【摘要】本文介紹了黃石長(zhǎng)江大橋主墩防撞設(shè)施研究設(shè)計(jì)過(guò)程，以及防撞設(shè)施的構(gòu)造、功能特點(diǎn)，供橋墩防撞設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)查考。
關(guān)鍵詞 橋墩 船舶碰撞 防撞設(shè)施
一、前言
黃石長(zhǎng)江公路大橋是一座特大型的連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，其連續(xù)剛構(gòu)長(zhǎng)度達(dá) 1060m，三個(gè)通航主跨跨距各為245m。黃石大橋主墩的防撞安全問(wèn)題受到大橋建設(shè)單位,
各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)、設(shè)計(jì)和研究單位的關(guān)注，主要基于下述原因：
（1）橋位于長(zhǎng)江航道彎曲段，受下水船舶碰撞機(jī)會(huì)較大；
（2）主墩為雙臂型薄壁墩，抗碰撞能力較小；
（3）預(yù)應(yīng)力混凝土的連續(xù)剛構(gòu)橋面因橋墩損壞可能造成橋梁整體破壞，事故后果特別嚴(yán)重。但是在黃石大橋上采取防撞措施也存在著重大的困難和受到嚴(yán)格的限制，主要是：
（l）可能發(fā)生碰撞的船舶噸位較大、速度較高，碰撞能量巨大，碰撞事故后果極為嚴(yán)重；
（2）要保證主墩間通航凈距不小于220m，這使～些能承受巨大碰撞事故的防撞方案無(wú)法應(yīng)用；
（3）黃石長(zhǎng)江段的水位落差可達(dá)17m，這使得能在全高度范圍內(nèi)防止橋墩被撞致?lián)p的防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)較為困難而復(fù)雜。
從 1990年起，交通部和湖北省交通廳多次召開(kāi)專(zhuān)門(mén)會(huì)議，邀請(qǐng)有關(guān)單位的專(zhuān)家學(xué)者研
究黃石大橋的防碰撞安全問(wèn)題，探究合理、可靠的防撞方案。1991年底，由交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所梁文娟、陳高增等人提出的"浮式消能防撞設(shè)施"方案被選定。此后，上海船研所受黃石市長(zhǎng)江大橋管理局的委托，在交通部第二航務(wù)工程局第六工程公司、沈陽(yáng)普利司通（Bridgestone）公司和江蘇太倉(cāng)造船廠等單位的配合、支持下完成了防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝和調(diào)試。1997年3月，3號(hào)和4號(hào)主墩的防撞設(shè)施工程完工，1998年12月，5號(hào)和2號(hào)主墩防撞設(shè)施工程完工。
二、黃石長(zhǎng)江大橋主墩浮式消能防撞設(shè)施概況
黃石大橋主墩共四座，其中2號(hào)主墩位于上水航道的淺水區(qū)，所使用的防撞設(shè)施與其他三座主墩防撞設(shè)施外觀相似但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，3號(hào)，4號(hào)，5號(hào)主墩防控設(shè)施需在下列最嚴(yán)重的碰撞事故發(fā)生時(shí)保障大橋主墩的安全：
（l）5000t級(jí)貨輪以6m火速度發(fā)生的橫橋向?qū)χ姓玻?br>
（2）3200t級(jí)船隊(duì)以4m/s速度發(fā)生的橫橋向?qū)χ姓病?br>
黃石大橋主墩的設(shè)計(jì)抗碰撞能力是已定的，為：橫橋向（雙臂）27000kN，順橋向9000KN。
按照計(jì)算，5000噸貨輪直接碰撞橋墩時(shí)，碰撞力可達(dá)32000kN，對(duì)橋墩可能造成嚴(yán)重的破壞,顯然防撞措施是必要的.
