南宁三岸邕江大桥通航安全风险及抗撞性能研究

黄飞龙，黄科榜，林 云，凌塑奇

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

桥梁作为跨越河流等障碍的重要工程构筑物，也是沟通河流两岸之间陆路交通运输的枢纽，其在陆路交通系统中的作用是不言而喻的。但对于水上运输的船舶而言，桥梁却是人工构筑的障碍物。因此，桥与船就成为对立的矛盾主体。从某种意义上讲，自从在通航河流上建设桥梁起，就有了桥梁船撞事故发生的可能性，而且在桥梁全寿命过程这种可能性都是客观存在的[1]。2007—2011年间，我国共发生了20余起造成桥梁倒塌、航线中断、人员伤亡等恶劣后果的重大船-桥相撞事故。

对于桥梁通航安全分析，大多数研究对象为通航水域内的桥墩，对于一跨过江的中承式拱桥研究较少[2]。本文以南宁市三岸邕江大桥——净跨径为270 m的中承式钢管混凝土拱桥为研究对象，对该桥梁通航安全风险及抗撞性能进行分析，为同类工程项目提供借鉴和参考。

1 工程概况

南宁市三岸邕江大桥是原南宁至北海高速公路上的一座特大桥，于宋村三江口至邕宁蒲庙之间河段的冷水洲附近跨越邕江。主桥采用中承式钢管混凝土拱桥一跨跨越邕江，净跨径为270 m。于1995年12月开工，1998年12月竣工，距今使用约23年。

桥位处航道现状技术等级为Ⅲ级，最高通航水位按五年一遇洪水位控制，为73.1 m，通航净高10 m，通航净宽≥150 m。航道保护利用发展技术等级为Ⅱ级[3]。

2 技术路线

在收集调查与总结分析桥区航道与桥梁基本数据的基础上，依据最新相关资料和相关规范，进行桥区航道条件与通航环境分析，确定桥梁抗撞性能标准。在此基础上，以航道水流数模分析、非线性船-桥碰撞动力模拟为手段，进行全桥船舶撞击性能分析，获取水流流速、船舶撞力、桥梁结构动力响应以及桥梁结构抗力等关键数据。综合桥区通航安全性、大桥结构形式与桥墩基础布置等情况，制定改善通航条件，加强通航安全等措施，针对桥梁船撞安全进行多种桥墩防撞及抗撞方案比选，对各桥墩提出合理的防撞及抗撞建议，推荐经济合理的桥梁抗撞性能提升方案。具体技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线图

3 通航安全风险评估

三岸邕江大桥位于西江航运干线南宁至蒲庙河段上，上距南宁市民生码头23.2 km，下游距邕宁水利枢纽19.1 km。桥位在邕江一个约90°急弯的尾部，弯道进出口上下游河道较顺直，桥梁轴线断面适航水域宽约190 m，为桥位附近河道最窄处略下游，枯水期最大水深>23.0 m，水深条件良好。

3.1 水流情况分析

桥梁所在河道水流主要为由上游向下游的单向流，流向变化不大，拱座对所在位置的横向流速有一定影响。

根据航道水流条件分析，最高通航水位(20年一遇洪水位)条件下，纵向流速最大值为2.988 m/s，横向流速最大值为0.337 m/s；10年一遇洪水位条件下，纵向流速最大值为2.688 m/s，横向流速最大值为0.197 m/s。

3.2 船舶可达性分析

三岸邕江大桥主桥为单孔净跨270 m的钢管混凝土桁架式中承拱桥，由于拱肋的限制，在5年一遇洪水位时，桥梁实际可通航水域宽度为226.3 m(满足通航净高10 m、侧高6 m，且满足通航水深的水域宽度)，左侧距离拱座21.4 m，右侧距离拱座20.4 m。在10年一遇洪水位时，通航净高为9.07 m；在设计最高通航水位(20年一遇)时，通航净高为7.43 m，均不满足10 m的要求。

桥梁两侧拱座大部分埋入原地面线以下，且受到拱肋高度限制，船舶无法到达拱座处，故船舶误航碰撞拱座，造成桥、船受损的情况出现概率较小。但船舶行驶至桥梁处时，有一定概率误航碰撞拱肋，建议桥梁增设通航净高标牌，设置位置为桥梁通航孔桥桁两侧，标示桥梁通航孔满足通航净高的范围，指引船舶安全通过桥梁。

3.3 通航净空尺度分析

3.3.1 通航设计船型

桥梁所在的郁江南宁民生码头至邕宁枢纽河段目前为Ⅲ级航道，规划为Ⅱ级航道，将来主要通航1 000吨级、2 000吨级船舶，结合《内河通航标准》《西江干线过闸船舶标准船型主尺度系列》和相关规划报告推荐船型及老口船闸、邕宁船闸的设计代表船型，本桥桥区通航设计代表船型如表1所示。

