廣州市南沙自貿(mào)試驗區(qū)紅蓮特大橋防撞系統(tǒng)設計

聶利芳，沈 燕

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.江蘇宏遠科技工程有限公司，江蘇 常州 212013）

1 研究背景

近年來，廣東省內(nèi)河航運發(fā)展迅猛，但隨之而來的是船－橋矛盾日益嚴峻，惡性船撞事故屢見不鮮。2017年4 月1 日，位于廣東珠海市斗門區(qū)的蓮溪大橋被一艘裝有約一千噸貨物的貨船撞擊，移位1.6 米，造成交通中斷長達數(shù)月之久。2021 年7 月13 日，一艘船號為“新谷333”的中型集裝箱貨輪在途經(jīng)廣州北斗大橋南引橋過渡墩時，碰撞到南引橋過渡墩，造成橋墩剪切破壞。

紅蓮特大橋位于廣州市南沙自貿(mào)區(qū)，主線橋全長約 1.772 千米，其中主橋長912 米，雙向六車道，設計速度 60km/h，采用雙塔雙索面混合梁斜拉橋型，同時搭載多回路高壓電纜、燃氣、通信和輸水等過江市政管道，主橋鋼箱梁跨度580 米，跨度居我國同類型多功能斜拉橋之最。

同時，紅蓮特大橋位于廣東南沙龍穴南水道，橋位周邊航道情況復雜，過往船舶具有較大不確定性。同時大橋涉水橋墩眾多，主通航孔及引橋橋墩較多，具有較大的船撞風險。本文通過對紅蓮特大橋橋墩碰撞概率，設防船撞力、橋梁抗撞性能研究，對大橋涉水橋墩開展撞損概率評估，提出設防橋墩范圍，并進行了防撞系統(tǒng)設計。

2 工程概況與設計條件

2.1 工程概況

紅蓮大橋位于廣州市南沙區(qū)自貿(mào)試驗區(qū)萬頃沙保稅港加工制造業(yè)區(qū)塊綜合開發(fā)項目位于南沙萬頃沙鎮(zhèn)與珠江街范圍內(nèi)。大橋采用直線跨過龍穴南水道，橋軸線方向與水流流向基本正交。橋梁通航孔設置單孔雙向通航，主橋跨徑組合為（104+580+104）m，通航孔承臺間的有效凈距為554m，滿足通航凈高為24m，有效通航凈寬為450m。大橋通航孔布置在航道深槽中，通航孔涵蓋了航槽線，通航孔左橋墩距上行船舶航跡線邊線約150m，通航孔右橋墩距下行船舶航跡線邊線約 220m。

圖1 紅蓮特大橋布置圖

2.2 設計條件

2.2.1 技術(shù)標準

道路等級：城市主干道

紅線寬度：60m(紅蓮路標準段)，主線雙向六車道

設計速度：主線60km/h，匝道40km/h 或50km/h橋梁設計基準期：100 年設計安全等級：一級

橋梁設計荷載：汽車荷載為城-A 級

抗震要求：抗震設防烈度為7 度，地震動峰值加速度為0.10g

設計洪水頻率：特大橋1/300

通航標準：I 級航道，通航3000t 海輪

設計基本風速：百年一遇V10=38.4m/s

2.2.2 設防代表船型

根據(jù)廣東省發(fā)展和改革委員會、廣東省交通廳《廣東省內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃（2010～2020 年）》，龍穴南水道規(guī)劃為內(nèi)河I 級航道，通航3000 噸級海輪。

表1 代表船型尺寸表

考慮航運發(fā)展及設防安全，大橋按照按3000 噸級海輪設防，按5000 噸級海輪校核。

2.2.3 通航水位

本工程所在河段為受潮汐影響明顯河段，海門站位于工程附近，可采用海門站設計潮位作為模型潮位邊界依據(jù)。根據(jù)《內(nèi)河通航標準》，感潮明顯河段應取年最高潮位頻率分析5%的水位，并采用耿貝爾I 型極值分布率方法計算所得的水位作為設計最高通航水位。大橋位于南沙站下游約 5.5km，南沙站的設計最高通航水位取為3.19m，設計最低通航水位為-0.75m（85 高程）。

表2 設計通航水位表

3 船舶撞擊風險分析

船撞橋事故的原因經(jīng)分析可歸結(jié)為三大類：第一類是人員失誤，如疏忽、操縱失誤、生病等；第二類是惡劣的自然環(huán)境，如惡劣天氣、洪水等；第三類是機械故障，如主機滅火、舵機失靈、船隊斷纜等。人員失誤是最主要的事故原因，其次是惡劣的自然環(huán)境，再次是機械故障，有資料表明：三種原因之比大約為25：4：1。

3.1 橋梁船撞概率模型

美國AASHTO 規(guī)范根據(jù)船舶相撞以及船舶擱淺事故的觀測與分析，提出了碰撞概率的基本方法和理論?？蓪ι嫠ê綐蚨盏呐鲎哺怕蔬M行評估，從而確定設防等級及必要性。大橋各橋墩年撞損頻率按以下公式計算：

