論航道中橋梁橋墩防撞技術(shù)及設(shè)施

◎ 錢慧 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

論航道中橋梁橋墩防撞技術(shù)及設(shè)施

◎ 錢慧 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

在水利運(yùn)輸過程中，船舶撞損橋墩屬于高發(fā)事故。由于航道墩撞擊破壞性影響巨大，為降低碰撞造成的損失，應(yīng)在航道墩設(shè)計(jì)與加固中充分利用了彈性變形防撞、人工防撞、重力式防撞、薄殼圍堰防撞等防撞技術(shù)。本文以實(shí)際工程為例，對(duì)航道中橋梁橋墩防撞技術(shù)進(jìn)行探討。

航道 橋梁橋墩 防撞技術(shù)

1.工程概況

某橋梁工程自建成45年來，先后受到了60多次的船舶撞擊，鋼梁撞損三次，橋墩撞損58次，導(dǎo)致橋墩上多位置受到了嚴(yán)重的損害。由于不斷受到撞損，嚴(yán)重影響了大橋的安全性，引起了鐵道部門、公安部門的高度重視，要求采取科學(xué)的橋梁橋墩防撞措施，保證橋梁的安全性。

2.橋墩撞損分析

橋梁運(yùn)營過程中，排水量超過2000t的船舶撞擊事故一共出現(xiàn)了7次，其中最嚴(yán)重的一次撞損事故船舶的排水量達(dá)到了9000t。大部分的撞損事故都是小型船舶造成的，雖然小型船舶的撞損事故并不會(huì)對(duì)橋梁造成嚴(yán)重的毀損，但是如果任其發(fā)展必然會(huì)對(duì)橋梁的使用壽命造成影響。從事故出現(xiàn)時(shí)的水位情況看，水位標(biāo)高低于24m的撞擊一共出現(xiàn)了55次，占到了總撞損事故的82.3%，超過水位標(biāo)高27m的事故一共出現(xiàn)了4次，其中最嚴(yán)重的一次水位標(biāo)高為28m，一艘載有2000t的船舶右側(cè)尾部撞到的五號(hào)墩。

從事故發(fā)生的時(shí)間段分析，發(fā)生在夜間的事故達(dá)到了27次，發(fā)生在白天的事故有36次，撞損事故發(fā)生概率相差不大，但是中午12點(diǎn)～下午15點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的事故概率比較多，一共發(fā)生了17次，比其他時(shí)間段的事故率明顯要高出很多。

根據(jù)船舶的航行的方向看，上水船舶出現(xiàn)在膨脹的次數(shù)比較少，只占到了總事故概率的6.5%，而下水船的碰撞概率相對(duì)來說則比較高，大約占到了總事故概率的85.2%。因此，在進(jìn)行橋墩防撞設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮下水方向的撞損影響。該大橋受到的60多次橋墩撞損事故中，總體上可以分為4種。

（1）前進(jìn)過程中船頭撞到的橋墩上，如圖1所示。這種事故對(duì)橋墩造成的危害比較大，大約占到了總事故率的35.2%。

（2）橫漂船船側(cè)撞擊到了橋墩上，這種情況和船只靠碼頭的情況比較相似，受舵和水流的作用影響，船不能保持軸向前進(jìn)，因?yàn)榇瑱M漂的速度要低于前進(jìn)速度，因此，造成的撞損程度也比較小。這類事故出現(xiàn)概率比較多，占到了總概率的56.2%，如圖2所示。

（3）橫漂船的重心剛好撞擊到橋墩上。這種情況是一種較為極端的情況，由于船的重心正好撞擊到橋墩上，受水流合力影響，船頭后發(fā)生旋轉(zhuǎn)，逐步轉(zhuǎn)變成順流而下。

（4）船頭直接裝到橋墩上。這種情況比較極端，當(dāng)船撞到橋墩上后，船會(huì)和橋墩交換所有的動(dòng)能，受水流、橋墩端部外形、操作等因素的影響，相撞后會(huì)瞬間滑開并轉(zhuǎn)變成第一類情況，這種情況出現(xiàn)的概率比較小，在設(shè)置橋墩防護(hù)時(shí)可以忽略。

圖1 前進(jìn)過程中船頭部位相撞

圖2 橫漂船側(cè)撞擊橋墩

圖3 充水膠囊受力曲線

圖4 膠管受力曲線

3.選擇橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)

