关于水上防撞限高架结构型式的探究

2019-03-12郑宏鸿

珠江水运 2019年3期

关键词：防撞

郑宏鸿

摘要：在珠三角地区，船舶大型化趋势明显，建设年代较早的桥梁通航净高较低，时常发生超高船舶撞击桥梁上部结构的事故。在桥梁工程防撞设计中，通常只考虑桥梁下部结构，少有对桥梁上部结构防撞的设计。本文结合实际工程案例，提出一种新型的防撞方式，即修建水上限高架，并对其进行探索研究，给出水上限高架结构型式的适用范围及应用情况，为类似工程提供经验及参考。

关键词：水上限高架超高船舶桥梁上部结构防撞

1.前言

近年来，随着水运行业大发展，整个珠三角地区水域船舶大型化趋势明显，航道升级发展迅速，而由于珠三角地区发展起步早，许多桥梁原有设计标准较低，通航净高不足，两者必然产生矛盾，体现为超高船舶撞击桥梁上部的事故多发。

目前，国内外学者对桥梁墩台等下部结构的防撞分析较多，对超高船舶撞击桥梁上部结构的研究较少。本文就超高船舶撞击桥梁上部结构的防撞措施展开研究。

经论证分析，通常防止超高船舶撞击桥梁上部结构有以下措施：

（1）委托相关主管部门对通航桥梁按规范设置航标，并委托专业单位对航标进行日常维护；

（2）安装超高预警装置，设置警示标志，监控船舶高度并警示船舶超高；

（3）设置电子标高水尺，通过电子屏实时显示水位高度；

（4）加强航道情况宣传，加强海事监督巡逻，避免不明航道情况的船舶通过桥梁。

以上措施为“软措施”，主要起到预警作用，不能完全杜绝事故发生。在实际情况中，珠三角地区部分船舶对航道实时桥梁通航净高判断失误，忽视警示信息，未按规定行驶，抱着侥幸心理，强行通过桥梁，造成撞击桥梁事故。

水上防撞限高架——这新型的桥梁防撞形式，作为“硬措施”被提出。防撞原理是将限高架设置于桥梁上、下游侧合適的位置，其通航净高在满足航道规定通航尺度的条件下，略低于桥梁通航净高。超高船舶通过桥梁前，先与限高架刮擦或碰撞，在合理的保证率下被拦截下来，可有效避免与桥梁结构发生接触。

限高架进行防护的措施是在设置航标、通航警示、加强监督管理等有效措施之外的最可靠的措施，能有效警示和拦截的超高船舶。

2.水上限高架结构型式

不同于行驶于道路的汽车，航行在水上的船舶制动性较差，启动、转向、停船机动性远不如汽车。考虑到船舶制动性差的特点，根据船舶撞击水上限高架后是否立即停止的情况，水上限高架可分为刚性结构、柔性结构两种结构型式。

（1）刚性结构。刚性结构的特点是船舶撞到刚性限高架后，基本不再向前行驶，属于硬碰硬的拦截形式。

刚性结构需要高强度的基础和上部结构，以承受船舶产生的撞击力。

（2）柔性结构。柔性结构的特点是船舶撞到柔性限高架后，允许发生较长距离的缓冲，在碰撞到桥梁之前停下来。

柔性结构需要变形性、延展性、吸能性良好的上部结构。

根据两种结构型式的特点，在实际项目中，分别对上部结构为“钢桁架结构”和“固定拉索结构”的两种水上限高架进行探究。

3.工程概况

工程项目地处东莞西北部，位于广深高速麻涌至望牛墩之间路段，桥梁横跨倒运海水道，在倒运海水道狮子洋——斗朗段中上游，其所在航道的规划等级为Ⅳ级，规划通航船舶为500t级。

大桥平均每天船舶通过量约为30～50艘。通航船舶有散货船、干货船、平板船、自卸砂船、集装箱船、打捞船等，以散货船和干货船为主。

倒运海水道天然水深条件良好，地理位置优越，实际航行于倒运海水道的船舶大部分超过500t级。桥区船型艘次小船居多，实际2000吨级以下船舶占桥区船型总艘次达95%以上。根据船讯网统计数据，2000吨以下的船舶过桥艘次占到约96.3%。因此，提出在95%保证率下防撞设计的代表船型为2000吨级船舶。

工程所属航道的船舶航速无相关明文规定，根据河道内桥区船舶实际航速的监测，一般船舶航速在4节到10节之间，大部分船舶为4节～6节。参考其它水域航速有关规定，“除高速客船外，船舶航经渡口水域时航速不得超过7节，其它水域航速不得超过12节。”推出防撞工程设计代表船速3.5m/s。

