樟湖库区大桥船撞力评估及防撞方案研究

摘要 樟湖库区作为重要的水上交通要道，船舶往来给大桥带来了潜在的船撞风险。该研究首先通过实地调研和历史数据收集，分析了大桥所在区域的船舶交通流量、船舶类型及其航行特性；其次，利用经验公式法，对大桥可能遭受的船撞力进行了定量评估；在此基础上，结合大桥的结构特点，提出了建立浮动式防撞措施和主动预警系统以保证结构远期防船撞性能提升；最后，通过有限元数值模拟验证了防撞方案的有效性。研究结果表明：所提出的防撞措施能够有效降低大桥遭受船撞的风险，保障桥梁的安全运营。

关键词 樟湖库区大桥；船撞力评估；防撞方案；主动预警；效果评价

中图分类号 U447 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0182-03

0 引言

近年来，随着全国交通基础设施建设的日益加快，跨越通航水域的桥梁不断增多，受到多种因素影响，船舶碰撞跨河桥梁的风险日趋加大，且事故频发。

2024年2月22日5时30分左右，一艘集装箱船空载从佛山南海开往广州南沙途中，航经洪奇沥水道时触碰沥心沙大桥桥墩，致沥心沙大桥桥面断裂。事故共导致4部车辆坠落，5人死亡，1名船员受轻微伤。2024年4月22日，福州融海航运有限公司所属“新融海1”轮装载卷钢4907吨，在西江干流国道G240线九江大桥水域，船首左舷触碰桥梁下行通航孔左侧第21#桥墩防撞设施，导致船壳破损进水。事故造成“新融海1”轮沉没，3人死亡、1人失踪，国道G240线九江大桥21#桥墩防撞设施10块橡胶护舷脱落或损坏，直接经济损失约1780万元，构成较大等级的水上交通事故。2024年3月26日，装载了9971个集装箱的“达利”号货轮撞到“弗朗西斯·斯科特·基”大桥，导致钢制桥体坍塌，人员和车辆坠入帕塔普斯科河中，事故造成大桥垮塌，6人死亡。

目前，船舶航行存在的主要问题有：（1）早期建设的桥梁通航净空尺度、防撞标准较低，部分桥梁未建设防撞设施，存在安全风险；（2）部分桥区导助航和警示标志不够完善；（3）部分船舶船员驾驶操作能力不高[1]。因此，为保障跨河桥梁安全和船舶航行安全，完善桥区标志标识，提升桥梁防撞能力十分必要。

该文对闽江通航流域一座大跨径连续箱梁所处环境进行调研、分析该区域的航道特性。采用经验公式的分析方法，对大桥可能遭受不同等级船舶的撞击力进行定量评估，提出了一套切实可行的防撞方案，通过分析，该方案能够提高大桥的结构安全性。

1 工程概况及航道资料

1.1 桥梁概况

樟湖库区大桥位于南平市延平区樟湖镇，大桥起点在闽江左岸的樟湖镇溪口村外福铁路樟湖板一号隧道附近山坡上，大桥跨越闽江后终点位于闽江右岸的樟湖镇麟经社区的宝峰亭附近，并与国道G316相接。桥梁中心桩号为K1449+649，双向两车道。主桥采用（70+4×125+70）m预应力混凝土连续刚构箱梁桥；引桥采用（4×35）m预应力混凝土预制T形梁+16 m钢筋混凝土简支空心板，桥梁全长804.5 m。主跨桥墩为板式矩形双薄壁墩，桥墩壁厚1.4 m，墩底设置3m高系梁，主跨承台厚4 m，基础为6Ф2 m的钻孔灌注桩群桩基础。桥梁通航孔设置在1#墩和2#墩之间，桥梁通航孔跨度为125 m，实际通航净宽为111 m，实际通航净高为20 m。

1.2 航道及通航情况现状

闽江水口至沙溪口航道全长114.66 km，其中闽江干流水口至南平延福门航段长95.22 km，航道水深取2.7 m。单线航道宽度30.0 m，双线航道宽度55.0 m。航道弯曲半径取300 m。根据现场调查，上下游共有码头37座，泊位停靠能力为300～500 t。连续2 d在该大桥所处区域白天全天船舶调查、跟踪情况，通航船舶约3～5艘次，通航船型以货船为主，少量渔船，其中货船主要为沙船和散货船，载重吨在150～353 t，船舶总长38.2～52.8 m，型宽7～8.8 m，满载吃水1.5～1.95 m，货运种类包括煤炭、矿石、石英、砂石、水泥等，通过樟湖库区大桥船舶过桥航速一般在6～8节。据当地海事部门统计，桥址附近河段近三年没有发生水上交通安全事故。

2 船撞力评估

2.1 船舶撞击力

根据远期规划，未来该区域为内河Ⅳ级航道，防船撞性能及风险评定采用闽江干货-II型船舶（750吨级）、闽江干货-III型船舶（1250吨级）。采用调查船速，船舶在航道内正常行驶速度取8节，按照《公路桥梁抗撞设计规范》（JTG/T 3360-02—2020）[3]公式计算，得到防船撞性能及风险评定代表船型下的船撞力如表1。

2.2 现有桥墩抗船撞性能评价结果

根据计算得到的桥墩截面抗力和确定的桥墩结构内力，樟湖库区大桥1～6#墩在设计洪水位65.4 m下，横桥向和纵桥向的桥墩极限船撞抗力均小于撞击力，桥梁桩基均出现剪切破坏。

2.3 现有桥梁船撞风险评估

采用AASHTO船撞风险分析方法，对横桥向的船撞风险进行评估，得到樟湖库区大桥1～6#墩在现有通航密度下，在最高通航水位并通过在代表船型闽江干货—II（750DWT）和闽江干货—III（1250DWT）情况下得到横桥向船撞年倒塌概率，计算结果如表2及表3。

