广州市南沙自贸试验区红莲特大桥防撞系统设计

2023-06-06聂利芳

中国水运 2023年5期

聂利芳，沈燕

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；2.江苏宏远科技工程有限公司，江苏常州 212013）

1 研究背景

近年来，广东省内河航运发展迅猛，但随之而来的是船－桥矛盾日益严峻，恶性船撞事故屡见不鲜。2017年4 月1 日，位于广东珠海市斗门区的莲溪大桥被一艘装有约一千吨货物的货船撞击，移位1.6 米，造成交通中断长达数月之久。2021 年7 月13 日，一艘船号为“新谷333”的中型集装箱货轮在途经广州北斗大桥南引桥过渡墩时，碰撞到南引桥过渡墩，造成桥墩剪切破坏。

红莲特大桥位于广州市南沙自贸区，主线桥全长约 1.772 千米，其中主桥长912 米，双向六车道，设计速度 60km/h，采用双塔双索面混合梁斜拉桥型，同时搭载多回路高压电缆、燃气、通信和输水等过江市政管道，主桥钢箱梁跨度580 米，跨度居我国同类型多功能斜拉桥之最。

同时，红莲特大桥位于广东南沙龙穴南水道，桥位周边航道情况复杂，过往船舶具有较大不确定性。同时大桥涉水桥墩众多，主通航孔及引桥桥墩较多，具有较大的船撞风险。本文通过对红莲特大桥桥墩碰撞概率，设防船撞力、桥梁抗撞性能研究，对大桥涉水桥墩开展撞损概率评估，提出设防桥墩范围，并进行了防撞系统设计。

2 工程概况与设计条件

2.1 工程概况

红莲大桥位于广州市南沙区自贸试验区万顷沙保税港加工制造业区块综合开发项目位于南沙万顷沙镇与珠江街范围内。大桥采用直线跨过龙穴南水道，桥轴线方向与水流流向基本正交。桥梁通航孔设置单孔双向通航，主桥跨径组合为（104+580+104）m，通航孔承台间的有效净距为554m，满足通航净高为24m，有效通航净宽为450m。大桥通航孔布置在航道深槽中，通航孔涵盖了航槽线，通航孔左桥墩距上行船舶航迹线边线约150m，通航孔右桥墩距下行船舶航迹线边线约 220m。

图1 红莲特大桥布置图

2.2 设计条件

2.2.1 技术标准

道路等级：城市主干道

红线宽度：60m(红莲路标准段)，主线双向六车道

设计速度：主线60km/h，匝道40km/h 或50km/h桥梁设计基准期：100 年设计安全等级：一级

桥梁设计荷载：汽车荷载为城-A 级

抗震要求：抗震设防烈度为7 度，地震动峰值加速度为0.10g

设计洪水频率：特大桥1/300

通航标准：I 级航道，通航3000t 海轮

设计基本风速：百年一遇V10=38.4m/s

2.2.2 设防代表船型

根据广东省发展和改革委员会、广东省交通厅《广东省内河航运发展规划（2010～2020 年）》，龙穴南水道规划为内河I 级航道，通航3000 吨级海轮。

表1 代表船型尺寸表

考虑航运发展及设防安全，大桥按照按3000 吨级海轮设防，按5000 吨级海轮校核。

2.2.3 通航水位

本工程所在河段为受潮汐影响明显河段，海门站位于工程附近，可采用海门站设计潮位作为模型潮位边界依据。根据《内河通航标准》，感潮明显河段应取年最高潮位频率分析5%的水位，并采用耿贝尔I 型极值分布率方法计算所得的水位作为设计最高通航水位。大桥位于南沙站下游约 5.5km，南沙站的设计最高通航水位取为3.19m，设计最低通航水位为-0.75m（85 高程）。

表2 设计通航水位表

3 船舶撞击风险分析

船撞桥事故的原因经分析可归结为三大类：第一类是人员失误，如疏忽、操纵失误、生病等；第二类是恶劣的自然环境，如恶劣天气、洪水等；第三类是机械故障，如主机灭火、舵机失灵、船队断缆等。人员失误是最主要的事故原因，其次是恶劣的自然环境，再次是机械故障，有资料表明：三种原因之比大约为25：4：1。

3.1 桥梁船撞概率模型

美国AASHTO 规范根据船舶相撞以及船舶搁浅事故的观测与分析，提出了碰撞概率的基本方法和理论。可对涉水通航桥墩的碰撞概率进行评估，从而确定设防等级及必要性。大桥各桥墩年撞损频率按以下公式计算：

