跨石臼湖航道大橋防撞設(shè)施探索

陳鳳來 童 亮 韓 娟

(1.南京市航道管理處，江蘇 南京 210036； 2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

船橋碰撞事故在我國發(fā)生較為頻繁，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近30年來在我國三大水系干線上發(fā)生的船橋碰撞事故就超過300起。船橋撞擊的災(zāi)難性事故日益增多，且產(chǎn)生的后果極其嚴(yán)重。

目前我國大量舊橋設(shè)計(jì)時(shí)低估了船撞力，而且航道等級提升需求量大，急需進(jìn)行防船撞評估與加固。為避免嚴(yán)重船橋碰撞事故再次發(fā)生，新建橋梁的船舶撞擊分析與加裝橋梁防撞設(shè)施，以及舊橋船舶撞擊承載能力復(fù)核與加強(qiáng)抗撞能力，是擺在橋梁設(shè)計(jì)與管理部門、航道管理部門面前急需解決的問題。

1 石臼湖大橋概況

南京至高淳新通道工程跨秦淮河石臼湖航道為高架橋梁。秦淮河石臼湖區(qū)段航道全長16.5 km，受寧高新通道跨湖大橋影響，需要改建航道9.393 km，按四級航道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治，包括航道疏浚、助航標(biāo)志及橋梁防撞設(shè)施。為確?？绾髽蚪ǔ珊蟀踩\(yùn)行，避免受橋下通航船舶影響，考慮在主通航孔橋墩上設(shè)置防撞設(shè)施。

基于寧高新通道跨石臼湖航道大橋防撞設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，有必要對防撞設(shè)施從經(jīng)濟(jì)性、適用性、美觀性、安全可靠性等方面進(jìn)行比選研究，提出適合寧高新通道石臼湖大橋的防撞設(shè)施方案。

2 防護(hù)設(shè)施的分類和評價(jià)

國內(nèi)外現(xiàn)有的多種類型的橋墩防撞設(shè)施，基本原理是基于能量吸收、動(dòng)量緩沖而設(shè)計(jì)的，每種防撞設(shè)施都有其特點(diǎn)和使用條件?？煞譃閮纱箢怺1]：

1)間接式。其特點(diǎn)為：在橋墩之外另設(shè)防撞設(shè)施，橋墩不直接受力，讓橋墩徹底回避船舶撞擊的問題。如：樁群方式、薄殼筑沙圍堰方式、人工島方式等，一般適用于水淺、地質(zhì)情況較好的場合。間接式防撞方法雖然一勞永逸，但會(huì)影響航道，且常常因?yàn)樵靸r(jià)太高或者條件不具備而放棄。

2)直接式。其特點(diǎn)為：船撞力經(jīng)過緩沖后直接作用在橋墩上，如護(hù)弦方式、繩索變形方式、緩沖材料設(shè)施方式、緩沖設(shè)施工程方式及固定或浮式套箱防撞設(shè)施等。一般使用在航道較窄、水較深的場合，通常建造費(fèi)用較省，土建工程量不大。

防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等各類因素綜合進(jìn)行。防撞設(shè)施一般應(yīng)滿足如下要求[2]：

1)防撞設(shè)施能被橋梁、船舶運(yùn)輸和港航(海事)管理單位三方面共同接受；

2)對船舶碰撞的撞擊能量進(jìn)行消能緩沖，使船舶不能直接撞擊橋墩或使船舶碰撞力控制在安全范圍內(nèi)；

3)防撞設(shè)施不能影響航道的通航，盡量少占航道，不礙航；

4)能適應(yīng)枯水、洪水、漲潮和退潮等水位變化的要求；

5)通過合理的結(jié)構(gòu)和材料布置，設(shè)施的消能，盡量減少船舶的損傷；

6)不因防撞設(shè)施的設(shè)置而增加新問題，如回流沉積、妨礙捕撈、局部沖刷增大等；

7)防撞設(shè)施制造、安裝、維修經(jīng)濟(jì)方便，工程造價(jià)低，結(jié)構(gòu)經(jīng)久耐用和功能可靠。

3 南京跨石臼湖航道大橋防撞設(shè)施設(shè)計(jì)

南京石臼湖航道最高通航水位11.67 m，平均低潮水位5.06 m，航道底高程為2.56 m。船型標(biāo)準(zhǔn)為500 t船舶。大橋橋墩為樁基，橋墩為6.75 m×4.00 m鋼筋混凝土矩形柱式結(jié)構(gòu)。