其中：N--為可能撞損橋墩的分類船舶年通航量；

PA --船舶偏航概率；

PG --船舶與橋墩撞擊的幾何概率；

PC --橋墩倒塌概率。

參照美國指導規(guī)范，船舶偏航概率 PA 按以下公式取值：

3.2 涉水橋墩船舶碰撞概率

據(jù)調(diào)查，南沙龍穴南水道船舶通航密度較高，周邊碼頭眾多，船舶流量平均每天200 艘次，計算得到橋墩年碰撞概率如表3 所示。計算結(jié)果表明，紅蓮特大橋涉水橋墩眾多，碰撞概率分析，主通航孔及過渡墩均碰撞概率大于1×10-4，遠高于大橋設防要求。

表3 橋墩年碰撞概率

表4 碰撞數(shù)值仿真計算工況

4 設防船撞擊的計算

本文通過現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合航道、水文特點，合理確定大橋設防標準，采用瞬態(tài)動力學仿真分析，確定大橋設防船撞力及防撞標準

4.1 仿真計算條件

船撞橋過程復雜，涉及橋墩、船舶等多種材料的復雜動力學問題，本文采用LS-DYNA 軟件進行模擬仿真計算。

4.2 計算工況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，分別選取3000t 級、5000t 級海船作為船模，計算最高通航水位下，代表船型撞擊主通航孔橋墩（25#、26#）和輔助墩（24#、27#和28#）船舶撞擊情況的船撞力、船舶變形情況和墩身損傷情況。

4.3 計算結(jié)果

（1）主墩（3000DWT 船型）。計算結(jié)果如圖2 所示，滿載高水位正撞時，船艏首先與橋墩發(fā)生碰撞，在船舶的劇烈撞擊下，球鼻艏部位的外殼及內(nèi)部的肋板、撐桿等構(gòu)件發(fā)生屈曲失穩(wěn)，船舶撞擊力迅速達到峰值，最大撞擊力達16.5MN，撞擊時長2s。船艏局部發(fā)生損壞嚴重。

圖2 主墩正撞

圖3 船艏損傷情況

（2）主墩（5000DWT 船型）。計算結(jié)果如圖4 所示，5000DWT 海輪撞擊力大，最大撞擊力達27.2MN，較3000DWT 海輪顯著提升。同時，橋墩表面最大應力達到58MPa，墩身表面會出現(xiàn)明顯損壞。船艏局部發(fā)生大面積損壞，存在進水沉沒的風險，如圖5 所示。

圖4 主墩正撞

圖5 船艏損傷情況

（3）輔助墩（3000DWT船型）。計算結(jié)果如圖6所示，考慮船舶失控撞擊輔助墩情況下航速不高，因此計算航速取2.49m/s。計算表明，3000DWT 船舶低速撞擊輔助墩情況下，最大撞擊力達11.8MN，墩身表現(xiàn)出較大變形，同時船舶存在較大的損壞（如圖7 所示）。

圖6 輔助墩高水位正撞

圖7 船艏損傷情況

5 防船撞設施的設計

5.1 設計原則

為保證紅蓮特大橋在使用階段不被船舶撞損，需要對可能被撞的橋墩進行防撞設施設計，設計內(nèi)容及步驟如下：

（1）由于大跨度橋梁對結(jié)構(gòu)安全性的要求，防撞設施設計必須針對水域內(nèi)的所有涉水橋墩；

（2）應根據(jù)主墩、輔助墩橋墩各自特點、抗撞能力、被撞概率，綜合施策，制定相應的防撞方案；

（3）橋墩防撞系統(tǒng)的設計、施工、投入使用應該與全橋施工同時進行；

（4）防撞系統(tǒng)的設計應考慮施工便捷、管養(yǎng)方便、造價經(jīng)濟等要求

5.2 設計方案

針對紅蓮特大橋的具體特點與要求，在主墩25#、26#墩身周圍設置自浮式F-400 鋼覆復合材料防撞設施，輔助墩24#、27#、28#墩身周圍設置自浮式F-250 鋼覆復合材料防撞設施。通過在橋墩周圍設置自浮式鋼覆復合材料防撞設施，部分削減船舶撞擊力，保護橋梁結(jié)構(gòu)安全，滿足大橋橋墩的防撞要求。

防撞設施采用多級消能結(jié)構(gòu)，由內(nèi)阻尼元件、鋼結(jié)構(gòu)、外阻尼元件/彈性體/護舷等組成。阻尼元件采用橡膠護舷，與橋墩接觸部分設置摩擦板；鋼結(jié)構(gòu)由多個箱型板梁結(jié)構(gòu)的密封箱室、非密封箱室、桁架支承結(jié)構(gòu)組成，外部采用復合材料防護，內(nèi)部填充耗能芯材。彈性體/復合材料護舷設置在鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)，提升設施耗能能力。復合材料采用纖維增強材料和基體樹脂組成，摩擦板采用聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯或改性超高分子量聚乙烯材料，耗能芯材采用高分子緩沖吸能材料。

6 結(jié)論

本文以廣東南沙自貿(mào)試驗區(qū)紅蓮特大橋為研究對象，針對大橋橋墩數(shù)量眾多，航道情況復雜等特點，采用現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合概率模型分析的手段，對大橋涉水橋墩碰撞概率進行了分析，并通過對船撞力標準的研究，確定了大橋防撞設施的設計方案。

（1）通過碰撞概率模型分析表明，大橋的非通航橋墩數(shù)量眾多，存在較高船舶碰撞概率，需要考慮整體設防。

（2）根據(jù)通航孔橋墩、輔助通航孔橋墩的各自特點，根據(jù)被撞概率和設防要求的差異，采用了不同類型的自浮式鋼覆復合材料防撞設施，有效解決大橋船撞問題。