黃石長(zhǎng)江大橋3號(hào)，4號(hào)，5號(hào)主墩浮式消能防撞設(shè)施都是由一鋼質(zhì)箱形浮體和安裝于其上的各種橡膠護(hù)舷件組成，見(jiàn)圖1。
鋼質(zhì)浮體的平面形狀呈長(zhǎng)圓形，設(shè)有兩個(gè)上下貫通的矩形開(kāi)孔，橋墩的雙臂從中穿過(guò)，見(jiàn)圖2，鋼質(zhì)浮體的主要參數(shù)如下：
長(zhǎng)度（橫橋方向）30．44m
寬度（順橋方向）21．70m
深度4.00m
水下部分高2.00m
自重約350t
造價(jià)，約450萬(wàn)元
鋼質(zhì)浮體在其長(zhǎng)度方向上被分作兩個(gè)部分制造．運(yùn)輸至橋墩位置后分別嵌套到橋墩上，再用連接件將兩個(gè)半體緊固成一體。從圖3可以看到已經(jīng)嵌套到位的前半體和正在向橋墩推送的后半體。
三．一次船隊(duì)碰撞事故的情況簡(jiǎn)述
1998年夏長(zhǎng)江中上游發(fā)生特大洪水，全線封航，9月2日供水消退恢復(fù)通航，就在這天晚上，長(zhǎng)22033輪第23航次，頂推1000～1500t空駁七艘順?biāo)拢剿?8km／h，八時(shí)剛過(guò)與3號(hào)主墩防撞設(shè)施相撞。船隊(duì)編結(jié)如圖4所示。
碰撞發(fā)生后多根系結(jié)纜繩斷裂，船隊(duì)分解，分別從防撞設(shè)施兩側(cè)漂下，各個(gè)駁船損傷程度不一，其中 J21237，J81058和J21169三艘駁船損壞較為嚴(yán)重，據(jù)檢測(cè)記錄，主要的損壞情況如下：
（1）21237駁：尾部左舷側(cè)板嚴(yán)重變形，長(zhǎng)度6m，高度2m，凹陷深度0．25m，而且部分破裂穿孔；舷側(cè)加強(qiáng)材全部嚴(yán)重變形、扭曲：其上方升高甲板拱凸變形，面積達(dá)8m2；
（2）J21169駁：首尖艙水線2.4m以下全部破損，五根鋼絲繩斷損；
（3）J81058駁：首尖艙左舷近第一空艙隔板處破損凹進(jìn)兩處，各為 1000mm X 50mm，第一艙左舷側(cè)板破裂
12000mm X 600mn，其肋骨變形，斷損，系結(jié)鋼絲繩斷損 3根。
從船隊(duì)的損壞情況看，碰撞是相當(dāng)嚴(yán)重的，但防撞設(shè)施的損壞輕微：鋼護(hù)舷材16m變形，其中破裂兩處，長(zhǎng)度分別為2.lm和3.0m；筒型橡膠護(hù)舷件被掛脫兩個(gè)（但未掉落）；防撞設(shè)施甲板有
3.6m X 0.5m凹陷變形，但未破裂；欄桿有 15檔 X 2m變形，脫焊。最重要的是大橋主墩未呈現(xiàn)任何損壞現(xiàn)象，表面也未發(fā)現(xiàn)任何損傷。
這次碰撞事故的肇事船隊(duì)總質(zhì)量大于一艘載重量2000t的貨輪，但因船隊(duì)散隊(duì)，所以對(duì)防撞設(shè)施的損壞大致相當(dāng)于一艘載重量為500t的貨輪所造成的損壞，橋墩所受碰撞力遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)抗撞能力。
這次事故初步顯示了防撞設(shè)施的功能，它的作用甚至也得到了肇事船舶的肯定。因?yàn)槭鹿实暮蠊芗皶r(shí)、完全地顯示出來(lái)，判斷損失大小和危害程度都比較容易，所以，事故的處理也就比較簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。
四、在設(shè)計(jì)防撞設(shè)施時(shí)的一些考慮
1.最危險(xiǎn)碰撞模式的確定
根據(jù)黃石長(zhǎng)江大橋管理局的要求，防撞設(shè)施應(yīng)在5000t級(jí)貨輪和32000t 級(jí)船隊(duì)（由16艘2000t級(jí)駁船和6000馬力推輪組成）兩種碰撞事故發(fā)生時(shí)保證大橋主墩的安全。計(jì)算表明，在船隊(duì)碰撞過(guò)程的初期，即因系結(jié)纜繩的斷裂而解體，此后僅是一艘或幾艘駁船對(duì)防撞設(shè)施的碰撞，其質(zhì)量遠(yuǎn)小于整個(gè)船隊(duì)，因之最終事故后果也較輕。以下是對(duì)32000t船隊(duì)的碰撞計(jì)算的部分結(jié)果：
（1）碰撞開(kāi)始時(shí)（設(shè)定時(shí)間坐標(biāo) T= 0），船速 V= 4.0m；
(2)當(dāng)T= 0．6s時(shí)，鼓型橡膠護(hù)舷件受完全壓縮，船速V= 3. 9m，加速度A= 0．193m／s2，在運(yùn)動(dòng)方向的慣性力為F=