本文針對大橋主通航孔橋墩共設(shè)計(jì)了6套方案，方案見表1。

3.1 D200型復(fù)合材料防撞設(shè)施

擬采用D200型自浮式復(fù)合材料防撞設(shè)施(外管直徑為2.0 m)，滿足主要橋墩的防撞要求。筒型防撞系統(tǒng)的外殼為樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料防撞筒由直線段和彎頭構(gòu)件組成，現(xiàn)場在橋墩周圍連接成連續(xù)光滑的多邊形防撞圈。D200筒型復(fù)合材料防撞設(shè)施內(nèi)側(cè)設(shè)置一定角度的消能元件，避免防撞系統(tǒng)與墩身直接接觸。最后使用插銷棒連接固定形成一個(gè)整體，可隨水位上下浮動(dòng)，見圖1。

3.2 H200復(fù)合材料防撞設(shè)施

本設(shè)計(jì)方案提出在公路橋墩墩身設(shè)置H200箱型自浮式復(fù)合材料防撞設(shè)施，型號為H200，復(fù)合材料截面寬1 m，高2 m。箱型復(fù)合材料防撞設(shè)施采用工廠制造，防撞設(shè)施可隨著水位的變化上下浮動(dòng)，見圖2。

3.3 HX50型固定式復(fù)合材料防撞設(shè)施

本設(shè)計(jì)方案提出在公路橋墩墩身設(shè)置HX50型固定式復(fù)合材料防撞設(shè)施，型號為HX50，寬2 m，高4 m，厚0.5 m。固定式復(fù)合材料防撞設(shè)施采用工廠制造，現(xiàn)場通過螺栓固定，如圖3所示。

表1 防撞設(shè)施對比分析表

3.4 防撞墩方案

本設(shè)計(jì)方案提出在公路橋主橋墩中軸線上下游6.5 m處布設(shè)防撞墩，采用鉆孔灌注混凝土加固形式樁，鋼管樁三根一聯(lián)，樁身上設(shè)置直徑6 m，厚2.5 m的鋼筋混凝土承臺,見圖4。

3.5 鋼套箱防撞設(shè)施

目前常用的大型橋梁防撞方案為鋼結(jié)構(gòu)套箱消能設(shè)施，如：平潭海峽公路大橋，其主墩和交界墩均采用鋼套箱防撞方案，利用鋼材塑性變形破損消能，當(dāng)船舶撞擊鋼套箱時(shí)，鋼板發(fā)生較大的變形，吸收部分碰撞能量，使撞擊力峰值得以降低，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)變形和相互作用，從而撥動(dòng)船頭方向，減少了船舶與結(jié)構(gòu)間的能量交換。鋼結(jié)構(gòu)套箱具有制造方便，可等強(qiáng)度焊接和螺栓連接的優(yōu)勢，但傳統(tǒng)鋼套箱撞損后維修較困難，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了采用螺栓連接的鋼套箱系統(tǒng)，可方便更換。鋼套箱的面板采用20 mm厚鋼板，并采用T型肋加勁，鋼套箱與橋墩接觸處設(shè)置外伸寬度0.5 m的柔性V型橡膠護(hù)舷，護(hù)舷固定于鋼套箱上，可形成0.25 m的彈性緩沖距離，見圖5。

由于鋼套箱必須依靠自身的塑性變形耗能，如果不破損即不耗散能量，因此在經(jīng)常遭受小船撞擊時(shí)，如果其沒有破損，則撞擊力完全傳至橋塔結(jié)構(gòu)，且剛度較大的鋼套箱易使船舶撞損；而如果鋼套箱破損，則可削減部分撞擊力，且能在一定程度上保護(hù)船舶，但剛度稍弱的鋼套箱需要經(jīng)常修補(bǔ)，后期維護(hù)較麻煩。同時(shí)鋼材常年在水中極易銹蝕，后期防腐維護(hù)費(fèi)用較高。

3.6 橡膠護(hù)舷防撞設(shè)施

本設(shè)計(jì)方案提出在公路橋墩墩身周圍設(shè)置橡膠護(hù)舷，寬0.9 m，高0.3 m，厚0.3 m，見圖6。

4 結(jié)語

從全壽命周期衡量，箱型復(fù)合材料防撞設(shè)施具有較高的性價(jià)

比，且柔性防撞設(shè)施在船撞發(fā)生時(shí)，可在保護(hù)橋墩安全的同時(shí)，最大限度地保障船員、船舶及橋梁的安全，符合人性化設(shè)計(jì)思路。另外，防撞設(shè)施可承受多次船舶撞擊，變形后可恢復(fù)。

自浮式防撞圈重量輕、運(yùn)輸安裝方便、后期維護(hù)費(fèi)用省、無需防腐涂裝，不污染水環(huán)境，且外型美觀，顏色可起到警示作用，可與石臼湖湖區(qū)景色相得益彰。

經(jīng)綜合比較，箱型自浮式復(fù)合材料防撞設(shè)施方案具有較好的綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，防撞消能效果好，性價(jià)比高，因此，可作為項(xiàng)目的推薦方案。