橋梁防撞設計的常用方法探討

顧承杰

摘 要：橋梁是重要的交通樞紐，一旦船舶與橋梁發(fā)生撞擊，將會造成船舶被撞壞、沉沒和橋梁被撞損、坍塌的嚴重后果，帶來巨大的經濟損失和人身傷害。文章針對國內外橋梁防撞現有的技術，簡析了橋梁防撞設計的常用方法及其優(yōu)缺點，并以某跨海大橋橋墩的防撞設計為例進行探討。

關鍵詞：橋梁防撞；常用方法；方案；設計

中圖分類號：U422.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0147-02

1 加強橋梁防撞方案設計的必要性

隨著交通運輸和內河航運的發(fā)展，我國航運量不斷增大，船舶撞擊橋梁的問題也越來越突出。根據相關機構公布的數據顯示，世界上發(fā)生船舶撞擊橋梁的事故已經達到上百件。我國自2006年以來，杭州灣跨海大橋、廣東九江大橋、江蘇昆山大洋橋、上海大治河大橋、湖南平陽范固橋等跨河大橋相繼發(fā)生船舶撞擊橋梁的事故，經濟損失、人員傷亡嚴重，使得橋梁防撞設計受到了工程界人士的廣泛關注。為了避免此類事故的發(fā)生，應加強橋梁防撞方案設計，充分發(fā)揮防護裝置的作用。

2 常用的橋梁防撞設計方法

2.1 主動防撞和被動防撞設計方法

綜合國內橋梁防撞設計既有的技術，橋梁防撞設計方法主要有兩種：主動防撞和被動防撞。主動防撞設計，是通過對船舶的航行管理和航行軌跡進行干預，避免船舶撞擊橋梁事故發(fā)生的一種方法；被動防撞設計，是通過橋墩自身的加強或者輔助防撞設施來抵御船舶的撞擊，進而避免撞擊事故發(fā)生或降低受損程度的方法。

主動防撞設計是一項比較復雜的系統(tǒng)工程，設計方案能否成功，取決于人的素質、技術水平、資金等各方面因素，因此有著較高的要求。被動防撞設計對防撞結構的強度和輔助設施的消能效果要求較高。

2.2 我國采用被動防撞設計方法的主要內容

我國在橋梁防撞設計上主要采用被動防撞設計方法，具體的防撞設計方法如下。

2.2.1 人工島

人工島是一種用圬工島將橋墩臺阻隔、消能的防撞設計方法。適用于航道水位淺、江面寬闊條件下的橋梁工程。實際運用中，存在侵占水面多、改變航道原有水流環(huán)境的缺點，由于剛性較大，對船舶破壞力較大。

2.2.2 墩外墩

墩外墩在橋墩外圍設置防撞墩，用以消除船舶撞擊帶來的全部或部分動能。適用于航道水位淺、基礎條件好、水位落差小及設置后不阻礙通航條件下的橋梁工程。實際運用中會侵占水面，對地基要求較高。若是對深水位的橋梁工程采用這種防撞方法，造價將會大幅度提高。

2.2.3 圍 堰

圍堰在橋墩外圍的水底打入一圈混凝土樁或鋼板樁，形成一個相互緊扣的圍堰結構，利用變形來抵抗船舶的撞擊力，既可以保護橋梁，又可以減輕船舶的損壞程度。適用于航道水位淺、基礎條件好、設置后不阻礙通航條件下的橋梁工程。實際運用中存在改變水流環(huán)境、侵占水面的缺點。

2.2.4 防撞樁群

防撞樁群在橋墩外圍設置更多的根樁，吸收船舶撞擊帶來的全部或部分動能。設計過程中，要求樁群消減能和墩臺抗力之和大于船舶的撞擊力，這樣才能保護墩臺，減輕船舶損壞的嚴重程度，達到良好的防撞效果。這種橋梁防撞設計方法適用于航道水位淺、水位落差小、基礎條件好、設置后不阻礙通航條件下的橋梁工程，存在侵占水面較大的缺點。

2.2.5 實體墩

實體墩提高橋梁工程墩臺的強度，使橋梁工程利用墩臺的強度來抵抗船舶的撞擊力。適用于水位落差大、航道緊張條件下的橋梁工程。實際運用中，該方案不受船舶撞擊方向的影響，但由于橋墩剛度大，對船舶的破壞力大。

2.2.6 漂浮式柔性防撞系統(tǒng)

漂浮式柔性防撞系統(tǒng)利用繩柔性網等耗能器或浮鏈消減船舶撞擊傳來的動能，具有保護墩臺、減輕對撞擊船舶破壞的優(yōu)勢。適用于航道寬闊、設置后不阻礙通航條件下的橋梁工程。

