红海大桥船舶撞击力选用

廖智明

(泛华建设集团有限公司深圳设计分公司　深圳　518034)

红海大桥船舶撞击力选用

廖智明

(泛华建设集团有限公司深圳设计分公司深圳518034)

摘要采用目前应用比较广泛的几种船舶撞击力计算方法对红海大桥桥墩船舶撞击力进行计算，并与现行公路规范规定的内河船舶撞击力进行比较，提出现行公路规范规定的内河船舶撞击力偏小，安全度低，考虑到近年来部分撞桥事故计算分析情况，为保障桥梁的安全运行，建议采用修正的沃辛公式所计算的驳船撞击力作为船舶撞击力的设计值较为合适。

关键词船舶撞击力沃辛公式防撞措施

随着大量跨江跨海大桥的修建，通航船舶的规模化，加上桥区环境(如流速、风速、弯道冲刷、淤积、潮位等)的改变，导致经常发生船撞桥事故，不但威胁船舶通行的安全，严重影响桥梁的安全运营，还常常会带来生命和财产的巨大损失，因此在桥梁设计时必须仔细考虑防撞策略。

红海大桥工程位于东莞市石龙镇境内，起点位于东莞市石龙镇规划中的沿江路，与沿江路平交，向北跨越东江北支流，终点接红海区规划路。由于桥位处东江北支流为三级航道，因此红海大桥桥墩抗船舶撞击是设计中必须考虑的一个关键技术问题。为进行该桥的船撞设计，首要问题是船舶对桥墩撞击力的选用，船舶撞击力的选用是否恰当，直接影响桥梁结构的安全性与桥梁方案的经济性，若按最大船撞力选用，桥梁防撞能力过高，必然导致桥梁修建费用过高，经济性欠佳。但是若船撞力选用太小，则结构安全存在潜在危险，可能导致灾难性事故。在船舶碰撞事故中，要确定船对桥梁的碰撞力是非常复杂的，既取决于船舶特性和桥梁结构，包括船舶类型、尺寸、速度、船体强度及刚度、桥梁撞击部位尺寸、形状、质量和侧向抗力特性等，还受碰撞环境、撞击力的偏心和水深影响。目前国内外对船舶撞击力的研究比较多，大部分基于能量法，将动力问题转换为静力问题来处理，下面采用几种应用比较广泛的典型计算方法，对红海大桥船撞力的取值进行计算比选，从而确定合理的船撞力，保证桥梁结构的安全与经济性。

1设计参数

根据广东省航道局文件，红海大桥桥位航段定级为三级航道，设计通航水位珠基5.10 m，通航孔净宽B应不小于117.4 m，上底宽b应不小于98 m，通航孔净高H不小于8 m，侧高h应不小于6 m。设计通航船舶吨级为1 000 t，根据《内河通航标准》(GB50139-2004)[1]1 000 t内河船舶的船型尺寸，货船为长×宽×吃水深度=49.9 m×15.6 m×2.8 m，驳船为长×宽×吃水深度=67.5 m×10.8 m×2.0 m，航速约为6 m/s。另根据广东省海事局《珠江口水域安全航行规定》[2]第46条的规定，船只过桥时航速限制在8 kn(约4.1 m/s)以下。

2几种典型计算方法

2.1　修正的Woisin公式(沃辛公式，德国)

Woisin教授[3]对24个40 000 t以上的散装货船的与刚性墙壁的撞击进行了缩小比例的模型试验，碰撞速度约为8 m/s，总结出散装货船对刚性桥墩的关于时间平均的有效撞击力的经验公式

式中：Pi为平均冲撞力，MN；DWT为船舶载重量，t。

碰撞过程中的平均撞击力和最大撞击力的关系大约满足以下关系：

Pmax=2Pi

沃辛公式有一个明显的缺陷就是没有速度，船舶撞击桥梁的船撞力很明显是与撞击力有直接的关系，沃辛公式里则没有表现出这一点，所以1993年国际桥梁和结构工程师协会(IABSE)出版的《船舶碰撞桥梁专册》[4]中的船撞力计算公式，在沃辛公式的基础上作了修正，修正的沃辛公式为

式中：P为船舶对桥墩的撞击力，kN；V为船速，m/s；D为船舶排水量，t。

顺桥向船撞击力取横桥向船撞力的50%。

2.2　美国公路桥梁设计规范(AASHTO-1994)[5]

船舶等效正面静止撞击力按下式计算。

式中：PB为船舶的等效正面静止撞击力，N；DWT为船舶载重量，t；V为船舶的撞击速度，m/s。

由于在美国内河航道上拖驳船队非常常见，一般拖驳船队可包括15~20艘驳船，总长可超过300 m，因此规范对于驳船队对桥墩的撞击力单独规定了计算公式，驳船横桥向撞击力为

