如皋長江大橋主橋橋墩防撞設(shè)計(jì)

李 旭 方 海

(1.東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210096； 2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211800)

如皋長江大橋主橋橋墩防撞設(shè)計(jì)

李 旭1方 海2

(1.東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210096； 2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211800)

以如皋長江大橋?yàn)橐劳校鶕?jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，列舉了一些傳統(tǒng)的橋墩防撞形式，著重對(duì)該大橋橋墩防撞設(shè)計(jì)方案作了研究，并闡述了具體的設(shè)計(jì)方式，以有效保障橋梁的運(yùn)營安全。

大橋，橋墩防撞，復(fù)合材料浮式防撞設(shè)施

1 項(xiàng)目概況

如皋長江大橋跨越長江北汊，橋位位于碾砣港船閘西側(cè)，主橋?yàn)?5 m+218 m+95 m雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。長江北汊規(guī)劃通航等級(jí)為三級(jí)，凈高10 m，其水位受漲落潮控制。從2011年8月份以來，在施工過程中發(fā)現(xiàn)進(jìn)入碾砣港的船舶需停泊在船閘外(大橋東側(cè))等待漲潮時(shí)進(jìn)入，由于船舶拋錨不牢、無人值班、漲潮迅猛等原因，導(dǎo)致漲潮時(shí)船舶失控而多次撞擊施工棧橋。為了避免橋梁建成后橋墩船撞事故的發(fā)生，對(duì)大橋橋墩進(jìn)行了防船撞設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)采用的主要規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 采用規(guī)范

1)JTG B01—2003公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；2)JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范；3)JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范；4)GB 50139—2004內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)；5)JTJ 211—99海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范；6)JTJ 213—98(交通部)海港水文規(guī)范。

2.2 參考規(guī)范

1)《Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges》(AASHTO，1991)；2)Ship Collision with Bridges， International Association for Bridge and Structural Engineering，1993(IABSE)；3)Ship Collision due to the Presence of Bridges(PIANC，2001)。

2.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)通航水位。設(shè)計(jì)最高通航水位：4.5 m。2)船撞作用標(biāo)準(zhǔn)值。按內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道，根據(jù)JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范取值。

3 設(shè)計(jì)方案比選

傳統(tǒng)的橋墩防撞形式主要有：

1)緩沖材料設(shè)施方式。采用橡膠等受力后易變形的材料，形成橋墩周圍的緩沖保護(hù)層。此種防撞方案適用于小型船舶碰撞情況，或在其他防撞設(shè)施中配合使用。缺點(diǎn)是橡膠的老化壽命在十年左右。2)重力方式。薄殼筑沙圍堰防護(hù)系統(tǒng)是目前最成功的防撞保護(hù)系統(tǒng)之一。它施工簡(jiǎn)捷，維護(hù)工作量少，能根據(jù)抵抗撞擊的需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，有很大的吸收撞擊能量的能力。適用于大型船舶的防撞。3)護(hù)墩樁方式。集群式護(hù)墩樁由斜樁或豎直樁組成，樁的頂部用緩沖梁互相聯(lián)接,通過群樁聯(lián)合變形而消能。荊州長江公路大橋和東海大橋應(yīng)用了集群式護(hù)墩樁，造價(jià)偏高。4)人工島。能向橋梁提供良好的防撞能力。但是在地質(zhì)條件較差的橋位不宜采用。5)鋼圍堰或鋼套箱。橋墩施工結(jié)束后，利用原施工平臺(tái)，作為防撞的支承結(jié)構(gòu)，可減少防撞設(shè)施的投資。適用于高樁承臺(tái)，不適用于墩身，且鋼結(jié)構(gòu)存在耐久性問題。 6)浮體系泊方式。該防撞設(shè)施由浮體、鋼絲繩、錨碇物等組成。當(dāng)受到撞擊時(shí)，通過浮體移動(dòng)、鋼絲繩變形、錨碇物移動(dòng)消能。即使在深水條件下，造價(jià)較低，緩沖變形量大，對(duì)船舶有較好的保護(hù)作用。但對(duì)于吃水淺的部分船舶及無球首的船舶，容易把浮體滑入船底而失效。 7)浮式鋼套箱。在主墩周圍安裝浮式鋼套箱，利用鋼結(jié)構(gòu)塑性變形進(jìn)行消能。設(shè)施由鋼結(jié)構(gòu)及橡膠件組成。這種結(jié)構(gòu)在被撞擊時(shí)，絕大部分撞擊力仍要橋墩承擔(dān)。目前已經(jīng)實(shí)施的最大的抗撞浮箱的抵抗能力為3 000 t級(jí)船舶，造價(jià)約1 000萬元。缺點(diǎn)是后期維護(hù)費(fèi)用高。

4 橋墩防撞設(shè)計(jì)

4.1 主橋主墩防撞設(shè)計(jì)

根據(jù)主墩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、防撞等級(jí)、船舶撞擊力大小，設(shè)計(jì)采用筒型復(fù)合材料防撞設(shè)施，由直線段構(gòu)件與彎頭構(gòu)件組裝而成，布置在橋墩四周。防撞筒型號(hào)為D200，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的直徑為2.0 m。

