上两种防撞方案进行对比，则可以发现：虽然人工岛方案具有寿命长、无需保养的优点，但建造工程量大、初始投资成本高，更为不利的是采用这种方案会影响桥梁主通航孔的通航净宽；而浮式消能防撞设施的防撞功能可靠，防腐寿命有15～20年，同时占用航道宽度相对较小。因此，如果从降低投资成本的角度考虑，或在水域比较受限的桥区，建议采用浮式消能防撞设施；如果通航水域宽阔，资金较充裕，则建议在桥区修建人工岛。

3 桥梁防撞安全管理建议

根据上述研究结果，结合国际上桥梁建筑的风险准则，综合分析拟建大桥桥区影响船舶通航安全的因素和桥梁抗撞力，提出以下预防或减小船舶撞击风险的措施及加强安全管理的建议，以确保通航船舶和大桥的安全。

（1）大桥建成后，大桥管理部门必须全天候监控桥区船舶动态，维护过往船舶的通航秩序；海事管理部门应制定严格的桥区通航安全管理规定，提出合理的航行方法，完善桥区水域导航和助航设施。

（2）为有效防止桥区失控船舶碰撞桥墩，建议在桥区建立以海事管理部门为指挥中心的“桥区失控船舶应急响应系统”，配备拖船等救助设施和通信设施，确保船舶一旦在桥区失控能得到及时有效的救助，保障大桥安全。

（3）大桥管理单位应加强桥墩周围防撞消能设施的管理，在防撞设施周围设置警示浮标，避免船首碰触大桥塔柱和桥墩基础造成局部破损，尤其要始终确保主墩的消能设施能承受设计最大代表船舶失控的撞击。

（4）船舶驾驶人员在桥区应谨慎驾驶，及时通知船长上驾驶台，派专人到船头瞭望，同时注意备车备锚。当风流较大或通航密度较大时，应在过桥前抛锚，等待最佳时机通过桥区。在桥区通航时应减速慢行，必要时可用维持舵效的安全航速通过。

4 结 论

桥梁能有效促进经济的发展，但是如果对桥区的防护措施不当或驾驶人员操纵船舶不当，容易导致船舶撞桥事故的发生，造成重大经济损失。桥梁防撞在硬件和软件上都要采取有效的预防措施：在硬件上，可在桥墩周围设置浮式消能防撞设施或建人工岛防撞设施；在软件上，各相关单位应对船舶过桥加强监管，做到防患于未然。

参考文献：

[1] 王多银，陈明栋.长江上跨江建筑物的布设原则探讨[J].水运工程，2001（4）：4-6.

[2] 戴彤宇，聂武，刘伟力.长江干线船撞桥事故分析[J].中国航海，2002（4）：46-47.

[3] 戴彤宇，刘伟力，聂武.船撞桥概率分析与预报[J].哈尔滨工程大学学报，2003（1）：23-24.

[4] 刘明俊，刘先栋.船舶（队）通过黄石大桥引航方法探讨[J].武汉交通科技大学学报，1996（4）：372-376.

[5] 张晨曦，邹早建，王化明.驶经桥墩船体非定常水动力相互作用数值预报[J].水动力学研究与进展（A辑），2012（3）：359-364.

[6] AI W Z.Research on round-pier turbulent scope in straight channel[J].Information Technology Journal，2013（15）：3476-3479.

[7] 罗伟林，甘浪雄，邹早建.桥墩附近流场分布及对通航船舶的影响[J].中国航海，2014（1）：66-70.