川槎大桥通航孔水上防撞限高架设计研究

徐光中

摘 要：船舶撞击桥梁上部结构是船舶撞击桥梁事故的种类之一，此类事故频繁发生，对桥梁结构危害很大，本文介绍了水上限高防撞架的設计及施工方法，可为桥梁上部结构防止船撞的设计与研究提供参考。

关键词：船撞桥梁上部结构 桥梁防撞 防撞装置

1.引言

由于船舶大型化日益明显，许多高吨位的大船却选择了走低等级的航道，导致船舶撞击桥梁上部结构的事故呈不断上升趋势，我国对船桥碰撞的研究起步比较晚，直到上世纪90年代才开始。我国的船撞桥事故的研究工作，主要依靠研究学者结合国内的桥梁项目的防撞设施实验开展，研究内容主要为船桥撞击力的计算，桥墩附近的水域对船舶航行的安全性影响等，而其中，对于船舶撞击桥梁的撞击力研究多为船舶撞击桥墩的相关课题，关于船舶撞击桥梁上部结构的研究相对较少，然而超过桥梁通航净空的船舶撞击桥梁上部结构的事故近年来却频繁发生，国内外的预防措施多为设置通航警示、加强监督等，但效果往往不甚理想，如能在桥梁旁侧设置水上限高防撞结构拦截超高船舶，则是釜底抽薪的有效办法，而关于桥梁防撞限高架的设计与实施目前国内尚无先例。

船舶撞击桥梁上部结构所引发的事故轻则造成桥梁上部结构损伤，重则造成桥梁上部结构整体垮塌，带来重大生命财产损失，因此为了减少桥梁上部结构遭受船舶超高部分撞击事故的发生，保护人民生命财产安全，开展对于超高船舶撞击桥梁上部结构及对防范设施的研究设计工作是必要而且紧迫的。

2.工程概况

川槎大桥川槎大桥建成于1995年，桥址位于广深高速麻涌至望牛墩之间路段，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，川槎大桥为公路桥梁，双向六车道，桥梁横断面为等宽段双幅采用上下行分离式桥面，单幅桥宽15.75m，总长670m。

近年以来，川槎大桥上部结构多次遭超过通航净空高度的船舶碰撞，其中包括1000～2000吨级船舶，2013年至2016年发生数起比较严重的碰撞事件，并造成桥梁上部结构部分T梁受损，虽采取多种措施，但效果仍不理想，为确保桥梁安全，需建一座水上防撞限高架拦截超高船舶。

3.防撞限高架的平面布置

平面布置方案以对孔布置及不减少现有通航孔通航净空尺度为原则，结合现场调研及与相关等部门沟通成果及相关规范、规程，共布置三个平面方案。

3.1 总平面方案一

（1）布置原则：①通航孔对孔布置；②不改变原通航孔净空尺度；③参照《内河通航标准》（GB50139-2014）中“当两座相邻水上过河建筑物的轴线间距不能满足要求，且其所处通航水域无碍航水流时，应靠近布置，两建筑物间相邻边缘距离应控制在50m以内，且通航孔必须相互对应”要求布置。

（2）平面布置：距川槎大桥桥梁上下游边缘约32m处各布置1座限高架，即限高架与桥梁内边缘距离为32m，共布置2座限高架。限高架跨径组合为2×72.5m，长145m。限高架桥墩与川槎大桥桥墩顺水流方向对应布置。

受限高架的影响，桥区航道相应作适当调整，调整后的航道直线段距限高架上边缘不小于200m。调整后，上游最近一座码头水域与航道有交叉。

3.2 总平面方案二

（1）布置原则：①通航孔对孔布置；②不改变原通航孔净空尺度；③将可能撞击桥梁的船舶拦截在远离桥梁位置，限高架远离桥梁布置。

（2）平面布置：考虑到上游弯道的影响，桥区航道直线段布置困难，限高架超过100m布置，航道边线将布置到上游右岸岸坡上，因此，在距川槎大桥桥梁上下游边缘约100m处布置1座限高架，即限高架与桥梁内边缘距离为100m，共布置2座限高架。限高架跨径组合为2×72.5m，长145m。限高架桥墩与川槎大桥桥墩顺水流方向对应布置。

受限高架的影响，桥区航道相应作适当调整，调整后的航道直线段距限高架上边缘不小于200m。调整后，对上游两座码头影响较大。

3.3 总平面方案三

（1）布置原则：①通航孔对孔布置；②不改变原通航孔净空尺度；③参照《内河通航标准》（GB50139-2014），靠近布置的水上过河建筑物不宜超过2座，为避免产生“巷道效应”，限高架对应通航孔位置布置。