表1 通航设计代表船型一览表

3.3.2 设计通航水位

本项目桥梁所在河段不受潮汐影响，根据《内河通航标准》(GB50139-2014)6.2.1条规定，本桥址处设计最高通航水位采用20年一遇洪水位。根据邕宁梯级汛期设计洪水水面推断20年一遇水位为76.24 m(85高程，下同)。

根据邕宁水利枢纽水库运行调度方式，由邕宁库区枯水期回水外包线插值计算，该桥址处最低通航水位为66.13 m。

3.3.3 通航净空

航道通航净宽要求如表2、表3所示。通航净高要求如表4所示。

表2 通航净宽与航道现状技术等级Ⅲ级标准要求对照表(m)

表3 通航净宽与航道保护利用发展技术等级Ⅱ级标准要求对照表(m)

表4 通航净高与等级标准要求对照表(m)

桥址河段航道现状技术等级为Ⅲ级，航道保护利用发展技术等级为Ⅱ级，桥梁实际通航净宽为212.9 m。经过计算复核，桥梁实际通航净宽满足Ⅲ级及Ⅱ级航道标准，净高均不满足10 m要求，若需满足Ⅲ级航道及Ⅱ级航道标准10 m净高的要求，需将水位降至73.67 m。根据计算，本桥桥址处5年一遇洪水位为72.88 m，本桥能在5年一遇洪水位时满足航道现状技术等级为Ⅲ级、航道保护利用发展技术等级为Ⅱ级的标准要求。

4 桥梁抗船撞性能研究

4.1 抗撞性能标准确定

根据我国《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)中规定桥梁的抗撞设防目标分为3个等级(P1、P2、P3)，抗船撞设防目标、抗船撞性能等级以及构件的抗船撞性能等级应按表5的规定确定和取用。三岸邕江大桥抗撞性能标准如表5所示。

表5 三岸邕江大桥抗撞性能标准汇总表

4.2 抗撞分析基本参数

4.2.1 船撞角度

船舶撞击桥梁角度的确定需要考虑多方面的因素，如河道变迁与河势情况、水流流向、水流流向与桥轴线法向夹角、桥位处的风压与流压偏角等。船舶在航道上航行，一般是按照航道中线呈蛇行航迹左右摆动前进，在实船满载的情况下，受水流的流态、流向、流速的影响较大。而在空载情况下，船舶干舷增高，则受风速、风向的影响较大。评估三岸邕江大桥桥位处桥梁与水流方向夹角较小，综合考虑环境因素和驾驶员行为分析，选取船舶撞击角度为0°交角正向撞击。

4.2.2 撞击速度

根据《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)5.1.5规定，船舶撞击速度可按速度曲线采用式(1)计算：

(1)

结合本文前述流速分析，计算本桥船舶撞击速度为3.97 m/s。

4.2.3 船撞作用力

根据《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)5.1.3(2)，与桥梁碰撞时，轮船撞击力设计值按式(2)计算：

F=a·η·γ·V·[(1+CM)·M]0.62

(2)

与桥梁上部结构碰撞时，甲板室撞击力设计值按式(3)计算：

FDH=RDHF

RDH=0.532-2.66DWT×10-6

(3)

与桥梁上部结构碰撞时，桅杆撞击力设计值按式(4)计算：

FM=KmFDH

(4)

代入式(1)～(4)，计算三种工况下撞击力值如表6所示。

表6 三种工况下撞击力计算结果表

4.3 船撞效应分析

根据前述航道分析，可能发生船舶撞击的情况为最高通航水位，拱肋受到船体、甲板室或桅杆撞击。采用空间有限元软件Midas Civil建立全桥抗撞分析有限元模型。全桥均采用梁单元建模，共3 945个单元，2 756个节点。桥梁有限元模型如图2所示，船体撞击位置如图3所示，三种工况下撞击作用效应如表7所示。

图2 全桥有限元模型图

图3 船体撞击位置示意图

表7 三种工况下撞击作用效应表

4.4 抗撞性能分析

目前我国尚没有规范明确指导如何开展桥梁船撞性能评估，但在《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T3360-02-2020)中给出了桥梁船撞效应和桥梁结构抗船撞性能指标计算分析方法，并指出抗船撞性能验算应分别进行强度验算和变形验算[4-7]。本文采用桥梁船撞响应作为结构需求，采用《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T3360-02-2020)中给出的桥梁结构抗船撞性能指标计算结果作为结构抗船撞能力，通过对比需求、能力与抗撞设防目标来评估结构的抗船撞性能。当能力与需求相比能够达到抗撞设防目标时，则认为桥梁结构抗船撞性能验算满足要求；反之，则认为桥梁结构抗船撞性能验算不满足要求，需进行抗撞性能提升。