496kN，作用于主墩的碰撞力CF＝8800kN；
（3）當(dāng)T＝2s時(shí)，船速V= 3．55m/s，加速度A＝0．4m/s2，在運(yùn)動(dòng)方向的慣性力為F＝1028kN，作用于主墩的碰撞力CF=
20000kN；
（4）當(dāng)T= 2．6s時(shí)，船速V= 3．0m/s,加速度A＝0．6m/s2，在運(yùn)動(dòng)方向的慣性力為F=
1542kN，作用于主墩的碰撞力CF= 26000kN；
船隊(duì)的各個(gè)駁船間的系結(jié)纜繩與船舶運(yùn)動(dòng)方向有約700的夾角，故作用于纜繩的拉伸力之和約為上述運(yùn)動(dòng)方向慣性力的三倍，如使用四根直徑為
24. 5mm的 D型 6 X 24鋼絲繩（破斷拉力為270kN）時(shí)，在前述T＝0．6S階段時(shí)便已斷裂，船隊(duì)解體，如使用直徑稍大或數(shù)量更多根的纜繩系結(jié)，纜繩也將在碰撞力還小于橋墩抗撞力時(shí)發(fā)生斷裂，都不至于對(duì)大橋主墩造成嚴(yán)重危害。但是5000t級(jí)貨輪以6.
0m／s的速度碰撞時(shí)，橋墩所受的碰撞力可以達(dá)到23200kN，其危害性顯然更大，故將其定為最嚴(yán)重碰撞模式。
2．一個(gè)重要原則
在碰撞過(guò)程中，大橋（主墩），防撞設(shè)施和船舶（或船隊(duì)）組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，巨大的船舶動(dòng)能在極短暫的時(shí)間過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)化，各個(gè)組成單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生強(qiáng)烈的改變，要使全部組成單元保持完好無(wú)損是困難的，在經(jīng)濟(jì)上也是不合理的。由于橋、船和防撞設(shè)施都是造價(jià)昂貴的工程建筑物，所以，對(duì)于設(shè)計(jì)防撞設(shè)施的目的和要求，各有關(guān)方面有不同的觀點(diǎn)。設(shè)計(jì)中是按照下列原則處理的：
（1）大橋的破壞后果最為嚴(yán)重，確保橋梁安全是防撞設(shè)施設(shè)計(jì)的首要目的，為了保證大橋的安全，即使防撞設(shè)施和船舶損壞，也是合理的、必要的；
（2）防撞設(shè)施的損壞是允許的，但應(yīng)易于修復(fù)，而且應(yīng)盡可能在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，以使大橋不失受保護(hù)狀態(tài)。
（3）船舶是碰撞事故的責(zé)任方，但船舶的沉沒(méi)也是極大的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響航道暢通，應(yīng)于避免，所以，對(duì)船舶的保護(hù)在防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)中也應(yīng)給予必要的適度考慮，應(yīng)避免沉船事故。
3．對(duì)碰撞嚴(yán)重程度和防撞設(shè)施功能的分級(jí)
下列為設(shè)計(jì)中考慮的三種事故嚴(yán)重程度：
（1）嚴(yán)重碰撞： 5000t級(jí)貨輪以 6m／s速度的碰撞，船舶動(dòng)能 145MJ；
（2）中等程度碰撞： 1000～2000t級(jí)船舶以 3.0～5.0m／s速度的碰撞，船舶動(dòng)能為 10～50MJ；
（ 3）多見(jiàn)小能量碰撞： 500t以下貨輪以 3.0～ 5.0m／s速度的碰撞，船舶動(dòng)能為 4～ 12MJ；
由于防控設(shè)施在碰撞過(guò)程中的"消能"（實(shí)際為船舶的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)的
變形和破壞）和緩沖作用，碰撞后果的嚴(yán)重程度見(jiàn)表1所列。
上表1所列之防撞設(shè)施和船舶損壞情況可看作防撞設(shè)施的防撞功能的數(shù)量表示，前述
三碰撞程度分級(jí)以及防撞設(shè)施的防撞功能分級(jí)基本上包括并滿足了大橋建設(shè)單位所考慮的
獎(jiǎng)撞事故嚴(yán)重程度的范圍和對(duì)防撞設(shè)施主要功能要求。
4．防撞設(shè)施主體