采用区域通航代表船型（载重吨位750 t）碰撞力下的船撞失效概率计算，综合来看现期全桥年倒塌概率为0.00817次/年，高于公路桥梁抗撞设计规范规定的1×10-4/年的倒塌概率标准，表明全桥船撞安全风险较高。远期通行流量增大6.5倍，碰撞概率增大10.4倍，全桥船撞年倒塌概率为8.49×10-2次/年，全桥的船撞安全风险高。

3 防撞方案研究

建立桥墩防撞设施是防止桥梁因船舶撞击力超过桥梁的设计承载能力，同时减少撞击船舶的损伤。采用不同型式的防撞设施，可以阻止船舶撞击力传到桥墩，或者通过缓冲消能延长船舶的碰撞时间，减小船舶撞击力，保护桥梁安全[2]。结合该桥在低水位条件下，桩基外露这一不利情况，防撞设施建议采用独立式防撞设施，即在桥墩上下游设置钢管桩，并在钢管桩上设置自浮式防撞套箱，经过经济性对比，并结合国内防撞设施的设计、施工经验，建议防撞套箱采用钢—复合材料的浮式防撞设施。

3.1 防撞方案设计

（1）防撞措施

在大桥1#、2#墩上分别设置一套浮动式防船撞装置，该装置附着在桥墩周围，靠浮力漂浮在水面上，直接承受失控船舶的碰撞，避免桥墩和桩基直接受到船舶的撞击。为了使浮动式防船撞装置能够随着水位的涨落顺利浮动，在1#、2#桥墩承台侧面分别设置6条钢箱滑道。

浮动式防船撞装置总体平面尺寸顺桥轴线方向总长17.4 m，横桥轴线方向总宽31.094 m，高度3 m，浮出水面高度约为2 m，均高于满载时水面以上船艏高度，完全在碰撞保护范围内；空载时水面以上船艏高度小于3.4 m，船艏将高出浮动式防船撞装置顶面，碰撞时船艏顶面将越过浮动式防船撞装置顶面，当船艏下部与浮动式防船撞装置接触时，留给浮动式防船撞装置变形消能的富余量达到1.9 m，满足浮动式防船撞装置船撞变形消能的需要，桥墩侧壁也得到保护。每节段钢箱由外壁板、内壁板、甲板、底板和连接板构成。在钢箱的内、外壁板上安装橡胶护舷作为耗能元件。钢箱内填充聚氨酯闭孔泡沫塑料耗能材料。

（2）主动预警措施

该桥将建设主动预警防船撞系统，以期达到有效预防偏航、超速船舶撞击桥墩的目的。通过系统集成的方法将各设备有机结合在一起，以高清图像分析、VTS（雷达）、AIS、红外热成像分析为核心技术，自动采集樟湖库区大桥桥区水域的船舶航行数据，采用人工智能信息融合技术，对该水域的船舶进行深度学习，分析船舶类型和航行态势，确定目标船舶并跟踪锁定，通过预警算法模型的计算，将目标船舶航行态势分成不同的风险预警类别，以AIS、VHF（甚高频无线电话、对讲机信号等、对讲机）等途径向目标船舶播发交通监管及助航服务信息，通过VHF 语音播报系统自主呼叫高风险特定目标船舶，此外还配备警示声、光等主动报警形式，并在终端结合卫星地图展示预警数据，构建成套的桥梁防船撞主动预警系统。

3.2 防撞方案分析模型

建立船舶动力学模型，对主墩防撞设计目标船舶

（1 250 t）分别就加装浮动式防船撞装置前后进行撞击数值模拟，验证防撞装置的效果，图1为1 250 t级船舶横桥向撞击模拟。撞击速度参照《公路桥梁抗撞设计规范》[3]，取值2.015 m/s。

3.3 分析结果

根据非线性有限元模型分析结果汇总（见表4），1 250 t船舶与桥梁横桥向、顺桥向撞击后，桥墩结构在加装防船撞措施后，接收到的撞击力明显降低，防护设施局部发生较大变形，通过变形的发生吸收了61.5%的撞击能量，达到了提升桥墩结构抗船撞性能的目的。

4 结语

（1）该文针对樟湖库区大桥的船撞力评估及防撞方案进行了全面分析与探讨。通过对大桥所在区域的船舶交通特性、撞击力的定量分析以及现有防撞措施的评估，该文提出了一系列切实可行的防撞措施。这些措施旨在提高大桥的结构安全性，减少由于船舶撞击带来的潜在风险，确保桥梁的长期稳定运行。

（2）主动预警系统能够全天候监控过往船舶，实现主动式非接触避碰防撞功能。既起到保护桥梁，也可以降低船舶碰撞浮动式防船撞装置的概率，保证船舶航行安全和降低浮动式防船撞装置后期维护成本，解决航道、大桥、海事等管理部门的安全监管问题。

（3）通过增设有效的防撞设施以及防船撞主动预警系统等综合措施，可以有效降低船撞事故的发生概率，保护桥梁免受损害。

（4）随着桥梁工程技术的不断进步和船舶交通管理的日益完善，期待未来能够进一步优化防撞策略，提高桥梁的安全性和耐久性。同时，建议相关部门继续关注桥梁安全领域的最新研究进展，不断更新和完善防撞措施，以应对日益增长的交通压力和安全挑战。

参考文献

[1]中华人民共和国交通运输部.船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案[S].北京：人民交通出版社， 2020.

[2]苏权科.跨海大桥特殊技术问题探讨[J].公路交通科技， 2005（12）：101-104.

[3]公路桥梁抗撞设计规范：JTG/T 3360-2—2020[S].北京：人民交通出版社， 2020.