跨石臼湖航道大桥防撞设施探索

陈凤来 童 亮 韩 娟

(1.南京市航道管理处，江苏 南京 210036； 2.南京工业大学，江苏 南京 211816)

船桥碰撞事故在我国发生较为频繁，据不完全统计，近30年来在我国三大水系干线上发生的船桥碰撞事故就超过300起。船桥撞击的灾难性事故日益增多，且产生的后果极其严重。

目前我国大量旧桥设计时低估了船撞力，而且航道等级提升需求量大，急需进行防船撞评估与加固。为避免严重船桥碰撞事故再次发生，新建桥梁的船舶撞击分析与加装桥梁防撞设施，以及旧桥船舶撞击承载能力复核与加强抗撞能力，是摆在桥梁设计与管理部门、航道管理部门面前急需解决的问题。

1 石臼湖大桥概况

南京至高淳新通道工程跨秦淮河石臼湖航道为高架桥梁。秦淮河石臼湖区段航道全长16.5 km，受宁高新通道跨湖大桥影响，需要改建航道9.393 km，按四级航道标准进行整治，包括航道疏浚、助航标志及桥梁防撞设施。为确保跨湖大桥建成后安全运行，避免受桥下通航船舶影响，考虑在主通航孔桥墩上设置防撞设施。

基于宁高新通道跨石臼湖航道大桥防撞设施优化设计需求，有必要对防撞设施从经济性、适用性、美观性、安全可靠性等方面进行比选研究，提出适合宁高新通道石臼湖大桥的防撞设施方案。

2 防护设施的分类和评价

国内外现有的多种类型的桥墩防撞设施，基本原理是基于能量吸收、动量缓冲而设计的，每种防撞设施都有其特点和使用条件。可分为两大类[1]：

1)间接式。其特点为：在桥墩之外另设防撞设施，桥墩不直接受力，让桥墩彻底回避船舶撞击的问题。如：桩群方式、薄壳筑沙围堰方式、人工岛方式等，一般适用于水浅、地质情况较好的场合。间接式防撞方法虽然一劳永逸，但会影响航道，且常常因为造价太高或者条件不具备而放弃。

2)直接式。其特点为：船撞力经过缓冲后直接作用在桥墩上，如护弦方式、绳索变形方式、缓冲材料设施方式、缓冲设施工程方式及固定或浮式套箱防撞设施等。一般使用在航道较窄、水较深的场合，通常建造费用较省，土建工程量不大。

防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等各类因素综合进行。防撞设施一般应满足如下要求[2]：

1)防撞设施能被桥梁、船舶运输和港航(海事)管理单位三方面共同接受；

2)对船舶碰撞的撞击能量进行消能缓冲，使船舶不能直接撞击桥墩或使船舶碰撞力控制在安全范围内；

3)防撞设施不能影响航道的通航，尽量少占航道，不碍航；

4)能适应枯水、洪水、涨潮和退潮等水位变化的要求；

5)通过合理的结构和材料布置，设施的消能，尽量减少船舶的损伤；

6)不因防撞设施的设置而增加新问题，如回流沉积、妨碍捕捞、局部冲刷增大等；

7)防撞设施制造、安装、维修经济方便，工程造价低，结构经久耐用和功能可靠。

3 南京跨石臼湖航道大桥防撞设施设计

南京石臼湖航道最高通航水位11.67 m，平均低潮水位5.06 m，航道底高程为2.56 m。船型标准为500 t船舶。大桥桥墩为桩基，桥墩为6.75 m×4.00 m钢筋混凝土矩形柱式结构。

本文针对大桥主通航孔桥墩共设计了6套方案，方案见表1。

3.1 D200型复合材料防撞设施

拟采用D200型自浮式复合材料防撞设施(外管直径为2.0 m)，满足主要桥墩的防撞要求。筒型防撞系统的外壳为树脂基纤维增强复合材料。复合材料防撞筒由直线段和弯头构件组成，现场在桥墩周围连接成连续光滑的多边形防撞圈。D200筒型复合材料防撞设施内侧设置一定角度的消能元件，避免防撞系统与墩身直接接触。最后使用插销棒连接固定形成一个整体，可随水位上下浮动，见图1。

3.2 H200复合材料防撞设施

本设计方案提出在公路桥墩墩身设置H200箱型自浮式复合材料防撞设施，型号为H200，复合材料截面宽1 m，高2 m。箱型复合材料防撞设施采用工厂制造，防撞设施可随着水位的变化上下浮动，见图2。

3.3 HX50型固定式复合材料防撞设施

本设计方案提出在公路桥墩墩身设置HX50型固定式复合材料防撞设施，型号为HX50，宽2 m，高4 m，厚0.5 m。固定式复合材料防撞设施采用工厂制造，现场通过螺栓固定，如图3所示。

表1 防撞设施对比分析表

3.4 防撞墩方案

本设计方案提出在公路桥主桥墩中轴线上下游6.5 m处布设防撞墩，采用钻孔灌注混凝土加固形式桩，钢管桩三根一联，桩身上设置直径6 m，厚2.5 m的钢筋混凝土承台,见图4。

3.5 钢套箱防撞设施

目前常用的大型桥梁防撞方案为钢结构套箱消能设施，如：平潭海峡公路大桥，其主墩和交界墩均采用钢套箱防撞方案，利用钢材塑性变形破损消能，当船舶撞击钢套箱时，钢板发生较大的变形，吸收部分碰撞能量，使撞击力峰值得以降低，同时由于结构变形和相互作用，从而拨动船头方向，减少了船舶与结构间的能量交换。钢结构套箱具有制造方便，可等强度焊接和螺栓连接的优势，但传统钢套箱撞损后维修较困难，因此本项目设计了采用螺栓连接的钢套箱系统，可方便更换。钢套箱的面板采用20 mm厚钢板，并采用T型肋加劲，钢套箱与桥墩接触处设置外伸宽度0.5 m的柔性V型橡胶护舷，护舷固定于钢套箱上，可形成0.25 m的弹性缓冲距离，见图5。

由于钢套箱必须依靠自身的塑性变形耗能，如果不破损即不耗散能量，因此在经常遭受小船撞击时，如果其没有破损，则撞击力完全传至桥塔结构，且刚度较大的钢套箱易使船舶撞损；而如果钢套箱破损，则可削减部分撞击力，且能在一定程度上保护船舶，但刚度稍弱的钢套箱需要经常修补，后期维护较麻烦。同时钢材常年在水中极易锈蚀，后期防腐维护费用较高。

3.6 橡胶护舷防撞设施

本设计方案提出在公路桥墩墩身周围设置橡胶护舷，宽0.9 m，高0.3 m，厚0.3 m，见图6。

4 结语

从全寿命周期衡量，箱型复合材料防撞设施具有较高的性价

比，且柔性防撞设施在船撞发生时，可在保护桥墩安全的同时，最大限度地保障船员、船舶及桥梁的安全，符合人性化设计思路。另外，防撞设施可承受多次船舶撞击，变形后可恢复。

自浮式防撞圈重量轻、运输安装方便、后期维护费用省、无需防腐涂装，不污染水环境，且外型美观，颜色可起到警示作用，可与石臼湖湖区景色相得益彰。

经综合比较，箱型自浮式复合材料防撞设施方案具有较好的综合技术与经济优势，防撞消能效果好，性价比高，因此，可作为项目的推荐方案。