（2）平面布置：根据《内河通航标准》（GB50139-2014），靠近布置的水上过河建筑物不宜超过2座，为避免产生“巷道效应”，限高架对应通航孔位置布置。即上下游各布置1跨跨度为72.5m的限高架，限高架与桥梁内边缘距离为40m，共布置2座限高架。限高架桥墩与川槎大桥桥墩顺水流方向对应布置。在背离船舶一侧通航孔设置禁航标志。

受限高架的影响，桥区航道相应作适当调整，调整后的航道直线段距限高架上边缘不小于200m。调整后，上游最近一座码头水域与航道有交叉。

3.4 方案比选

各方案优缺点如表1所示。

综上对比，方案一限高架距桥边缘距离约32m，满足现行《内河通航标准》（GB50139-2014）两建筑物间相邻边缘距离应控制在50m以内的要求，三座建筑物形成一定的“巷道效应”，对船舶驾驶会产生一定的压迫感，但相比方案二，方案一与桥梁距离更近，可避免超高船舶绕过限高架从而躲避拦截，而方案三采用单跨布置，则不按通航规定或不熟悉该水域的通航船舶，可能会避开限高架误从另一孔通行进而撞击桥梁，采用双跨布置可有效避免此情况发生。因此，将平面方案一作为平面推荐方案。

4.防撞限高架结构方案

4.1方案比选

本次防撞方案拟采用刚性方案和柔性方案进行比选，刚性方案采用钢桁架结构型式，柔性方案采用拉索结構型式。

（1）钢桁架结构设计。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。

钢桁架受到船舶撞击时，若撞击位置恰好在钢桁架节点处，则撞击力能有效快速地传递分散至其他杆件，形成整体受力；若撞击位置不在钢桁架节点处，则巨大的撞击集中力将使撞击处的杆件迅速破坏，因此，为了能够尽量扩散船舶撞击力，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，长145m，高2m，厚2.5cm，顶部与底层分别各设置两层水平加厚钢板，长145m，宽0.4m，每层厚2.5cm。

钢桁架各构件尺寸如表2。

钢桁架各构件钢材材质均采用Q345B。

迎撞面的竖向钢板上设置柔性防撞护舷，以尽量降低船舶撞击力。

（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，拉索两端采用锚固的方法，固定于左、右两端承台。

该方案的限高主体结构采用拉索缓冲耗散船舶撞击能量，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。

综合表3优缺点分析，钢桁架方案防护效果更好，使用维修方便，且总造价更省，推荐采用钢桁架方案。

4.2防撞限高架结构计算

（1）撞击力的确定。结合对倒运海水道实际航行的各货种船型分析，进一步分析典型过桥船舶，并考虑到船舶大型化发展趋势，提出在95%保证率下防撞设计的代表船型为2000吨级船舶，设计撞击速度为3.5m/s。

船舶撞击限高架上部结构产生的撞击力，目前国内未有规范进行规定，参考《公路桥梁船舶撞击指导性规范》（美国AASHTO）、《公路桥梁设计规范》（美国AASHTO）进行计算。

根据《公路桥梁设计规范》（美国AASHO），船舶对桥墩的正面撞击力可按下式计算：

（2）计算结果。结构采用有限元软件进行计算，计算所得各工况内力如表4所示。

表4显示，限高钢桁架最大冯米塞斯等效应力为176Mpa<295Mpa，结构承载能力满足规范要求。

5.防撞限高架施工

防撞限高架施工主要工序包括：水中贝雷架便桥与钢平台搭设、钢管桩制作及沉桩、桩芯钢筋混凝土施工、下承台施工、墩台施工、钢桁架制作与运输安装、防撞缓冲设施安装。

（1）贝雷架便桥与钢平台搭设。临时施工平台是水上施工生产的工作场地，其主要功能是作为钢护筒下放及桩基础施工平台，并作为打桩设备、材料堆放场地，便于钢护筒下放及桩基础施工，桩基础施工完成后能为后续的墩台、墩身及上部构造的施工继续提供服务及简单工作场地。

贝雷梁栈桥及钢平台结构从下至上依次为：Φ600mmδ8mm钢管桩桩基、2×工36a双拼工字钢横梁、贝雷架纵梁、工25a双拼工字钢横梁、20a槽钢桥面系。

其中，钢管桩下沉采用悬打法施工，用 50t 履带式起重机或80t浮吊配合DZ60液压振动桩锤施沉钢管桩。履带式起重机停放在已施工完成的栈桥桥面上，吊装装配式悬臂定位导向架，利用悬臂定位导向架精确打入栈桥及钢平台基础钢管桩。

（2）钢管桩沉桩与桩芯混凝土施工。钢管桩加工制作选择专业化钢管桩制作公司进行数控全机械化加工制作，根据设计图纸要求，对已加工成型的钢管桩须进行焊缝相关检测，待检测合格后，进行涂装施工。