抗撞主要验算被撞击的主弦管拱脚与撞击点截面，并将验算截面根据不同材料划分为纤维截面。根据《钢管混凝土加劲混合结构技术规程》(T/CECS6632020)，钢管混凝土截面应分为钢管内核心混凝土和钢管[8]。钢管内核心混凝土宜按式(5)计算。

(5)

式中：as——钢管混凝土截面含钢率(%)；

ξ——约束效应系数；

As——钢管的横截面面积(mm2)；

AC——核心混凝土的横截面面积(mm2)。

钢管采用理想弹塑性模型，屈服强度取345 MPa，失效应变为0.01。各工况的弯矩-转角曲线如图4、图5所示。

图4 主弦管撞击点截面纤维模型图(mm)

图5 弦管拱脚撞击点截面纤维模型图(mm)

三岸大桥的抗船撞设防目标为P1等级，各构件的抗船撞性能等级为JX1。因此，要求弦管在船撞作用下的截面弯矩应小于截面等效屈服弯矩(考虑轴力)Meq。通过对比船撞效应与结构抗撞性能标准，对桥梁结构的抗撞性能进行验算。当结构抗弯承载力计算值Meq(抗弯能力)大于船撞产生的弯矩效应值(抗弯需求)，则抗弯性能满足要求，反之则抗弯性能不满足要求。结果如下页表8所示。

5 桥梁防撞性能提升方案

三岸邕江大桥主桥是净跨径为270 m的中承式钢管混凝土拱桥，一跨跨越邕江，不存在水中墩，但是在最高通航水位及偏航条件下，船舶有撞击大桥拱肋的风险。

现状三岸大桥距离下游南钦高铁邕江大桥的平面净距约40 m。据悉，在本桥上游拟新建一幅三岸大桥复线桥。考虑三岸复线桥建成以后，桥位处三座桥梁位置立面示意图如下页图6所示。从上游至下游依次为拟建三岸大桥复线桥、既有三岸大桥、南钦高铁邕江特大桥。既有三岸大桥位于三岸复线桥和南钦邕江两座特大桥之间。

表8 主弦管关键截面抗撞性能验算表

图6 考虑三岸复线桥建设后桥址桥梁立面图(cm)

由图6可知，三岸复线桥建设完成以后，三岸邕江大桥桥位处同时存在三座并行的特大桥，既有三岸邕江大桥处于两座特大桥的中间，其船撞的风险降低。

据了解，目前三岸邕江大桥复线桥建设已经启动。由于复线桥与现有三岸大桥距离很近(两幅桥净距仅约5 m)，若采用独立防撞墩、防撞群桩、自浮式拱形防撞设施等措施，不但影响桥梁整体美观，还会与复线桥相关结构设施、施工工作面冲突。其次，若在拱肋上设置橡胶护舷等附着式防撞设施，其抗撞作用较小，也不方便施工。因此，三岸邕江大桥不建议采用被动式防撞设施。

综上所述，结合桥梁的限制性条件、结构尺寸、桥梁抗力、通航尺度、防撞水位以及桥位建设复线桥的需求等，推荐采用主动防撞预警系统。主动防撞预警系统设置时机宜结合三岸邕江大桥复线桥建设时机实施，以提高预警系统的使用效率，避免造成资源浪费。建议在复线桥建设完成后，结合桥位处三座特大桥的具体情况，设置主动防撞预警系统，以保证整个系统有效运行。

6 结语

经过以上分析，针对三岸邕江大桥的通航安全风险及抗撞性能提升，提出以下建议：

(1)在本段西江干线航道建设达到Ⅱ级航道之前，应完善该桥区助导航标志设置，特别是通航净空水尺，改造后水尺净高在8～10 m，提醒过往船舶在一定的水位根据自身情况航行，不要强行通过桥梁，避免发生安全事故。

(2)根据《内河航标技术规范》(JTS/T 181-1-2020)要求，桥梁需要增设通航净高标牌，设置位置为桥梁通航孔桥桁两侧。

(3)增设乙类标志，设置位置在桥梁拱肋的两个迎船面上，标志中间段位于航道中心线的上方，配上左侧段和右侧段，以标示桥梁的通航净空宽度。

(4)加强信息的发布和安全监督管理。加强有关信息的发布，根据水情水位的变化情况，提前发布桥梁通航信息，以便船舶航行中提前选择是否通过桥梁；设置桥梁的CCTV视频监控系统，通过系统监控桥区水情及通航孔净空尺度，及时提醒过往船舶锚泊。

(5)结合桥梁的限制性条件、结构尺寸、桥梁抗力、通航尺度、防撞水位以及桥位建设复线桥的需求等，建议增设主动防撞预警系统。主动防撞预警系统设置时机宜结合三岸邕江大桥复线桥建设时机实施。