探究跨江桥梁工程项目支架施工中通航防撞设计方法

龚世康

中国公路工程咨询集团有限公司 330000

摘要：本文主要闡明了跨江桥梁工程项目支架施工中通航防撞设计的目的和原则，并就设计中最为重要的考量因素进行了分析和解释，最后基于桥梁船舶撞击力的计算方法对通航防撞设计理念进行了浅析，以期为今后类似工程设计提供相关参考资料。

关键词：跨江桥梁工程；支架；通航防撞；撞击力

我国内陆江河较多，为了便于河域两边的经济交流和文化互动，在大型江河流域之间建立起一座桥梁成为了该区域经济发展的必然趋势。目前，在我国较为出名的跨江桥梁主要包含武汉长江大桥、武汉长江二桥、白沙洲大桥、南京长江大桥及万安古渡洛阳桥等。而随着桥梁建设基础工程的不断完善，船舶交通量及吨位也在不断增加，故而，大跨桥梁结构工程设计项目中船舶防撞设计也成为亟待解决的课题之一。基于此研究背景，本文主要以跨江中小桥梁为研究对象，对该项工程项目支架施工中的通航防撞设计原则、方法进行了一番分析，现试论如下。

一、通航防撞设计概述

（一）简析通航防撞设计的目的

跨江桥梁工程项目支架施工中通航防撞设计方法的运用旨在于通过避免或降低船舶同桥墩发生碰撞对桥墩带来的破坏力，来提升桥梁的使用年限，从而实现跨江桥梁的设计目的，发挥其职能。一般情况而言，诸如上文说例举的大型跨江桥梁项目其支架施工中通航防撞设计方法的运用较为复杂，且实施难度较大，本次暂时不做探讨，以中小跨江桥梁的通航防撞设计方法为研究分析对象。较之于大型跨江桥梁，中小跨江桥梁横向抗撞击力标准一般情况下会更低，因此在通航防撞设计方法的选择上，也会选择不同的防撞设施来规避和阻断船舶撞击力传导到桥梁（或桥墩），抑或借由缓冲消能防撞设施延长船舶撞击至桥梁体的时间，由此来降低或缓冲传播撞击力，避免船毁桥塌事件。

（二）简析通航防撞设计的原则

目前，我国在跨江桥梁工程项目支架施工中通航防撞设施设计方面并没有出台明确的规范和条文，因此，所有中小型跨江桥梁的防撞设施设计技均是依据其设计目的和原则开展和进行的，目的上文已经论述，此处不表。至于防撞设施的设计原则，应当是指向设计目的，以设计目的为服务对象，因此，需要考量的主要是影响桥墩抗撞能力的各项因素，诸如：桥梁桥墩在江中的位置设计、桥梁桥墩的外形设计、江水水流速度及季节水位变化情况、主要通航船舶的类型及吨位、桥梁桥墩自身的抗撞能力等。

结合桥梁项目支架施工中通航防撞目的，细化而言，防撞设计原则应当涵盖以下几点：其一，船舶同桥梁在碰撞过程中会促使两者在运动状态上发生剧烈改变，因此在设计原则上并不能以避免桥梁无损为原则，在一定条件下，允许通航防撞设计对象遭受损坏，但是需易于修复，确保桥梁桥体短期之内恢复至受保护状态；其二，跨江中小型桥梁建设中，桥墩主要的作用在于支撑桥体上部结构传来的荷载，因此一般情况下其抗撞能力较弱。由此通航防撞设施设计不宜同桥墩直接连接。其三，跨江中小型桥梁桥墩基础较弱，防撞设施设计需在尽量避免动用原桥设计基础的前提下，设计的防撞设施可以消耗全部或多数碰撞船舶的能量；若是桥墩承台具有较好的抗撞性能，可以在设计阶段将其可以承受小部分船舶撞击力作为考量因素，确保设计方案更具经济性。其四，桥梁建设的主要目的在于方便交通，因此防撞设施设计不能影响江面正常航道通航状态，如果出现必须占用航道的情况，也需最大限度地尽量减少占用面积，以防导致航道堵塞。其五，船舶碰撞桥梁桥体是船舶方过错，但是船舶因此撞击受损沉没抑或造成航道阻塞，均会造成极大的经济损失，同时船舶损坏漏油也会造成极大的水污染，故而在通航防撞设计方法的运用方面，防撞设施的构造形式和设计原则应当湿度考虑船舶保护事项，以减少碰撞船只损伤，降低经济损失。其六，防撞设施设计需要同桥墩设计风格一致，不影响其美观。

二、浅析通航防撞设计中舶撞击力计算的计算方法

目前，在通航防撞设计构思主要依据两点因素进行选择，其一为基于拟船舶撞击力的防撞方案选择，其二为于结构抗力的防撞设计构思。第二种方案主要应用于外海，因此本文主要集中探讨第一种构思方案。现阶段，我国缺失系统的桥墩防撞设计规范，但是对于船舶碰撞撞击力的计算方法却在《系统的桥墩防撞设计规范》（JTGD60—2004）及《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1—2005）中均有论述。

（一）公路规范中舶撞击力计算的计算方法

公路规范中规范了航运中漂流物横桥向撞击力标准值计算公式，为：F=Wv/gT。其中：

F——漂浮物撞击力；

W——漂浮物重力；

v——水流速度；

g——重力加速度；

T——撞击时间

其中，T若无实际资料表明撞击事件，则取值1s；g一般情况下取值为9.81m/s?。假设内河船舶的撞击作用点是跨江桥梁宽度的中线处，具体位置为通航水位线上2米处，则顺桥向撞击力标准值约为横桥向撞击力标准值的3/4倍。

（二）铁路规范中舶撞击力计算的计算方法

公路规范中同样对桥梁墩台承受船只的撞击力标准值计算公式给予了规定，为：F=rVsinα[w/（C1+C2）]0.5。式中：

F——船舶撞击力；

r——动能折减系数；

V——船只撞击墩台时的速度；

α——船只驶近方向与撞击点处墩台切线所成的夹角；

w——船只吨位；

C1——船只弹性变形系数；

C2——墩台圬工的弹性变形系数

当船只驶近方向与撞击点处墩台面处法线方向不一致，[w/（C1+C2）]0.5取值0.2，当方向一致，取值0.3；α确定困难则取值为20°；C1和C2确定困难，则设定两者之和为0.0005m/kN。

三、根据虚拟案例分析桥梁船舶撞击力计算结果

综合上文可知，跨江桥梁工程项目支架施工中通航防撞设计需要考量的因素众多，进行设计的过程中需要重点考量的便是船舶撞击力。依据上述公式和理论，参考《内河通航标准》相关规定，虚拟各项计算参数，计算出桥梁船舶撞击力。

假设船舶吨位（w）为3000t，船舶静水速度为17km/h，水流速度（v）为2.3m/s。则依据公路规范可进行桥梁船舶撞击力计算：其中，船舶横桥向撞击力为：F=Wv/gT=20000×2.3/9.81×1=4689.09kN；顺桥向撞击力为：4689.09×3/4=3516.82kN。

依据铁路规范进行计算，则船舶顺桥向撞击力为：F=rVsinα[w/（C1+C2）]0.5=0.2×2.3×sin20°×[20000/0.0005]=6293.17kN；则船舶横桥向撞击力为：6293.17×1.25=7866.46kN。

一般情况而言，基于桥梁船舶撞击力进行通航防撞设计是保证桥抗撞力的主要途径，因此可以进一步依据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》计算出一般桥梁的撞击力，從而来评判桥梁防撞设计是否合格。

四、基于桥梁船舶撞击力进行通航防撞设计的方法

已经明确，基于桥梁船舶撞击力来进行通航防撞设计是确保桥梁防撞性能优良的主要方法之一，不过正如前文所述，桥梁支架及桥墩是否可以承受船舶撞击，还在于桥梁的抗撞力。因此目前使用于防撞设计中的主要方案中便包含缓冲橡胶块、防撞顶面墩（见图1a.b.c）等设计，当然基于外部保护原则也存在设置人工防撞岛、防撞墙、缆索拦截等设计方法。

图1 a 防撞墩立面布置图

图1 b 防撞墩平面布置图

图1 b 防撞墩截面布置图

以防撞顶面墩设计为例，由上图可知，防撞墩主要采用的是钢箱混凝土结构形式，其长宽和壁厚都依据其性能进行了严格限制，而为了增强其抗撞力，依据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》采用规格的钢材和混凝土也是应当遵循的原则之一。

结束语

总而言之，在进行跨江桥梁工程项目支架施工中通航防撞设计时，需要考量的重要问题便是桥梁支架（或桥墩）最大抗撞力的计算，只有基于桥梁船舶撞击力进行防撞设计，方可满足设计要求。

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