防撞設(shè)施的外殼為樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，內(nèi)部填灌緩沖耗能材料，其中外筒與內(nèi)筒之間填充聚氨酯彈性粘結(jié)材料，內(nèi)筒填充輕質(zhì)摩擦顆粒材料，綜合密度約為300 kg/m3。復(fù)合材料的彈性模量約為鋼材的1/10，具有大變形能力，約壓縮1/2直徑而不破壞，因此能有效保護(hù)船舶不受局部損傷。聚氨酯彈性材料具有較高的抗剪切和界面粘結(jié)性能，輕質(zhì)摩擦顆粒材料可有效提高內(nèi)筒剛度，并能限制外筒與內(nèi)筒的變形，保證其不發(fā)生較大變形而導(dǎo)致破裂。防撞設(shè)施采用工廠節(jié)段制造，現(xiàn)場(chǎng)通過粘結(jié)或法蘭連接組裝，施工速度快，后期維護(hù)或更換方便。

設(shè)計(jì)復(fù)合材料防撞系統(tǒng)與橋墩之間實(shí)現(xiàn)上下浮動(dòng)，以適應(yīng)橋位處漲落潮水位差較大的特點(diǎn)。主墩防撞設(shè)計(jì)的立面布置圖和平面布置圖參見圖1。

船舶撞擊橋墩時(shí)，防撞筒具有大變形能力，延長碰撞的時(shí)間，達(dá)到消能的效果，不但保護(hù)了橋墩，同時(shí)也可有效保護(hù)船舶不至于受損。

4.2 主橋邊墩防撞設(shè)計(jì)

邊墩為等截面橋墩，設(shè)計(jì)采用自浮式箱型復(fù)合材料防撞設(shè)施，可隨水位的變化自動(dòng)升降。箱型復(fù)合材料防撞圈型號(hào)為H200，高度2 m，寬度1 m，外殼為纖維復(fù)合材料，在防撞圈的內(nèi)側(cè)設(shè)置拱形橡膠護(hù)舷，橡膠護(hù)舷的高度為0.5 m，橡膠護(hù)舷內(nèi)側(cè)與橋墩接觸處采用30 mm厚四氟滑板，防撞設(shè)施與橋墩之間可上下浮動(dòng)。外殼材料的彈性模量約為鋼材的1/10，具有大變形能力。箱內(nèi)采用復(fù)合材料加勁腹板增強(qiáng)，形成格構(gòu)，內(nèi)部填充輕質(zhì)耗能芯材，增強(qiáng)抗剪切性能。通過防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)，最大船撞力可削減50%以上。防撞圈兩端設(shè)計(jì)為尖形，船舶成角度撞擊后，可轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，撥離船舶行駛方向，避免正向撞擊，大大減小撞擊力以保護(hù)橋墩。復(fù)合材料防撞圈采用工廠節(jié)段制造，現(xiàn)場(chǎng)通過尼龍棒銷接組裝，施工速度快，后期維護(hù)或更換方便。

船舶正對(duì)橋墩撞擊時(shí)，橡膠護(hù)舷與橋墩接觸發(fā)生彈性變形，吸收碰撞能量；當(dāng)船舶呈一定角度撞擊時(shí)，防撞系統(tǒng)可轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，撥離船舶行駛方向；箱型防撞圈本身也能承受較大的撞擊力。由于復(fù)合材料防撞系統(tǒng)具有自浮性、可轉(zhuǎn)動(dòng)性、緩沖性、彈性模量低等特點(diǎn)，亦可有效保護(hù)船舶不至于嚴(yán)重受損。

邊墩防撞設(shè)計(jì)的立面布置圖和平面布置圖參見圖2。

5 結(jié)語

近年來，船撞事故不斷增多，造成了很大的損失，有些甚至造成了很大的悲劇。通過對(duì)橋墩進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)，避免船舶與橋墩直接碰撞，一方面保障了橋梁自身安全，另一方面也保障船舶的安全，減少相互的維護(hù)費(fèi)用，是一種有效的解決船撞橋的防護(hù)措施，特別是本橋采用的復(fù)合材料防撞設(shè)施，安裝維護(hù)方便，耐久性好，適應(yīng)性強(qiáng)，造價(jià)合理，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可為其他橋梁的防撞設(shè)計(jì)提供借鑒。

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[4] 嚴(yán)仁軍，李 嶸，王 勇，等.水路航運(yùn)與橋墩防撞研究[J].交通科技，2003(3):72-73.

The anticollision design of Rugao Yangtze river bridge main span bridge pier

Li Xu1Fang Hai2

(1.ArchitectureDesignandResearchInstituteLimitedCompany,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.NanjingUniversityofTechnology,Nanjing211800,China)

Taking the Rugao Yangtze river bridge as basis, in accordance with relevant standards, this paper listed some traditional bridge pier anticollision forms, emphatically elaborated the specific design scheme, to effectively ensure operation safety of bridge.

bridge, bridge pier anticollision, composite material floating anticollision facility

1009-6825(2015)32-0149-02

2015-08-28

李 旭(1984- )，男，碩士，工程師

U443.22

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