若αB<100 mm，PB=6.0×104αB

若αB>100 mm，PB=6.0×106+1 600αB

式中：PB为等效静止驳船撞击力，N；αB为驳船船头破坏长度，mm；

式中：KE为船只的撞击能量，J，KE=500CHMV2，其中：CH为水动力质量系数；M为船只排水吨位，t；V为船只撞击速度，m/s。

顺桥向船撞击力取横桥向船撞力的50%。

2.3　《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[6]

漂流物横桥向船撞击力标准值可按下式计算。

式中：F为撞击力，kN；W为漂流物重量，kN；v为水流速度，m/s；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；t为撞击时间，s，应根据实际资料估计，在无实际资料时，可用1 s。

2.4　铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005)[7]

撞击力按下式计算。

式中：F为撞击力，kN;γ为动能折减系数，m/s1/2，正向撞击时取0.3，斜向撞击时取0.2；v为船只或排筏撞击墩台时的速度，m/s；α为船只或排筏驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角；W为船只重或排筏重，kN；c1,c2为船只或排筏的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数，缺乏资料时可假定c1+c2=0.000 5 m/kN

3各种公式计算结果

对于红海大桥，计算时船型取驳船，最大载重量为1 000 t，最大排水量为1 660 t，船舶撞击速度为3 m/s。根据以上各公式计算结果见表1。

表1　各公式船撞力计算结果　kN

由表1可见，国外规范或公式计算结果远大于国内规范计算结果,是国内规范计算结果的2.07～2.43倍，现行《公路桥涵设计通用规范》所规定的1 000 t内河船舶撞击力(横桥向800 kN，顺桥向650 kN)比铁路规范、美国公路桥梁设计规范、沃辛公式及公路桥涵设计通用规范漂流物公式均偏小。其中美国AASHTO规范计算结果最大，对于船桥碰撞力的计算是偏于安全的，而国内公路、铁路规范计算结果较为接近，但计算结果偏小，安全度低，修正的沃辛公式计算结构较为适中,根据以往工程经验，且考虑到近年来部分撞桥事故计算分析情况，笔者认为修正的沃辛公式结果作为红海大桥船舶撞击力的取值较为合适，因此红海桥设计时采用了修正的沃辛公式所计算的1 000 t驳船撞击力(横桥向7 000 kN，顺桥向3 500 kN)作为船舶撞击力的设计值来控制设计。

4防撞措施

桥梁防撞的目的是防止桥梁因船舶撞击力超过桥墩的设计承受能力,保护桥梁结构安全。工程上通过采用不同型式的防撞设施,可以阻止船舶撞击力传到桥墩(或桥梁),或者通过缓冲消能防撞设施,延长船舶的撞击时间,减小船舶撞击力,从而最终保护桥梁安全。防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的

外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行设计。

防撞设施一般应满足如下要求：①吸能能力要大，但更重要的是将船的动能仍保留在船上；②防撞设施不能影响航道的通航,占用航道范围尽量少；③通过合理的结构形式、各种缓冲材料的布置,尽量减小通航船舶的损伤；④防撞设施制造、安装、维护和修理经济性较好；⑤防撞设施具有很好的可靠性和安全性；⑥应适应水位变化的要求:枯水、洪水；涨潮、退潮；⑦不因设置防撞装置而增加新的问题，如回流沉积、妨碍捕捞养殖等。

红海大桥防撞措施采用在枯水位以上11.7 m范围内桥墩设置拱形(V形)橡胶防撞护舷，具有吸能量高、布置灵活、安装尺度适宜等诸多优点。

5结语

鉴于影响船舶撞击力大小的因素较多，涉及船型、船舶排水量、行驶速度、桥墩尺寸强度及弹性性能等诸多因素，目前我国现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)所规定的内河船舶撞击力偏小，不宜作为船舶撞击力设计值控制设计，红海大桥根据几种国内外常用经验公式计算后采用修正的沃辛公式计算结果作为船舶撞击力的取值，能满足桥梁结构安全性及桥梁方案的经济性。

参考文献

[1]GB 50139-2004内河通航标准[S].北京.中国计划出版社.2004.

[2]中华人民共和国广东海事局.珠江口水域安全航行规定[S]. 广州：广东海事局，2001.

[3]WOISIN G Design against collision.International Symposium on Advances in Marine Technology, ondheim,1979.

[4]VROUWENVELDER A W Design for ship impact according to eurocode 1,part2.7[S]. Ship Collision Analysis,1998.

[5]美国各州公路和运输工作者协会AASHTO.美国公路桥梁设计规范[S].1994.

[6]JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]TB 10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

收稿日期：2015-03-07

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.023