長(zhǎng)株潭城際鐵路湘江特大橋船舶撞擊力及橋區(qū)船舶安全航速確定

向友誠(chéng),范寧陽，林積大，李 明，李 帆

(1.湖南城際鐵路有限公司，長(zhǎng)沙 410000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410000)

1 問題的提出

擬建工程長(zhǎng)株潭城際鐵路湘潭湘江特大橋位于湘潭市市區(qū),橫跨湘江,橋區(qū)所在河段船只往來頻繁。大橋選址于湘潭三橋下游600 m處,橋址處上游42 m處緊鄰已建2座鐵路橋,分別為滬昆上行線鋼筋混凝土連續(xù)梁橋和滬昆下行線鋼桁梁橋。三橋軸線基本平行,與河道基本正交,相鄰邊緣間距30 m,兩橋均是11孔跨過湘江,橋孔對(duì)應(yīng)布置,通航孔跨徑75 m,凈寬70.5 m(圖1)。

圖1 湘江湘潭鐵路橋模型試驗(yàn)布置示意

工程所在河段有船舶通航要求,橋梁在計(jì)算設(shè)計(jì)荷載時(shí)需要驗(yàn)算船舶撞擊荷載。根據(jù)《鐵路橋梁設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 2010002.1—2005)[1]橋梁墩臺(tái)承受船舶或排筏的撞擊力P可按下式計(jì)算

(1)

式中，r為動(dòng)能折減系數(shù)；α為船只或排筏駛進(jìn)方向與墩臺(tái)撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角；W為船舶或排筏重力,kN；V為船只或排筏撞擊墩臺(tái)的速度,m/s；并指出V應(yīng)當(dāng)采用航運(yùn)部門提供的數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)過程中,查閱了相關(guān)文件資料,也到相關(guān)部門調(diào)查咨詢,但都無法明確的得到船只撞擊橋梁墩臺(tái)的允許速度,這給船舶撞擊力計(jì)算帶來困難。

2 國(guó)內(nèi)外研究概況

船舶撞擊速度的合理選取對(duì)確定船舶撞擊力的意義重大。國(guó)外一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,其中具有代表性的有：美國(guó)(AASHTO)指南中的三角碰撞沖擊速度法、日本學(xué)者藤井(Y.Fujii)提出的幾何模型概率方法,以及歐洲統(tǒng)一規(guī)范(BS EN1991—1—7)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法等?！睹绹?guó)高速公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO)》中提出船舶撞擊速度應(yīng)為在正常環(huán)境條件下,航道內(nèi)典型船只的航速[2]?！暗湫痛佟痹谠撘?guī)范中被定義為能反映諸如風(fēng)、水流、能見度、迎面來船以及航道的幾何尺度等典型航行條件下,體現(xiàn)設(shè)計(jì)船舶“年平均”航行狀況的船舶航行速度。日本學(xué)者藤井(Y.Fujii)則提出采用通過船撞橋墩的幾何概率模型來確定船舶撞擊速度[3],據(jù)此日本橋梁防撞設(shè)計(jì)中,對(duì)于船舶撞擊速度的選取各不相同。例如1988年4月建成的瀨戶跨海大橋依據(jù)日本學(xué)者巖井.聰(Akira Iwai)提出的當(dāng)船通過橋下時(shí),船速應(yīng)為流速2倍的理論,選取船舶撞擊速度為7～8 m/s[4],遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他方法所得出的速度。歐洲規(guī)范則采用單一速度作為指導(dǎo)船撞速度的選擇標(biāo)準(zhǔn),2006年頒布的歐洲(包括英國(guó))BS EN1991—1—7結(jié)構(gòu)規(guī)范中,制定出了指導(dǎo)船撞速度的選擇標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)河船舶3 m/s ,港灣區(qū)1.5 m/s ；海船5 m/s ,港灣區(qū)采用2.5 m/s[5]。

上述選取船舶撞擊速度的方法具有一定的背景和地域性特點(diǎn),例如歐洲規(guī)范中統(tǒng)一速度標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)歐洲發(fā)達(dá)水運(yùn)體系情況而制定的,這些地區(qū)的一些河流,如萊茵河,其渠化程度高,船舶標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)比較全面,在這樣的河流上采用統(tǒng)一的速度標(biāo)準(zhǔn)是可行的。又例如美國(guó)(AASHTO)指南方法則是要求航行的船舶要代表反映典型航行條件(能見度、風(fēng)等)的“年平均”狀況,這必須對(duì)工程所在河流的典型情況觀測(cè)記錄到具有足夠多能反映“年平均”狀況的實(shí)測(cè)資料。由于國(guó)內(nèi)外水運(yùn)發(fā)展情況不同,并且我國(guó)地域復(fù)雜,許多地區(qū)的河流資料中尚且還沒有積累出諸如風(fēng)、能見度等觀測(cè)資料來確定船舶在航道內(nèi)“年平均”情況下的典型船速,因此我國(guó)大部分河流不能簡(jiǎn)單搬用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)依據(jù)所在河流的實(shí)際情況合理地處理橋梁設(shè)計(jì)與對(duì)船舶安全通航的關(guān)系。