4.水上限高架结构分析

4.1水上限高架的结构型式

桥梁为双孔单向通航，跨度72.5m。

（1）钢桁架结构型式。限高主体结构采用钢桁架结构，2跨连续，总长145m，桁架高2m，宽5.2m。

在钢桁架迎撞面设置向外突出的结构，由加厚钢板组成，断面为“]”形。外突出的“]”形结构正面设置一层竖向的加厚钢板，顶部设置一层水平的加厚钢板。

钢桁架底面存在被船舶上部构件撞击的可能，因此，钢桁架底面设置一层钢板。钢桁架制作加工设置预拱度。

钢桁架底面与承台之设置橡胶支座。支座位于钢桁架节点处，采用GJZF4 橡胶支座。钢桁架侧面与前后侧墙之间填充缓冲材料。

迎撞面的钢板前设置柔性防撞设施，以降低船舶撞击力，见图1、图2。

（2）拉索结构型式。拉索结构型式采用柔性结构，型式新颖，在拉索端部的处理上，具有一定的灵活性，分为传统的锚固式和考虑兼顾智能化收放索配套系统两种型式。本文仅考虑锚固式。

索端锚固型式，拉索两端采用锚固的方法，固定于左、右两端承台。

限高主体结构采用拉索缓冲方案，采用吊索将下方主拉索悬挂于上方拉索上，下方主拉索与上方拉索均通过钢索塔定位，索端锚碇于混凝土承台内，拉索合力对船舶做负功抵抗消耗超高船舶的运动能量。

钢索塔高14.6m，横向宽度为6m，厚度1.5m，钢索塔中心距为135.5m。吊索间距为5m，见图3。

4.2水上限高架的结构计算

船舶撞击力根据美国《公路桥梁设计规范》（AASHTO）、ANSYS数值模拟计算，综合考虑2000t级船舶在3.5m/s的速度下，撞击限高架上部结构撞击力取为3800kN。

（1）钢桁架结构型式。采用A n s y s进行计算，梁单元采用的是B e a m 1 8 8，板单元采用的是shell181。中间墩台处的钢结构所有节点只约束竖直方向自由度；左侧墩台处钢桁架的所有节点，约束高度方向自由度，并且钢桁架最后面支座的节点，约束行船方向和钢桁架跨度方向自由度；右侧墩台钢桁架的所有节点，约束竖直方向自由度，释放行船方向自由度，见表1。

通过ANSYS进行结构计算分析，得出各结构的内力，如表2、表3、表4所示。

通过ANSYS进行结构计算分析，得出以下结论：

①从工况3和13可以看出，作用于迎撞面钢板的撞击力对上弦杆产生有利扭矩，撞击位置越靠下，有利扭矩越小；

②限高架迎撞面设置柔性防撞护舷能够有效降低结构内力；

③撞击方向位移最大位移为0.12m，竖直方向最大位移0.15m；

④结构冯米塞斯等效应力最大值为233MPa，满足规范要求，见图4、图5。

（2）拉索结构型式。本结构分别采用link10和link180进行拉索的计算分析，得出的结果相近，本报告仅列出link180模型拉索的计算说明。

拉索结构方案，拉索跨度取67.5m，采用ANSYS有限元建模计算，拉索采用Link180进行模拟。索单元 LINK180设置只能承受拉力不能承受压力，并且施加初始应力。

拉索面积为0.01365m2，索套管外径 280mm，初始應力为0.0001kPa。

拉索两端施加全固结约束，上下两根拉索通过钢索塔的位置施加铅锤向和横向线约束，模拟拉索可伸缩的性质，见图6。

作用荷载为拉索自重和船舶撞击力。撞击力3800kN作用于跨中位置。荷载组合系数1.0×重力+撞击力荷载组合系数1.0×撞击力。

通过ANSYS进行结构计算分析，得出一下结论：

①拉索最大位移发生在撞击力作用位置，为2.2m；

②上拉索轴力最大值为2980kN；吊索轴力最大值为191kN，位于撞击点处吊索；下方主拉索最大轴力为12193kN；

根据能量转化，不考虑拉索自身伸长变形吸能，船舶需要缓冲距离约7m，拉索对船舶做功可以满足吸收全部船舶动能，但由以上计算可知拉索发生2.2m时，其对船舶反力已达到3800kN，因此，缓冲距离继续增大时，拉索在此前或者上扬失效亦或者船舶上部结构发生破坏，拉索将可能不会进一步增大变形，船舶只能起到一定的缓冲减速效果，见图7-图11。

4.3 结构型式比选

水上限高架上部结构的优缺点从防撞效果、经济、技术的角度进行对比，见表5、表6。

结合该项目的实际需求，确保水上限高架有效拦截超高船舶，最终采用工期较短、效果显著的钢桁架结构型式。

4.4 水上限高架各型式的适用范围

根据水上限高架上部结构不同型式的特点，归纳总结各自的使用范围。

钢桁架型式主要优点是拦截效果显著，施工进度快，工期短，桩基础侧向受力小，造价较低，缺点是上部结构较为笨重，需要大型设备进行吊装，适用于跨度较小，船舶缓冲距离短的情况。

拉索型式主要优点是上部结构轻便，安装简单，具有较大的缓冲距离，缺点是拉索拦截效果差，桩基础侧向受力大，需设置大桩径的基础，施工进度慢，工期较长，适用于跨度较大，有较长直线缓冲距离，工期要求不高的情况。