第７期 北 方 交 通 ・３３・ 浅谈内河通航桥梁桥墩防撞设计 秦进 ，魏东海 （１．江苏省南通市通州区水利局，南通２２６３００；２．江苏省交通规划设计院南通分院，南通２２６００１） 摘要：为有效保障船舶和桥梁设施安全，需要对桥梁通航孔桥墩实施安全保障工程，结合工程实例，详细介 绍了内河通航桥梁桥墩的防撞设计。 关键词：内河通航桥梁；防撞设施；设计撞击速度；船舶撞击作用标准值 中图分类号：Ｕ４４３．２６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—６０５２（２０１１）０７—００３３—０４ １ 前言 （或船队）组成一个运动系统，巨大的船舶动能在极 一般而言，中小桥梁的桥墩横向抗撞击力标准 短暂的时间过程中发生转化，各个组成单元的运动 一般都较低甚至很低，当桥梁不设防撞设施时，船舶 状态发生强烈的改变，要使全部组成单元保持完好 与桥墩发生碰撞，由于二者的刚度均较大，变形量较 无损是困难的，在经济上也是不合理的。由于桥、船 小，不能有效消耗撞击动能，桥墩一般都难以抵抗船 和防撞设施都是造价昂贵的工程建筑物。大桥的破 舶的撞击而造成船毁桥塌事件。所以，桥梁的抗冲击 坏后果最为严重，确保桥梁安全是防撞设施设计的 能力一般需要由防撞保护系统提供，以缓冲船舶的撞 首要目的，为了保证大桥的安全，即使防撞设施和船 击力，使桥梁和船舶的损伤程度尽可能减小，目前我 舶损坏，也是合理的、必要的。所以，对于设计防撞 国的规范尚没有桥梁防撞设施设计的明确条文。 设施的目的和要求要按照下列原则处理： ２桥梁防撞设计的目的及原则 （１）桥墩的自身抗撞能力较差，防撞设施不宜 设置桥梁防撞的目的是防止桥梁因船舶撞击力 与桥墩直接连接；防撞设施要能全部或大部消耗碰 超过桥墩的设计承受能力，保护桥梁结构安全。工 撞船舶的能量。 程上通过采用不同型式的防撞设施，可以阻止船舶 （２）桥墩基础较弱，防撞设施设置尽量少扰动 撞击力传到桥墩（或桥梁），或者通过缓冲消能防撞 原桥基础。 设施，延长船舶的撞击时间，减小船舶撞击力，从而 （３）防撞设施的构造形式和几何形状须使碰撞 最终保护桥梁安全。 船只损伤最小，以免造成船舶受损后污染环境。船 防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能 舶是碰撞事故的责任方，但船舶的沉没也是极大的 力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化 经济损失，而且影响航道畅通，应予避免。所以，对 情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行。防撞 船舶的保护在防撞设施的设计中也应给予必要的适 设施一般应满足如下要求： 度考虑，应避免沉船事故。 （１）对船舶的碰撞能量进行消能缓冲，使船舶 （４）防撞设施不能影响航道通航，占用航道范 不能直接撞击桥墩，或使船舶碰撞力控制在安全范 围应尽量少，以免造成航道堵塞。 围内。 （５）在一定条件下，防撞设施的损坏是允许的， （２）防撞设施不能影响航道的通航，占用航道 但应易于修复，以使大桥不失受保护状态。 范围尽量少。 （６）若桥墩承台具有一定的抗撞能力，可考虑 （３）通过合理的结构形式、各种缓冲材料的布 其承受小部分船舶撞击力，以使防撞设施的设计更 置，尽量减小通航船舶的损伤。 加经济合理。 （４）防撞设施制造、安装、维护和修理经济性较 （７）防撞设施要与使用环境相协调，并应基本 好。 不影响桥梁原有风貌。 （５）防撞设施具有很好的可靠性和安全性。 ３ 计算参数和模型 在碰撞过程中，大桥（主墩）的防撞设施和船舶 桥梁尤其是大型桥梁的防碰撞一直是桥梁工程 ・３４・ 北 方 交 通 ２０ｌｌ 界关注的问题。当前国内外已有多种桥墩防撞设 施，大部分是利用结构的弹塑性变形，消耗船舶碰撞 能量和延长碰撞作用时间，以期大幅降低船舶碰撞 作用力。 ３．１ 计算参数 ３．１．１ 设计碰撞速度 船舶碰撞桥墩的原因，主要按二种方式考虑，一 图２侧撞示意图 即船侧撞上桥墩。此时船不能维持轴向前进。由于 此时船的横向速度比前进的速度小得多，算出的撞 种是航行中由于误操作或气候恶劣等原因碰撞桥 墩，另一种是船舶在桥梁上游完全失控，漂流而下撞 击桥墩，因此应分别进行计算。 （１）船舶航行时碰撞桥墩 根据国外公路桥梁设计规范的规定，设计撞击 速度取值如下：航道边缘处取通航速度，距航道 边缘３倍船长处取年平均水流速度，二者之间按直 线过渡。 （２）船舶漂流撞击桥墩 运河正常情况下水流流速为０．８ｍ／ｓ，这种情况 下的速度较前一种情况小，所以，取设计船舶碰撞速 度为３ｍ／ｓ。 ３．１．２设计碰撞角度 根据陈国虞先生在《船撞桥及其防御》中对船 撞桥墩情况的论述，分析运河船撞桥墩的各种可能 情况： 第一种情况：是一种极端情况，即船正对桥墩开 过来，相撞后顶住不动，船与墩交换全部动能（船舶 具有的最大动能值）。若防撞设施迎水面设计为椭 圆型，两者相遇瞬间即滑开。运河运输船舶（队）船 首形状较多为方首形，所以此种状态是防撞设计时 考虑的主要工况。 十……………一ｔ撞－击・船一一一一一洄・・ 图ｌ 正撞示意图 第二情况：直航前进的船大都是船头部位碰撞 桥墩＜一定夹角），其分速度夹角为 。 决定于船 的Ｂ／Ｌ，通常速度较高的船设计成Ｂ／Ｌ≤１／２，这时 夹角为８．１。；速度较慢的船、货驳等，设计成Ｂ／Ｌ— Ｗ５，这时夹角为１１．３。；拖船、渡船设计成Ｂ／Ｌ一 １／４，这时夹角为ｌ４。。横向分速度分别为原向航速的 １ ０．１４、０．２０和０．２５倍，其能量÷Ｍｖ 分别为原能量的 二 ０．０２、０．０４和０．０６倍。设计防撞墩时要考虑船舶 （队）横向速度可能造成防撞墩的倾覆。见图２。 第三种情况：船除前进速度外，还有横漂和转 弯，所以碰到了平行中段，有点像船靠码头的情况， 击能比直航速度所代表的撞击能小得多。 图３船中侧撞不葸图 第四种情况：也是一种极端情况，横漂的船正好 顶在船的重心上（如果不是顶在重心，则船的惯性 力会使船转动，变为第三种情况），这时的碰撞能是 以全部横漂速度ｖ 计算。由于水流合力与船的重 心不重合，船头始终会旋转，实现“船到桥头自然 直”，变为顺流而下，且运河航道较窄，所以此种状 态的几率极小，置于保证率之外。 图４横撞示意图 ３．１．３防撞设施的一般布局（图５） 图５ 防撞设施的一般布局 ３．２ 内河上船舶撞击作用标准值 在《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧＤ６０－－２００４） 中，将船舶撞击当作一种偶然荷载。当缺乏实际 调查资料时，依据《内河通航标准》（ＧＢ５０１３９— ２００４），内河上船舶撞击作用标准值可按表１采 用。 模拟计算工况采用相应等级航道横桥向撞击作 用力，正向撞击桥墩，如图ｌ所示。此时的撞击力最 大，为最不利工况。对桥梁防撞墩进行计算，确认符 合经济性、适用性、可操作性等方面可行的方案。 第７期 秦进等：浅谈内河通航桥梁桥墩防撞设计 ４ 南通某桥梁桥墩防撞设计实例 ・３５・ 表１ 内河船舶撞击作用标准值 南通某大桥位于遥望港河上，此处航道等级为 六级。主桥采用跨径（４３．５＋７０＋４３．５）ｍ预应力 混凝土变截面连续箱梁结构，桥型布置如图６所示。 主桥下部结构采用钢筋混凝土矩形实体式桥 墩、钻孔灌注桩基础，过渡墩采用钢筋混凝土桩柱式 桥墩、钻孔灌注桩基础。 采用的防撞设施如图７～图８： 图６ ＸＸ大桥桥型布置图（单位：ｅｍ） —２００７）； （９）应遵守的现行国家及行业其他有关法规、 标准、规程和规范。 ４．２ 计算结果及主要结论 ４．２．１ 计算结果 地基土比例系数由上层向下分别为１００００ 航 道 ｋＮ／ｍ 、１５０００ｋＮ／ｍ ，土的内摩檫角为２５。，河底冲 设 ‘ … 刷线标高为０．７ｍ。桩基采用“ｍ”法、承台下的桩采 由 用群桩计算。 心 线 在墩两侧设置的防撞墩仅是辅助防撞墩，即桥 墩能抗船撞力，防撞墩是额外的富裕，主要是可减少 对主墩的修复。一般等级航道防撞墩都是辅助的， 船撞力采用规范值，对桥墩进行验算，防撞墩主要是 防止船舶直接横桥向撞桥墩。 桥梁本身能抗船撞，辅助防撞墩可设也可不设。 辅助防撞墩仅起挡船撞击作用，有一定的抗船撞能 图７ 防撞设施平面布置图（单位：ｃｍ） 力，根据不同地质条件抗撞能力不同，桩长一般穿过 ４．１ 计算依据 软土层，并不少于２０ｍ即可。桥墩计算时一般对船 （１）大桥施工图设计，ＸＸ规划设计研究院， 撞力（偶然作用）组合进行验算，是把船撞击力作为 ２００９年ｌ２月； 水平力以及在冲刷线处产生的弯矩，主要计算结果 （２）《内河通航标准》（ＧＢ５０１３９—２００４）； 体现在桩体内部的上部配筋。