（l）防撞設(shè)施主體的結(jié)構(gòu)
防撞設(shè)施主體的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于船體結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外圍壁，底板，上甲板，下甲板，縱、橫艙壁等板架構(gòu)件組成，這些構(gòu)件將浮箱分隔為若干個(gè)水密區(qū)域，防撞設(shè)施各個(gè)構(gòu)件的布置和組成件尺度應(yīng)符合下述要求：
a. 當(dāng)受到嚴(yán)重碰撞時(shí)能通過(guò)自身的變形和破壞充分吸收船舶動(dòng)能，減少對(duì)橋墩的碰撞力；當(dāng)受到較小的碰撞時(shí)又能有足夠的強(qiáng)度和抗變形能力，盡可能保持防撞設(shè)施的整體完好性。
b．在無(wú)事故發(fā)生時(shí)具有充分的浮力，靈活、方便地使用壓載水使防撞設(shè)施保持良好的浮態(tài)。在受撞破損后，能使破損范圍限制在一定區(qū)域內(nèi)，防撞設(shè)施仍可保持必須的浮力和必要的浮態(tài)，不發(fā)生沉沒(méi)，使防撞設(shè)施修復(fù)方便；
C．能夠可靠、方便地安裝各種必要的設(shè)備、裝備，例如各種橡膠護(hù)舷件等。
由于橋墩和防撞設(shè)施分別施工，必須把防撞設(shè)施分解為若干個(gè)部分制造，然后再在橋墩處合并、安裝。如前所述，黃石大橋的浮式消能防撞設(shè)施是分作前、后兩個(gè)半體分別制作的，這對(duì)于設(shè)施的制造、運(yùn)輸和安裝都較為有利，特別對(duì)防撞功能的可靠性有利。黃石大橋防撞設(shè)施的連接面位于縱向長(zhǎng)度的后1/3處，避免連接面構(gòu)造因被撞損壞，對(duì)聯(lián)結(jié)面構(gòu)造作了特別的處理，可以在水面以上用螺栓將兩個(gè)半體連接成一體，施工較為方便。
（2)橡膠護(hù)舷件的使用和能量吸收問(wèn)題
在黃石大橋防撞設(shè)施上使用了三類(lèi)橡膠護(hù)舷件，使用目的各有側(cè)重：
a．鼓型橡膠護(hù)舷件，具有較大的吸能作用，承受危險(xiǎn)性較大的橫橋向碰撞時(shí)，可以吸收較多的能量，保持橋墩正面（迎流面）不受損壞，使防撞設(shè)施隨水位變化而自由升落；
b．拱型橡膠護(hù)舷件，保持橋墩側(cè)面和后面，使設(shè)施能隨水位變化而升落；
C．筒型橡膠護(hù)舷件，懸掛于設(shè)施的外圍壁上，減小船舶和設(shè)施自身的損壞程度。
橡膠防撞物雖有變形吸能的作用，但具有較高速度的大噸位船舶帶有極大的功能，對(duì)于此類(lèi)碰撞橡膠防撞物所起作用甚小，絕大多數(shù)的船舶動(dòng)能都是由船舶及防控設(shè)施的變形與破壞吸收，表2是一些計(jì)算結(jié)果。
在浮式消能防撞設(shè)施設(shè)計(jì)過(guò)程中也曾經(jīng)有過(guò)設(shè)想：盡量多地采用橡液制品，利用橡膠材料變形吸能并能恢復(fù)原狀的特性，使在保護(hù)橋墩安全的同時(shí)，既不發(fā)生船舶的損壞也不發(fā)生防撞設(shè)施自身的破壞。由于龐大的橡膠防撞件的制作技術(shù)的困難和制作費(fèi)用的昂貴，目前看來(lái)這種極其理想的方法尚難實(shí)現(xiàn)。
五、結(jié)束語(yǔ)
黃石長(zhǎng)江大橋主墩的浮式消能防撞設(shè)施從提出方案到工程竣工大約有八年時(shí)間，其間建設(shè)單位、領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)和施工單位的領(lǐng)導(dǎo)、科技人員和工人都付出了辛勤勞動(dòng)和智慧，有關(guān)各方的團(tuán)結(jié)合作和互相支持是勝利完成這項(xiàng)任務(wù)的保證。謹(jǐn)借本文發(fā)表之際表示我們深摯的謝意。
本文涉及的內(nèi)容主要取自設(shè)計(jì)資料。交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的許多技術(shù)人員參與了這項(xiàng)工作，他們的心血和智慧取得了極有價(jià)值的成果。
希望本文的發(fā)表能得到有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者的批評(píng)和指教。
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