3 橋區(qū)安全航速的確定

3.1 影響橋區(qū)安全航速的因素

船舶在橋區(qū)的安全航速應(yīng)為：在保證船舶安全航行的基礎(chǔ)上,不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響的安全航速。橋區(qū)船舶安全航行速度受多種因素的影響,如水域航道和水流條件、橋梁布置、船舶類型、橋墩結(jié)構(gòu)尺寸等?，F(xiàn)以長(zhǎng)株潭城際鐵路湘潭湘江特大橋?yàn)槔?分析影響該橋區(qū)船舶安全航速的因素。

(1)航道和水流條件：該河段基本順直,水流平順。但該河段航道是根據(jù)枯水期河道深槽所確定,所以航線在橋區(qū)河段中部偏向右岸,并不順直(圖1)。這對(duì)船舶的行駛速度造成影響,如果船速過快,船舶來不及按航線調(diào)整船舶的航向；但如果船速過慢,又有可能因?yàn)榇安倏v性不足增加船舶通過橋區(qū)時(shí)的危險(xiǎn)。

(2)橋梁布置：該河段上游的湘潭三橋?yàn)楣窐?通航孔基本居河中,跨徑為258 m,為大跨徑橋梁；下游的幾座鐵路橋修建年代不一,通航孔布置在河中偏右岸,跨徑為75 m。由于通航孔的限制,船舶在橋區(qū)有一段斜穿水流,曲線航行的過程,船舶需用一定的舵角抵抗斜流的作用,保證按航線航行。

(3)船舶類型：湘江在該河段目前為三級(jí)航道,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)船型是4×1 000 t級(jí)駁船隊(duì),而航行較多的是1 000 t級(jí)以下的自航船；湘江在該河段即將實(shí)施的規(guī)劃是二級(jí)航道,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)船型是2×2 000 t級(jí)駁船和2 000 t自航船,船舶的大型化對(duì)航行條件提出了更高的要求。

(4) 橋墩結(jié)構(gòu)尺寸：受已建橋梁的限制,擬建橋梁通航凈寬已偏小,所以靠犧牲通航凈寬增大橋墩結(jié)構(gòu)尺寸,提高橋墩防撞能力的措施有限。此外,船舶要連續(xù)通過3座相鄰的鐵路橋,需保證在航行過程中漂距不能過大,保持與橋墩的安全距離。

從以上分析可知,影響橋區(qū)安全航速的因素較多,要得到橋區(qū)船舶安全航速的確定值還是比較復(fù)雜的,本文采用通航水工模型試驗(yàn)和船舶模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.2 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

(1)模型的建立

長(zhǎng)株潭城際鐵路特大橋河工模型采用1∶100正態(tài)定床水工模型,模型試驗(yàn)范圍選取如圖1所示。根據(jù)獲取的水文與地形資料,對(duì)工程所在河段建立起滿足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似及阻力相似準(zhǔn)則的水工物理模型,模型比尺見表1。

表1 模型設(shè)計(jì)比尺

(2)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

參考相關(guān)規(guī)范及《通航建筑物應(yīng)用基礎(chǔ)研究》[6]中船舶安全航行衡量標(biāo)準(zhǔn),本次試驗(yàn)做出如下規(guī)定：如果船舶操縱試驗(yàn)中用過大的舵角(25°以上)、船舶出現(xiàn)過大的漂角(20°以上)、或船舶航行過程中產(chǎn)生了過大的漂距(25 m),則認(rèn)為航行是不安全的。

(3)試驗(yàn)方案擬定

根據(jù)上述船舶安全航行的衡量標(biāo)準(zhǔn)與《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[7]及《長(zhǎng)株潭城際鐵路湘潭湘江特大橋通航技術(shù)要求論證》選取了典型船型并擬定試驗(yàn)方案如表2所示。為確定船舶航行對(duì)橋墩撞擊的最不利情況,試驗(yàn)流量采用湘江最大通航流量20 000 m3/s。

表2 試驗(yàn)方案

3.3 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對(duì)3種船型進(jìn)行了多級(jí)流量的試驗(yàn),詳細(xì)測(cè)定不同條件下船模的航態(tài)和操縱指標(biāo),并通過這些數(shù)據(jù)對(duì)船舶的安全航行狀態(tài)進(jìn)行判定。

現(xiàn)以2 000 t自航船為例進(jìn)行分析。圖2為2 000 t自航船在速度分別為V=4.7 m/s和速度V=5.1 m/s時(shí)舵角隨時(shí)間的變化曲線。從舵角隨時(shí)間的變化曲線可以看出：