由于該大橋?qū)儆谝患?jí)航道，通航跨度達(dá)到了127m，減去橋墩占據(jù)的6.5m，航道凈寬值為121.5m，按照規(guī)定要求，航道凈寬要控制在100m以上，所以，橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)一個(gè)邊最大只可以占到10.75m，通過分析后發(fā)現(xiàn)此工程使用繩索方式或者舷式比較合理。綜合分析后，決定采用充水膠囊防撞器方案。

為了驗(yàn)證防撞效果，使用兩個(gè)比較大的測(cè)力元件對(duì)前后鋼護(hù)箱上的壓力分布情況進(jìn)行檢測(cè)，然后利用兩塊比較小的測(cè)力板對(duì)橋墩的受力值進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)證明，在最大行程運(yùn)行狀態(tài)下船頭的出力大小為384kg，膠管效能率為25%，充水膠囊小能量達(dá)到了30%，根據(jù)繪制的充水膠囊工作曲線不難發(fā)現(xiàn)（如圖3所示，F(xiàn)指的膠囊壓力，L指的是外部壓力），從加壓開始到壓力值升達(dá)到最大耗費(fèi)的時(shí)間要遠(yuǎn)低于膠管的時(shí)間，并且當(dāng)受到的外部壓力大于膠囊控制壓力時(shí)，膠囊的壓力也不會(huì)繼續(xù)變大，而會(huì)通過消能的形式轉(zhuǎn)化掉。使用膠管進(jìn)行消能時(shí)，隨著受到的外力越來越大，膠管受到的壓力也會(huì)越來越大，無法再起到消除能耗的效果，如圖4所示。

綜上所述，使用柔性消能措施是比較合理的，理論計(jì)算值和實(shí)際情況基本一致，使用該方案不僅可以防止橋墩受到船舶外力撞擊后受到大的損傷，而且防撞設(shè)施還具有良好的自我恢復(fù)能力，防撞設(shè)施具有良好的吸能效果。因此，本橋梁工程的防撞使用柔性消能防護(hù)系統(tǒng)，選擇流體穩(wěn)壓柔性膠囊進(jìn)行防撞施工。

4.橋墩防撞設(shè)施組成及應(yīng)用效果

防撞裝置主要由下面幾個(gè)部分構(gòu)成。

（1）外層小型鋼軌枕木滑道。鋼軌枕木滑道主要是由一段段交叉構(gòu)成的，當(dāng)船舶產(chǎn)生撞擊的時(shí)候首先會(huì)撞到鋼軌枕木滑道上，然后把集中的撞擊應(yīng)利分散層平面力均勻的作用到防撞設(shè)備上。

（2）外鋼浮箱。

（3）外層膠管箱。

（4）內(nèi)鋼浮箱。

（5）內(nèi)壁膠管和膠板。

當(dāng)船舶撞擊到防撞裝置上時(shí)，首先會(huì)撞擊到處于最外層的鋼軌枕木滑到上，利用枕木和鋼軌將船舶撞擊過程中產(chǎn)生的撞擊力平均分散到外層膠管束上，有效防止了應(yīng)力集中的情況。在將膠管束壓縮到一定的范圍值后（外鋼浮箱移動(dòng)力達(dá)到6000KN時(shí)），中部充水膠囊群會(huì)有水噴出，外層的鋼浮箱受到擠壓，充水膠囊會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。與此同時(shí)橡膠墊板和內(nèi)層膠管也會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，在撞擊過程結(jié)束后壓縮變形才會(huì)完成。撞擊過程完成后，充水膠囊會(huì)自動(dòng)進(jìn)行充水，所有的防撞設(shè)施也會(huì)逐步恢復(fù)到原裝，只需要工作人員簡(jiǎn)單對(duì)受到撞擊的位置稍加修理就可以再次投入使用。

5.結(jié)論

交通運(yùn)輸作為影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，如果一些對(duì)交通影響比較大的橋梁工程受到嚴(yán)重的撞損傷必然會(huì)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失，本文以實(shí)際工程為例，對(duì)大橋橋墩防撞進(jìn)行了研究，分析了多年來橋梁撞損的實(shí)際情況，然后結(jié)合橋墩的具體情況制定了對(duì)應(yīng)的防撞措施。由于選擇的防撞設(shè)施柔軟性良好，當(dāng)橋墩受到船舶的碰撞時(shí)，防撞實(shí)施可以同時(shí)保護(hù)船舶和橋墩，避免了船舶事故的出現(xiàn)，而且防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)很小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。此外，防撞設(shè)施還具有隨水位升高及受到碰撞后自行恢復(fù)的能力，不僅最大限度的保證了船舶和橋墩的安全，而且節(jié)省了資金的投入，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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