某連續(xù)箱梁橋上部結(jié)構(gòu)防船撞措施分析及對策

■林光峰

（寧德市公路局福安分局，寧德 352000)

0 引言

國外自上世紀80 年代開始系統(tǒng)地研究船橋碰撞問題，并形成了以AASHTO《公路橋梁船撞設(shè)計指南》、IABSE《船舶碰撞橋梁》為代表的一系列成果。 我國自上世紀90 年代開始橋梁結(jié)構(gòu)船撞橋相關(guān)研究工作，且主要集中在大型橋梁結(jié)構(gòu)下部受船舶撞擊后結(jié)構(gòu)安全性評定技術(shù)方法， 基于取得的研究成果提出了一系列的防止船舶撞擊橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施。然而，值得注意的是針對船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外研究卻相對較少。

當(dāng)前， 在我國已建成的橋梁中， 橋孔通航凈高不富裕、 或接近國家規(guī)定標準臨界值或不滿足凈高要求等情況均普遍存在。 尤其近十幾年來，隨著航道等級的提升、船舶大型化的發(fā)展， 船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的事故比例不斷提高。因此，開展對于船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)及防范對策的研究是十分必要而且緊迫的。為此，本文以某連續(xù)箱梁橋為對象， 在深入調(diào)查橋梁受船舶撞擊事故的基礎(chǔ)上對船舶撞擊情況進行了歸納總結(jié)， 在此基礎(chǔ)上提出了三種處治方案，并從技術(shù)、經(jīng)濟可行性等方面進行了方案比選，確定了相應(yīng)的技術(shù)處治對策。

1 工程背景

某預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋主橋總長為300m，共5 孔，跨徑組合為45m+3×70m+45m，橋梁全長487.8m。 上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室箱形截面， 懸臂拼裝施工，支點處梁高4.0m，跨中梁高2.0 m，梁底采用二次拋物線過渡。 橋面布置：凈9m(行車道)+2×1.5m(人行道)，設(shè)計荷載為汽車-20、驗算荷載為掛車-100，設(shè)計洪水頻率1/100，通航標準按六級航道設(shè)計，通航孔凈寬為64.3m，凈高為5.63m，建成于1991 年8 月。圖1 為主橋總體布置圖。

2009 年2 月23 日，一艘停泊在橋梁下游、總噸位為493 噸的貨輪，因脫錨且恰逢漲潮，在大風(fēng)和潮汐的雙重作用下， 船只失控往橋下河流上游漂移被卡在大橋通航孔內(nèi)， 所幸橋梁并未產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)損傷和裂縫。 2012年8 月18 日，一艘干貨船(船重495 噸，核定載重1020噸)由于液壓錨機油破裂，無法拋錨，當(dāng)時潮水急漲，導(dǎo)致該船往上游側(cè)飄移， 致使該船船尾指揮艙卡在橋梁7 號孔下游側(cè)箱梁翼緣板處，造成橋梁結(jié)構(gòu)局部損傷。

從上述橋梁船撞歷史事故調(diào)查可以得出， 大橋受到船撞的部位全部為上部結(jié)構(gòu)，特別是在汛期時期，雖然橋梁管理部門設(shè)置了航道提醒警示標志， 但當(dāng)海水漲潮時水位較高且變幅較大，即通航凈高值處于臨界的時候，船舶駕駛管理人員稍微疏忽就極易發(fā)生船撞橋事故。

圖1 主橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 2009 年船撞情況

圖3 2012 年船撞欄桿損壞情況

圖4 2012 年船撞上部結(jié)構(gòu)損壞情況

圖5 2012 年船撞上部結(jié)構(gòu)損壞情況

2 通行船舶船撞力的計算

根據(jù)橋梁當(dāng)?shù)厮诤Ｊ虏块T資料，2011 年后， 每年進出橋區(qū)水域船舶數(shù)量達上萬艘次。 大橋上游通航船舶主要是采運砂船，平均每天過往船舶有20 艘次左右。 臺風(fēng)期間大橋上下游在港錨泊船舶總數(shù)有100 多艘， 部分船舶錨泊位置距離橋梁在500 m 以內(nèi)， 橋梁所在航道通行船舶噸位分布見表1。

表1 橋梁所在航道通行船舶噸位分布

大橋橋區(qū)潮汐屬正規(guī)半日潮，呈往復(fù)流，平均高潮位4.01m，平均低潮位-2.05m，設(shè)計通航水位4.08m，通航孔跨中梁底高程10.93m，墩頂高程8.73m。 漲潮流較大流速0.77～1.1m/s，流向為NNW；落潮流較大流速0.82～1.23m/s，流向為SSE。

根據(jù)橋梁船撞事故的統(tǒng)計調(diào)查， 并考慮到船舶大型化發(fā)展趨勢，大橋防撞設(shè)計的代表船型為1000t 級船舶，設(shè)計撞擊速度為3.5m/s。 船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撞擊力，目前國內(nèi)未有規(guī)范進行規(guī)定，參考美國AASHTO《公路橋梁船撞設(shè)計指南》進行計算。