(1)當(dāng)船舶速度較慢時(shí)(V=4.7 m/s),船舶沿程舵角的操縱有+17°～-21°的幅度,說明船舶動(dòng)航向穩(wěn)定性較差,需要靠較大幅度的舵角變化來維持船舶沿航線航行。

(2)當(dāng)船舶速度較快時(shí)(V=5.10 m/s),用舵曲線比較平滑,沒有出現(xiàn)過大舵角和突然用舵現(xiàn)象。說明隨著船舶速度的增加,船舶舵效也隨之增加,船舶的操縱性增強(qiáng)。

圖2 2 000 t自航船典型航速時(shí)行船舵角隨時(shí)間變化對(duì)比

表3為2 000 t自航船在幾種不同速度時(shí)的舵角、漂角以及漂距等航行參數(shù)的最大值。

表3 2 000 t自航機(jī)動(dòng)駁典型速度時(shí)的航行參數(shù)

據(jù)表3分析,當(dāng)船舶在以較高航速航行時(shí)(V>5.10 m/s),船舶最大舵角、最大漂角和最大漂距都滿足船舶安全航行衡量標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)船舶航速下降到4.70 m/s時(shí),船舶最大舵角(21°)、最大漂角(20.95°)和最大漂距(26.68 m)分別達(dá)到或超過了衡量標(biāo)準(zhǔn)極限值,說明船舶航速低于該速度時(shí),船舶操縱比較困難,存在一定的安全隱患。由以上試驗(yàn)結(jié)果可確定V=5.10 m/s即為2 000 t自航機(jī)動(dòng)駁在該橋區(qū)的船舶最低安全航速。

橋區(qū)船舶安全航速最大值一般由以下幾方面因素決定：橋墩結(jié)構(gòu)尺寸、視野及能見度、來往船只密度及錯(cuò)船方式、船舶有效制動(dòng)距離等[8],本橋區(qū)安全航速的最大值根據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行推算。根據(jù)工程可行性研究初步確定的墩臺(tái)尺寸及設(shè)計(jì)控制工況,復(fù)核該橋梁墩臺(tái)所能承受的最大側(cè)向撞擊力為5 500 kN,據(jù)此可利用公式(1)反算得2 000 t自航機(jī)動(dòng)駁船舶最大安全航速為10.4 m/s。同理可確定其他船型的安全航速最大值(表4)。

表4 各典型船舶安全航速 m/s

4 結(jié)論與建議

(1)目前湘江船舶靜水航速一般為18 km/h(即5 m/s)左右,考慮最大通航流量時(shí)橋區(qū)水流速度約為2.3 m/s,則船舶在橋區(qū)正常航行速度約為7.3 m/s。對(duì)于2 000 t自航船舶該航速位于安全航速范圍以內(nèi),且有一定的安全富裕,安全航行沒有問題；但對(duì)于2×2 000 t級(jí)駁船隊(duì)與4×1 000 t級(jí)駁船隊(duì)兩種質(zhì)量較大的船舶,該航速則超出了安全航速范圍,建議航運(yùn)部門對(duì)于大噸位船舶通過該橋區(qū)時(shí),其航行速度應(yīng)限制在該橋區(qū)相應(yīng)的安全航速范圍內(nèi),以確保橋梁和船舶的安全。

(2)船舶通過橋區(qū)的航速和船舶撞擊力是相互關(guān)聯(lián),又分別對(duì)橋梁設(shè)計(jì)及通航安全產(chǎn)生較大影響的重要參數(shù),設(shè)計(jì)中既不能一味地強(qiáng)調(diào)某一方的重要性而增加另一方的設(shè)計(jì)困難,也不能忽視安全因素而降低

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在保證船舶安全航行和碰撞不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響的前提條件下,通過水工模型和船舶航行模型試驗(yàn)確定橋區(qū)船舶安全航速是一種較為科學(xué)合理的方法,其方法和試驗(yàn)結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

(3)橋區(qū)船舶安全航行及橋梁結(jié)構(gòu)的安全不僅是技術(shù)問題,也是管理問題,所以應(yīng)從設(shè)計(jì)、維護(hù)、運(yùn)行管理各個(gè)方面予以高度重視。建議航運(yùn)部門以正式文件規(guī)定通過橋區(qū)船舶的航速必須限制在相應(yīng)的安全航速范圍內(nèi),以確保船舶航行和橋梁的安全。這些規(guī)定也可為橋梁設(shè)計(jì)提供了有據(jù)可依的重要參數(shù)。

(4)橋梁的布置與設(shè)計(jì),特別是連續(xù)橋梁的布置與設(shè)計(jì)要充分考慮橋區(qū)船舶航行的特點(diǎn)與安全,并從長(zhǎng)遠(yuǎn)的建設(shè)發(fā)展考慮,為航運(yùn)的建設(shè)留有余地。

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