北江航道白土大桥防撞设计

2016-04-20孙旋饶西平

公路与汽运 2016年2期

关键词：航道整治方案比选桥梁

孙旋,饶西平

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430060)

北江航道白土大桥防撞设计

孙旋,饶西平

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430060)

摘要:针对北江韶关至乌石航道整治工程中白土大桥的防撞,通过从防撞效果、对航道净宽的影响、撞击船舶损伤度、船舶撞击对桥梁的损伤、日常维护费用、撞损后修复难度、消能缓冲效果、对船舶的保护能力、水文适应性、施工难度和工程造价等方面对各防撞方案的比较确定设计方案,为类似航道整治工程上桥梁防撞设计提供参考。

关键词:桥梁;航道整治;防撞设计;方案比选

1 工程概况

北江韶关至乌石航道全长约41 km,现状航道等级为Ⅴ级。航道整治范围为白土大桥至乌石,整治里程为34.5 km,整治后航道按内河Ⅲ级、通航1 000 t船舶标准建设,通航保证率98%,设计航道尺寸为(25×60×330)m。由于白土大桥按Ⅴ级航道标准设计,设计标准较低,通航净宽富余较小,存在被船舶撞击的风险,且桥梁结构自身抗撞能力薄弱,需对其增设防撞设施。白土大桥桥位见图1。

图1 白土大桥平面位置示意图

2 桥梁通航现状

2.1 白土大桥现状

白土大桥建于1988年,跨航道处采用空腹式梁拱组合结构,双孔通航,单个通航孔净宽45.6 m,净高7.04 m。白土大桥现状见图2。

2.2 净空尺寸分析

白土大桥通航孔实测轮廓见图3,正常蓄水位下的净高情况如下:常水位45.82 m,常水位下净高12.31 m,满足船行净高要求。其通航保证率见表1,净高及通航保证率均满足Ⅲ级航道要求。

图2 现状白土大桥

图3 白土大桥实测轮廓线(单位:m)

表1 白土大桥2009—2012年通航保证率情况

3 桥梁防撞方案比选

3.1 防船舶撞击设施设计原则

由于白土大桥建成时间早,设计标准低,通航净空尺寸偏小,存在被船舶撞击的风险,且结构自身较薄弱,不能承受船舶的直接撞击。基于该桥以上特点,防撞设施设计中充分考虑以下因素:

(1)防撞设施应能很好地保护桥墩,同时尽量减小船舶的损伤。对碰撞的船舶能量进行消能缓冲,使船舶不能直接撞击桥墩或将船舶碰撞力控制在安全范围内。

(2)防撞设施占用空间小,尽量不占用航道通航宽度。

(3)防撞设施制造、安装、维修方便,工程经济性好,经久耐用,功能可靠。在一定条件下,允许防撞设施受破坏,但应考虑破坏后的迅速修复。

(4)防撞设施尽量不改变桥梁原有风格,能与周围景观相协调。

3.2 防撞设施设计方案

3.2.1 防撞设施类型

桥梁防撞设施一般分为主动防撞设施和被动防撞设施。主动防撞设施包括航标、桥涵标及相关警示标志、导航系统、预警系统等,通过这些设施引导船舶沿正确航道行驶;被动防撞设施通常采用桥梁自身抗撞、橡胶防撞护弦、附着式防撞设施、独立防撞设施等方式。

主动防撞设施能减少船舶撞击桥梁的几率,但不能完全避免船舶撞击桥梁,在发生船舶撞击桥梁事故时需采用可靠手段保证桥梁的安全,故该桥采用主动防撞与被动防撞设施相结合的防撞方案。

3.2.2 被动式防撞方案选择

目前常用的桥梁被动防撞方式主要有通过结构自身抗撞、橡胶防撞护弦、桥梁附着式防撞设施、独立防撞设施等。由于该桥结构本身不满足防撞要求,只对存在可实施性的橡胶防撞护弦、桥梁外包防撞设施、独立防撞墩3种方案进行比选。被动式防撞方案比较见表2。

表2 被动式防撞方案比较

经综合比较,该桥被动式防撞方案采用独立防撞设施方案。

3.2.3 防撞设计方案比选

按所用材料的不同,独立防撞设施主要分为钢筋砼结构、钢结构、柔性复合材料三类。3种材料防撞设施比较见表3。

表3 防撞设计方案比较

经综合比较,该桥采用浮式柔性钢复合材料防撞设施。

4 白土大桥防撞设计

4.1 总体布置

白土大桥位于航道K16+520 m处,跨航道处采用空腹式梁拱组合结构,双孔通航,单个通航孔净宽45.6 m。航道两侧桥墩为5#、6#、7#桥墩,均为砼实体式桥墩,存在被船舶撞击的风险,需要在3个桥墩处设置防撞设施。

4.2 比选方案一

在桥梁通航孔两侧的5#、6#、7#桥墩处设置群桩-圆端型、矩形截面组合浮式柔性复合材料防撞设施,以防止船舶正面、侧面撞击桥梁。防撞设施将桥墩全部包裹,并与桥墩之间留有间隙,保证船舶撞击时防撞设施不接触到桥梁。桥梁防撞设施总体布置见图4(a),防撞设施构造见图5。

4.3 比选方案二

在桥梁5#桥墩下游、6#桥墩上下游、7#桥墩上游处设置群桩-圆端型浮式柔性防撞设施,防止船舶正面撞击桥梁,并在5#、6#、7#桥墩外侧设置附着式柔性防撞设施,防止船舶侧面撞击桥梁。防撞设施总体布置见图4(b),防撞设施构造见图6。

4.4 防撞原理

2种方案每个防撞设施主体结构由钢套箱、复合高分子材料、阻尼元件组成,钢套箱由多个钢板结构的密封舱室、桁架支撑结构组成。钢套箱外表面设置有200 mm厚复合高分子材料、300 mm厚阻尼元件,并焊接形成一个整体。

图4 白土大桥防撞设施总体布置(方案一,单位:cm)

图5 白土大桥防撞设施构造(方案一,单位:cm)

图6 白土大桥防撞设施构造(方案二,单位:cm)

当船舶撞击防撞设施时,阻尼元件、复合高分子材料首先吸收部分碰撞能量,并且延长了接触时间,使撞击力峰值得以降低,同时由于材料变形、船舶与防撞结构相互作用及拨动船头方向的作用,减少了船舶与结构间的能量交换。当碰撞过程继续进行时,高分子复合材料-钢套箱结构进一步变形、吸能,再次改变船头航向,降低船舶撞击力。通过防撞设施改变船舶航行方向、延长接触时间、结构变形等作用,大大降低碰撞能量,并吸收大部分碰撞能量,仅有少量碰撞能量传递到桩基础上,同时最大限度地降低船舶的损伤,保护船舶的安全。

4.5 方案比选

方案一群桩-浮式柔性防撞设施与方案二群桩-圆端型浮式柔性防撞设施+附着式柔性防撞设施组合方案的比较见表4。