几年来，通过多次试 （３）《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧ Ｄ６０— 验和对比分析，在国际上首次提出了柔性吸能防撞 ２００４）； 设施方案，创立了“大撞不倒、中撞可修、小撞不坏” （４）《公路工程技术标准》（ＪＴＧ Ｂ０１—２００３）； 的桥梁三级防撞理论。本桥防撞墩的计算控制采用 （５）《内河助航标志》（ＧＢ５８６４—９３）； “中撞可修”原则，桩顶或承台顶位移６ｃｍ以内（参 （６）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 照ＩＳＢＮ７—１ｌ４＿＿ｏ０８５０—３杨渡军《桥梁的防撞保 计规范》（ＪＴＧ Ｄ６２—２００４）； 护系统及其设计》）确定，桩能充分地履行其防护桥 （７）《内河交通安全标志》（ＧＢ１３８５１—９２）； 梁的任务。 （８）《公路桥涵地基与基础设计规范》（ＪＴＧ Ｄ６３ ・３６・ 北 方 交 通 ２０ｌ１ — ¨。。至 顶面 ———■一１：ｌＯＯ 位 图８ 防撞设施结构轮廓图（单位：ｃｍ） ４．２。２主要结论 通航水位在常水位、最高通航水位、最低通航水位等 三桩式防撞设施具有造价不高、施工不太复杂、 数据中，采用哪种水位数据较合适，需要综合统计分 维护工程量较小、对航道无影响以及对水深无要求 析确定。 等优点，因此比较适宜在航道通航及水深较深的桥 （２）船舶撞击防撞设施，设施位移为多少较为 墩处设置。鉴于船桥碰撞问题十分复杂，准确计算 合适？也可以反推船舶缓冲变形多少为合适？ 实际上是难以实现的，且当前国内外缺乏成熟的有 （３）因为桩基垂直力较小，防撞设施桩基长度 关船撞防撞设施的计算方法。它是解决内河桥梁桥 的确定多少较为合适？桩基部分钢筋配置按照最小 墩防撞问题的最有效的途径之一，值得推广应用。 配筋率是否合适？ ５需要进一步讨论的问题 （４）船舶撞击力按照撞击作用标准值取，还是 （１）经过国内外船舶撞桥的事故统计，船舶撞 垂嘲 按照动量公式Ｆ＝ＭＶ／Ｔ计算？ 桥的撞击作用点基本在通航水位线以上２ｍ左右。 （５）建议按需设置通航辅助标志。 Ｂｒｉｅｆ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ａｎｔｉ——ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｉｅｒｓ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｂｌｅ Ｂｒｉｄｇｅｓ ｉｎ Ｉｎｌａｎｄ Ｒｉｖｅｒｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｓｈｉｐｓ ａｎｄ ｂｒｉｄｇｅ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｓａｆｅｇｕａｒｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｐｉｅｒｓ ｏｆ ｎａｖｉｇａｂｌｅ ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒ￣ｅｃｔｓ ｃａｓｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｕｔｓｉｄｅ ｔｈｅ ｐｉｅｒｓ ｏｆ ｎａｖｉｇａｂｌｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ｉｎ ｉｎｌａｎｄ ｒｉｖｅｒｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｎａｖｉｇａｂｌｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ｏｆ ｉｎｌａｎｄ ｒｉｖｅｒｓ；Ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ；Ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓｐｅｅｄ；Ｓｔａｎｄａｒｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｓｈｉｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ
