韩江特大桥通航孔桥墩防撞措施方案分析

谭巨良

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

1 引 言

通航孔桥墩防撞措施对桥墩和通航船舶均能起到保护作用，根据航道、海事部门的相关要求，在一定等级的航道上，通航孔桥墩通常需设置防撞措施。船撞力的计算和防撞措施的选择已有较多研究。根据多种规范或经验公式计算的船撞力结果偏差加大，通常需结合有限元计算确定船撞力。防撞措施有固定式橡胶、浮动式钢套箱、浮动式钢+复合材料、独立防撞隔栅、独立防撞墩等等，各有优缺点，需根据具体桥梁和河道的特点择优选择。

2 概 况

韩江特大桥跨越处韩江宽度约600 m。通航孔处桥型图见图1。本桥所跨韩江拟规划为Ⅳ级航道。最高通航水位H=19.16 m，最低通航水位H=9.16 m。

图1 韩江特大桥通航孔处桥型图

主桥上部结构为(55+4×90+55)m预应力混凝土悬浇连续箱梁，下部结构为空心薄壁墩，桩基均为钻孔灌注桩。

3 船舶撞击相关参数分析

3.1 撞击代表船型

根据《内河通航标准》(GB50139-2004)的资料显示及实际通航船型的调查结果，船型尺寸参数表见表1。

表1 船型尺寸参数表

3.2 船撞速度

根据现场调研和测速，船舶通行速度为3.0 m/s。考虑到韩江特大桥位于通航水域范围内的桥墩数量众多，且航道宽度与桥梁跨度接近，因此以3.0 m/s为船舶撞击桥墩的速度。

3.3 无防撞措施时船撞力

经验公式计算船舶撞击力比较表见表2，可见各个公式的计算结果差异较大。按照我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)计算的船撞力偏小。根据较近颁布的《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)计算，3 000～50 000 DWT轮船撞击力与美国AASHTO规范接近，50～3 000 DWT驳船撞击力小于美国规范。为进一步分析船撞力，采用LS-DYNA显式动力学分析软件进行有限元仿真。有限元计算得到的无防撞措施撞击力时程图见图2。

表2 经验公式计算船舶撞击力比较表 (单位：MN)

图2 无防撞措施下撞击力时程图

由表3可见桥墩抗撞承载力较大，满足了除AASHTO以外规范的要求，也满足有限元计算结果。桥墩设计强度足以抵抗500t吨级船舶撞击，增加防撞措施主要为了满足航道、海事部门的相关要求和降低船舶的撞击风险、保护船舶通行安全。船撞力偏安全采用有限元计算结果。

表3 无防撞措施下船舶撞击计算结果

4 防撞设置研究

4.1 防撞措施的种类

(1)固定式橡胶防撞措施

固定式橡胶是一种围绕在桥墩周围，不随水位变化的固定式柔性防撞体。

优点：通过在墩壁预埋螺栓固定橡胶，构造较简单。单个体积小，便于运输，可局部维修、更换，耐腐蚀性好。缺点：本项目水位差较大，设置规模较大，总体上未必经济。桥墩已经施工，非最低水位时期水下不便于安装。缓冲能力有限，对桥墩和船舶保护有限。

(2)浮动式钢套箱防撞措施

浮动式钢套箱主体是多个钢板梁构成的密封舱室结构。

优点：防撞性能较强；随水位升降；钢构件连接强度好、性能稳定；钢结构加工工艺成熟。缺点：需添加防腐涂装提高耐久性，维护成本较高。重量大，运输、安装较为困难。

(3)浮动式钢+复合材料防撞措施

浮动式钢+复合材料防撞措施的钢结构外表面覆盖复合材料层用于提高耐久性，在钢结构内部填充耗能闭孔材料，可降低钢结构的用量。

优点：防撞性能较强，随水位升降，耐久性较好。通过节段拼装形成整体，节段重量较轻，运输、安装较为方便。缺点：采用新材料，需专业单位设计生产。复合材料价格较高。

(4)独立防撞隔栅

独立防撞隔栅是将桥墩与承台用混凝土隔栅包围，主要起隔离防撞作用。该防撞措施主要适用于桥墩横、纵桥向抗撞承载力都欠缺较多的情况。

(5)独立防撞墩

防撞墩下部基础采用桩基础，上部桥墩采用三角形断面，既可以抵抗船舶撞击力，又可以拨转船头的方向。该防撞措施主要适用于单个方向抗撞承载力欠缺较多的情况。

4.2 北江(乌石至三水河口)航道扩能升级工程通航孔桥梁防撞加固

北江(乌石至三水河口)航道扩能升级为III级航道，根据《北江(乌石至三水河口段)通航孔桥梁防撞加固专题研究》报告，设防船撞力为横桥向8 000 kN，顺桥向6 500 kN。该项目对本桥的防撞设计有参考意义，相关方案见表4。

由表4可见，独立防撞隔栅和独立防撞墩的防撞能力都较强，当没有独立防撞措施施工空间，或桩基施工会对原桥梁结构有安全影响时，或地质条件较差时，不适合采用。如拱桥拱脚桥墩附近可能空间受限，不适合采用独立防撞隔栅，但横桥向独立防撞墩还可施工；如由溶岩地质不适合施工独立防撞措施的桩基。

浮动式钢+复合材料防撞措施可在以上两种方式不合适时考虑采用。浮动式钢+复合材料防撞措施不适用的情况为：拱桥拱脚桥墩不适合措施上下浮动时，原桥墩防撞能力与所需抗力差值大于40%时。

4.3 韩江特大桥防撞措施推荐方案

韩江特大桥桥位处水位差较大，不适合采用固定橡胶防撞。桥墩设计强度足以抵抗500 t吨级船舶撞击，因此不适合采用造价高且多用在承载力欠缺较多情况的独立防撞隔栅或墩。本项目适合采用施工相对方便且造价相对较低的浮动式防撞措施，其中浮动式钢+复合材料防撞措施的耐久性和防撞能力较优，韩江特大桥浮动式钢+复合材料防撞措施布置。

采用浮动式钢+复合材料防撞措施时，船舶撞击力计算暂无经验公式。根据有限元计算，韩江特大桥设置防撞措施下撞击力时程图见图3，计算结果见表5，船撞力降低约40%。

图3 设置防撞措施下撞击力时程图

表5 采用浮动式钢+复合材料防撞措施时船舶撞击计算结果

5 结 语

以某高速韩江特大桥为背景，对内河Ⅳ级航道500 t级船舶撞击力作用下的通航孔桥墩防撞措施方案进行分析。根据多个规范或经验公式计算的船撞力及有限元分析结果，韩江特大桥桥墩设计强度足以抵抗500 t级船舶撞击，增加防撞措施主要为了保护船舶通行安全。对比固定式橡胶、浮动式钢套箱、浮动式钢+复合材料、独立防撞隔栅、独立防撞墩防撞措施的优缺点，参考北江(乌石至三水河口)航道扩能升级工程多座桥梁通航孔桥墩防撞加固方案，本项目最终选择浮动式钢+复合材料防撞措施，降低船撞力达40%。