2.2.7 耗能吸收元件

耗能吸收元件主要利用橡膠或塑性囊體吸收船舶撞擊橋梁的部分動能，要求設置后和墩臺的合抗力大于船舶的撞擊力。適用于航道寬闊條件下的橋梁工程。實際應用中，具有保護橋梁和船舶的優(yōu)勢，但是對大型船舶的意義不大。因為大型船舶撞擊橋梁的動能較大，而橡膠或塑性囊體吸收的部分撞力只能抵消大型船舶撞力的一小部分，達不到保護橋梁的作用。

3 某跨海大橋橋墩防撞設計分析

3.1 工程概況

某跨海大橋，由于受風、浪、水流荷載、地震慣性力和汽車制動力等因素的影響較大，在橋梁設計中增大了橋墩水平承載力，但是防撞能力依然沒有得到有效的改善，對撞擊振動比較敏感。所以，需要采取一定的防撞措施，盡量降低船舶撞擊帶來的破壞性影響。該橋的主航道孔塔柱基礎采用的是高樁承臺結構，樁基為直徑2 500 mm的混凝土灌注樁。下面主要論述針對主航道孔的橋墩防撞方案設計。

3.2 防撞設計

3.2.1 防撞設計分析

第一，從實際勘探結果來看，橋墩地基條件差，表層為淤泥，持力層較深，不適宜采用適用于地基條件好的防撞設計方案，如墩外墩、圍堰等。

第二，海浪、潮流流速較大，不適于采用漂浮式柔性防撞系統(tǒng)，難以保證防護裝置穩(wěn)定。

第三，海水的腐蝕性嚴重，易腐蝕防撞結構，要求防撞結構具有較高的防腐蝕性能。

第四，海上施工作業(yè)困難，應當采用安裝便捷、修復快速的防撞結構型式。

3.2.2 船舶撞擊力計算

鑒于我國尚未形成完整和系統(tǒng)的橋梁防撞設計規(guī)范，設有系統(tǒng)的船舶撞擊力計算公式，因此，參考國際上通用的規(guī)范，這里采用美國橋梁設計規(guī)范中的船舶撞擊力計算公式：

v表示撞擊速度，DWT表示船舶載重量。

確定采用的船舶撞擊力計算公式后，收集整理計算需要的相關數據，包括船舶撞擊速度、船舶排水量、水位情況、通航孔徑等，然后輸入公式中，得到主通航孔在不同船舶排水量、不同撞擊模式、不同撞擊速度下的船撞力，見表1。

3.2.3 防撞結構吸收能量計算

同樣，由于我國尚未形成完善和標準的計算方式，參考國際上通用的計算方式，這里采用英國標準BS6349中的公式進行防撞結構吸收能量計算：

Cm表示流體動力系數，表示船舶排水量，Vb表示撞擊速度，Ce表示偏心系數，Cs表示柔性系數，Vb表示形狀系數。

計算前，收集整理需要的數據，包括滿載排水量、水動力系數、撞擊速度、有效撞擊動能等，然后輸入計算公式中，得到防撞結構吸收能量，見表2。

3.2.4 防撞方案設計

基于以上分析，我們知道了此橋梁防撞設計要求，以及需要考慮的船舶撞擊力、防撞結構吸收能量數據，再結合橋墩采用高樁承臺結構，基樁為2 500 mm的鉆孔灌注樁，可承受10 000 t級別的船舶撞擊力，所以提出采用懸浮式的防撞結構?；谶@樣的考量，對主通航孔處橋墩提出了這樣的防撞設計方案：混凝土防撞承臺和橡膠護舷混合型。簡單地說，就是把圍堰和耗能吸收元件兩種防撞設計方法有機的結合起來，充分發(fā)揮兩種防撞設計方法的優(yōu)勢，以達到防護橋梁的目的。通過有限元仿真分析，這種設計符合該工程特點，滿足主航道孔橋墩防撞要求。

4 結 語

綜上所述，橋梁防撞設計方法是多種多樣的，如何從眾多方法中選出最適合的方法，要以橋梁工程實際的工程地質條件和防撞要求等為基本依據。為此，進行橋梁防撞設計時，要全面掌握橋梁的工程地質條件和設計中需要的各種數據，為防撞方案設計提供基本的數據支持，推動防撞設計工作的有序開展，保證防撞方案設計的科學性和有效性，滿足橋梁防撞要求。在今后的工作中，應當不斷加強橋梁防撞設計研究力度，不斷提高橋梁防撞設計方法的技術水平，為橋梁安全提供基本的保障，降低船舶撞擊橋梁事故的發(fā)生率及其危害程度，保護生命財產安全。

參考文獻：

[1] 李華文.防范船撞橋事故的思考[J].世界海運，2012，（3）.

[2] 張少為.近十年國內橋梁防撞研究述評[J].河南科技，2012，（3）.