钢管桩沉桩前， 须测量放样桩基中心顺桥向轴线，准确定位桩基定位架位置，通过在施工平台上安装定位架，确保钢管桩精确就位。

本工程钢管桩需打入强风化岩，对打桩设备要求较高，但由于航道等级较低、桥梁通航净空不足的因素，打桩船无法进驻现场，需利用100吨履带吊驻位于贝雷架钢平台上，直接悬吊液压打桩锤（含桩、管帽）套接在钢管桩上进行沉桩施工。

钢管桩通过大型船舶运输到位，大型浮吊就位，利用浮吊将桩基钢管桩吊装到导向架内腔，钢管桩在导向架的导向作用下垂直下沉到河床底，并依靠其自重嵌入覆盖层，钢管桩下沉稳定后，可松开吊钩。待钢管桩通过自重下沉稳定后，用浮吊将 YC30液压振动桩锤（带桩、管帽一并）起吊到钢管桩顶口，利用桩帽直接嵌入钢管桩顶，缓慢松下部分起吊重量，通过桩锤自重压力使钢管桩继续下沉，直至下沉稳定后，待检查钢管桩垂直度满足要求后，开始启动打桩作业。

待桩基钢管桩锤击沉入设计要求后，采用回旋钻机钻孔清渣，然后下放钢筋笼，二次清空后进行水下混凝土浇筑施工。

（3）下承台施工。根据下承台底标高与水位标高关系对比，通过水深调查，本次下承台施工采用底板+侧模组拼套箱施工，该套箱由底板横向承重梁、 纵向分布梁、 墩台底模面板、吊杆、反吊承重梁、侧模及内撑构成。

下承台施工分三个阶段进行：准备阶段、套箱安装阶段、下承台实体施工阶段。

（1）准备阶段

准备阶段包括下承台底板材料加工、施工平台转换、反吊系统材料准备等各项工作。

（2）套箱安装阶段

套箱安装阶段包括安装反吊系统、底板铺设、侧模吊放安装、抽水堵漏等各项工作。

（3）下承台实体施工阶段

下承台实体施工阶段包括桩顶处理、分两阶段钢筋绑扎安装、分两阶段浇筑下承台混凝土、混凝土养生及套箱拆除等工作。

（4）墩台施工

墩台施工具体步骤为：

1、测量放样桩顶标高，割除桩基护筒剩余部分；

2、用风镐清除封底表面和桩基顶面浮渣和凿除高出部分，同时清除桩基钢筋和立柱上的浮锈；

3、根据设计图纸要求，沿钢管桩焊接加劲板；

4、模板支立、钢筋加工、安装及混凝土浇筑。

（5） 钢桁架制作运输与安装

钢桁架制作程序包括：下料、加工、拼装、防腐涂装、检测，现重点介绍钢桁架的安装，

本次钢桁架结构采用大型船舶运输至施工现场，利用大型浮吊将70m/跨逐个抬吊安装，吊装过程须全封闭航道。

钢桁架吊装工艺流程：吊座安装（吊装委托加工）→起重船驻位→安装吊索具→起吊 、移船→运输驳驻位（运输驳改造加固）→钢桁架落驳加固→起重船、运输驳依次拖航至安装现场驻位→钢桁架起吊、运输驳撤出、安装钢桁架就位（现场准备工作）→测量复核钢桁架偏位（不合格则进行调整）→起重船撤出安装现场→进行下一跨钢桁架吊装。

（6）防撞缓冲设施安装

防撞缓冲设施为常规橡胶护舷，其中一部分橡胶护舷设置在下承台周围，另外一部分设置在钢桁架迎撞面竖直厚钢板上。

下承台在浇筑前应设置预埋件，钢桁架迎撞面竖直厚钢板在安装前应钻打螺栓孔，用于安装橡胶护舷。

6. 結语

作为“全国首创”的水上限高防撞架工程，经建设单位、使用单位及省市政府多部门反馈评价，自该水上钢结构限高防撞工程投入使用以来，未再出现船舶碰撞桥梁的事故，对于该水上限高防撞工程所发挥的防范船舶撞击航道桥梁上部结构的实际效果均高度认可，认为其中“川槎大桥的防撞工程发挥着重要的警示预防作用”。

本水上钢结构限高防撞工程在国内尚属首例，既无相应前例可供参考，也无明确对应的规范标准可供参照执行，本项目开展的关于船舶撞击桥梁上部结构以及相应防撞设施的研究和设计工作，可为今后国内有关桥梁上部结构的防撞工程设计起到先导和示范作用，同时可以为将来相关规范的编制提供有价值的参考。

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