其中：N--为可能撞损桥墩的分类船舶年通航量；

PA --船舶偏航概率；

PG --船舶与桥墩撞击的几何概率；

PC --桥墩倒塌概率。

参照美国指导规范，船舶偏航概率 PA 按以下公式取值：

3.2 涉水桥墩船舶碰撞概率

据调查，南沙龙穴南水道船舶通航密度较高，周边码头众多，船舶流量平均每天200 艘次，计算得到桥墩年碰撞概率如表3 所示。计算结果表明，红莲特大桥涉水桥墩众多，碰撞概率分析，主通航孔及过渡墩均碰撞概率大于1×10-4，远高于大桥设防要求。

表3 桥墩年碰撞概率

表4 碰撞数值仿真计算工况

4 设防船撞击的计算

本文通过现场调研结合航道、水文特点，合理确定大桥设防标准，采用瞬态动力学仿真分析，确定大桥设防船撞力及防撞标准

4.1 仿真计算条件

船撞桥过程复杂，涉及桥墩、船舶等多种材料的复杂动力学问题，本文采用LS-DYNA 软件进行模拟仿真计算。

4.2 计算工况

根据现场调研情况，分别选取3000t 级、5000t 级海船作为船模，计算最高通航水位下，代表船型撞击主通航孔桥墩（25#、26#）和辅助墩（24#、27#和28#）船舶撞击情况的船撞力、船舶变形情况和墩身损伤情况。

4.3 计算结果

（1）主墩（3000DWT 船型）。计算结果如图2 所示，满载高水位正撞时，船艏首先与桥墩发生碰撞，在船舶的剧烈撞击下，球鼻艏部位的外壳及内部的肋板、撑杆等构件发生屈曲失稳，船舶撞击力迅速达到峰值，最大撞击力达16.5MN，撞击时长2s。船艏局部发生损坏严重。

图2 主墩正撞

图3 船艏损伤情况

（2）主墩（5000DWT 船型）。计算结果如图4 所示，5000DWT 海轮撞击力大，最大撞击力达27.2MN，较3000DWT 海轮显著提升。同时，桥墩表面最大应力达到58MPa，墩身表面会出现明显损坏。船艏局部发生大面积损坏，存在进水沉没的风险，如图5 所示。

图4 主墩正撞

图5 船艏损伤情况

（3）辅助墩（3000DWT船型）。计算结果如图6所示，考虑船舶失控撞击辅助墩情况下航速不高，因此计算航速取2.49m/s。计算表明，3000DWT 船舶低速撞击辅助墩情况下，最大撞击力达11.8MN，墩身表现出较大变形，同时船舶存在较大的损坏（如图7 所示）。

图6 辅助墩高水位正撞

图7 船艏损伤情况

5 防船撞设施的设计

5.1 设计原则

为保证红莲特大桥在使用阶段不被船舶撞损，需要对可能被撞的桥墩进行防撞设施设计，设计内容及步骤如下：

（1）由于大跨度桥梁对结构安全性的要求，防撞设施设计必须针对水域内的所有涉水桥墩；

（2）应根据主墩、辅助墩桥墩各自特点、抗撞能力、被撞概率，综合施策，制定相应的防撞方案；

（3）桥墩防撞系统的设计、施工、投入使用应该与全桥施工同时进行；

（4）防撞系统的设计应考虑施工便捷、管养方便、造价经济等要求

5.2 设计方案

针对红莲特大桥的具体特点与要求，在主墩25#、26#墩身周围设置自浮式F-400 钢覆复合材料防撞设施，辅助墩24#、27#、28#墩身周围设置自浮式F-250 钢覆复合材料防撞设施。通过在桥墩周围设置自浮式钢覆复合材料防撞设施，部分削减船舶撞击力，保护桥梁结构安全，满足大桥桥墩的防撞要求。

防撞设施采用多级消能结构，由内阻尼元件、钢结构、外阻尼元件/弹性体/护舷等组成。阻尼元件采用橡胶护舷，与桥墩接触部分设置摩擦板；钢结构由多个箱型板梁结构的密封箱室、非密封箱室、桁架支承结构组成，外部采用复合材料防护，内部填充耗能芯材。弹性体/复合材料护舷设置在钢结构外侧，提升设施耗能能力。复合材料采用纤维增强材料和基体树脂组成，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缓冲吸能材料。