根據(jù)AASHTO《公路橋梁船撞設(shè)計指南》，船舶對橋墩的正面撞擊力可按下式計算：

式中：Ps為撞擊力(N)；V 為船舶撞擊速度(m/s)；DWT為船舶載重噸位(t)。

甲板艙對上部結(jié)構(gòu)的碰撞力應(yīng)取作：

式中：PDH為船舶甲板艙撞擊力(N)；RDH為本條規(guī)定的折減系數(shù)；Ps為船舶對橋墩的正面撞擊力(N)。

3 防船撞技術(shù)措施分析及對策確定

為了既保護橋梁結(jié)構(gòu)， 又最大限度減少船舶在碰撞中的破壞，該橋上部結(jié)構(gòu)擬采用如下三種技術(shù)措施：

(1)方案一：參考陸地橋梁設(shè)置限高裝置的思路，在上下游對應(yīng)橋梁主跨通航孔設(shè)置橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞限高鋼桁架，如圖6 所示。限高布置原則：①通航孔對孔布置；②不改變原通航孔凈空尺度； ③參照 《內(nèi)河通航標準》(GB50139-2014)中“當(dāng)兩座相鄰水上過河建筑物的軸線間距不能滿足要求，且其所處通航水域無礙航水流時，應(yīng)靠近布置， 兩建筑物間相鄰邊緣距離應(yīng)控制在50m 以內(nèi)，且通航孔必須相互對應(yīng)”要求布置。

圖6 橋梁防撞限高鋼桁架

(2)方案二：與方案一類似，但橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞裝置采用柔性拉索結(jié)構(gòu)型式，攔截拉索兩端固定于左、右兩端承臺。如圖7 所示。該方案的限高主體結(jié)構(gòu)采用拉索緩沖耗散船舶撞擊能量， 采用吊索將下方主拉索懸掛于上方拉索上，下方主拉索與上方拉索均通過鋼索塔定位，索端交替錨碇于混凝土承臺內(nèi)， 拉索合力對船舶做負功抵抗消耗超高船舶的運動能量。

圖7 橋梁防撞限高攔截拉索

(3)方案三：完善橋梁既有的通航孔限高、限航警示標志包括限高警示牌、禁航標志、水位顯示牌、航標、航標燈、霧天黃燈、閃燈對中指示、紅白斜紋標志等，同時利用橋梁上部結(jié)構(gòu)自身的強度， 結(jié)合船舶撞擊上部箱梁事故產(chǎn)生的損傷分布規(guī)律以及船舶撞擊箱梁梁體有限元分析，為防止船舶對梁體撞擊破壞，在底板和腹板交接處粘貼鋼板，如圖8 所示。

主通航孔各墩在自重作用下的支反力為15500kN，16200kN，16200kN，15500kN， 每個墩設(shè)置2 個10000kN縱向活動支座， 按照單向活動支座非滑移方向的水平承載力均不小于支座豎向承載力的10%考慮， 則各墩支座水平承載力均不小于2000kN，在不考慮兩端梁體對受撞擊通航孔梁體的橫向約束前提下， 則單孔通航孔抵抗船舶水平撞擊力為不小于4000kN， 大于1000t 船舶甲板艙撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的撞擊力2643kN， 安全系數(shù)在1.5 以上。 因此，當(dāng)通航孔橋梁上部結(jié)構(gòu)受到1000t 船舶甲板艙撞擊時，梁體無傾覆危險。 采用實體單元模擬1000t 船舶甲板艙瞬時撞擊大橋上部結(jié)構(gòu)的箱梁應(yīng)力分布如圖9～圖11 所示。

圖8 橋梁上部結(jié)構(gòu)粘貼鋼板防撞

圖9 箱梁縱向應(yīng)力分布

圖10 箱梁橫向應(yīng)力分布

圖11 箱梁豎向應(yīng)力分布

在不考慮混凝土內(nèi)鋼筋和粘貼鋼板的作用，1000t 船舶甲板艙撞擊箱梁時， 梁體產(chǎn)生的最大縱向拉應(yīng)力為2.49MPa，位于撞擊部位；產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為3.37MPa，位于箱梁腹板與底板交界部位； 產(chǎn)生的最大豎向拉應(yīng)力為5.79MPa，位于撞擊部位。 從應(yīng)力分布圖可見，船舶撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力在撞擊部位周圍迅速擴散， 箱梁梁體受到1000t 船舶甲板艙撞擊時，根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，箱梁可能產(chǎn)生沿腹板和底板交界處的縱向水平裂縫和豎向裂縫，結(jié)構(gòu)受到的損傷不大，對橋梁結(jié)構(gòu)安全無實質(zhì)性影響。

以上三種上部結(jié)構(gòu)防船撞措施綜合對比見表2。

綜合表2 優(yōu)缺點分析，結(jié)合造價、環(huán)境因素、實際通行船舶噸位和撞擊事故特點， 橋梁養(yǎng)護單位最終選擇梁體粘貼鋼板方案并結(jié)合完善現(xiàn)有的限高警示標志作為該橋的上部結(jié)構(gòu)防撞保護及措施，如圖12 所示。

圖12 箱梁外部粘貼鋼板

自2012 年該橋采用在底板和腹板交接處粘貼鋼板作為上部結(jié)構(gòu)防船撞的保護措施以來， 經(jīng)過7 年的使用跟蹤，未再發(fā)現(xiàn)該橋上部梁體有明顯的船舶撞擊損傷，日常巡查養(yǎng)護中僅檢查到箱梁梁體底面存在少數(shù)剮蹭痕跡，從防船撞保護措施的造價、對周圍環(huán)境的影響以及實際的效果來看， 該橋采用的上部結(jié)構(gòu)防撞對策無疑是適宜的、可借鑒的。

4 結(jié)語

船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)是船舶撞擊橋梁事故的重要種類之一，部分建設(shè)年代較早、設(shè)計通航等級低的橋梁在汛期季節(jié)，由于河涌潮夕每天漲跌不一，事故頻繁發(fā)生，影響橋梁上部結(jié)構(gòu)安全。 本文對某連續(xù)箱梁橋的船撞歷史進行了調(diào)查， 比較分析了該橋上部結(jié)構(gòu)可行的三種防船撞保護措施，并結(jié)合實際，選擇了適宜的橋梁上部結(jié)構(gòu)防撞保護對策， 可為同類橋梁上部結(jié)構(gòu)防止船撞的處治提供借鑒作用。