黄石长江大桥主墩防撞设施设计

一、前言
黄石长江公路大桥是一座特大型的连续刚构预应力混凝土桥梁，其连续刚构长度达 1060m，三个通航主跨跨距各为245m。黄石大桥主墩的防撞安全问题受到大桥建设单位, 各级领导部门、设计和研究单位的关注，主要基于下述原因：
（1）桥位于长江航道弯曲段，受下水船舶碰撞机会较大；
（2）主墩为双臂型薄壁墩，抗碰撞能力较小；
（3）预应力混凝土的连续刚构桥面因桥墩损坏可能造成桥梁整体破坏，事故后果特别严重。但是在黄石大桥上采取防撞措施也存在着重大的困难和受到严格的限制，主要是：
（l）可能发生碰撞的船舶吨位较大、速度较高，碰撞能量巨大，碰撞事故后果极为严重；
（2）要保证主墩间通航净距不小于220m，这使～些能承受巨大碰撞事故的防撞方案无法应用；
（3）黄石长江段的水位落差可达17m，这使得能在全高度范围内防止桥墩被撞致损的防撞设施的设计较为困难而复杂。
从 1990年起，交通部和湖北省交通厅多次召开专门会议，邀请有关单位的专家学者研
究黄石大桥的防碰撞安全问题，探究合理、可靠的防撞方案。1991年底，由交通部上海船舶运输科学研究所梁文娟、陈高增等人提出的"浮式消能防撞设施"方案被选定。此后，上海船研所受黄石市长江大桥管理局的委托，在交通部第二航务工程局第六工程公司、沈阳普利司通（Bridgestone）公司和江苏太仓造船厂等单位的配合、支持下完成了防撞设施的设计、制造、运输、安装和调试。1997年3月，3号和4号主墩的防撞设施工程完工，1998年12月，5号和2号主墩防撞设施工程完工。

二、黄石长江大桥主墩浮式消能防撞设施概况
黄石大桥主墩共四座，其中2号主墩位于上水航道的浅水区，所使用的防撞设施与其他三座主墩防撞设施外观相似但结构简化，3号，4号，5号主墩防控设施需在下列最严重的碰撞事故发生时保障大桥主墩的安全：
（l）5000t级货轮以6m火速度发生的横桥向对中正撞；
（2）3200t级船队以4m/s速度发生的横桥向对中正撞。
黄石大桥主墩的设计抗碰撞能力是已定的，为：横桥向（双臂）27000kN，顺桥向9000KN。
按照计算，5000吨货轮直接碰撞桥墩时，碰撞力可达32000kN，对桥墩可能造成严重的破坏,显然防撞措施是必要的.
黄石长江大桥3号，4号，5号主墩浮式消能防撞设施都是由一钢质箱形浮体和安装于其上的各种橡胶护舷件组成，见图1。

钢质浮体的平面形状呈长圆形，设有两个上下贯通的矩形开孔，桥墩的双臂从中穿过，见图2，钢质浮体的主要参数如下：
长度（横桥方向）30．44m
宽度（顺桥方向）21．70m
深度4.00m
水下部分高2.00m
自重约350t
造价，约450万元

钢质浮体在其长度方向上被分作两个部分制造．运输至桥墩位置后分别嵌套到桥墩上，再用连接件将两个半体紧固成一体。从图3可以看到已经嵌套到位的前半体和正在向桥墩推送的后半体。


三．一次船队碰撞事故的情况简述
1998年夏长江中上游发生特大洪水，全线封航，9月2日供水消退恢复通航，就在这天晚上，长22033轮第23航次，顶推1000～1500t空驳七艘顺水而下，航速18km／h，八时刚过与3号主墩防撞设施相撞。船队编结如图4所示。

碰撞发生后多根系结缆绳断裂，船队分解，分别从防撞设施两侧漂下，各个驳船损伤程度不一，其中 J21237，J81058和J21169三艘驳船损坏较为严重，据检测记录，主要的损坏情况如下：
（1）21237驳：尾部左舷侧板严重变形，长度6m，高度2m，凹陷深度0．25m，而且部分破裂穿孔；舷侧加强材全部严重变形、扭曲：其上方升高甲板拱凸变形，面积达8m2；
（2）J21169驳：首尖舱水线2.4m以下全部破损，五根钢丝绳断损；
（3）J81058驳：首尖舱左舷近第一空舱隔板处破损凹进两处，各为 1000mm X 50mm，第一舱左舷侧板破裂 12000mm X 600mn，其肋骨变形，断损，系结钢丝绳断损 3根。
从船队的损坏情况看，碰撞是相当严重的，但防撞设施的损坏轻微：钢护舷材16m变形，其中破裂两处，长度分别为2.lm和3.0m；筒型橡胶护舷件被挂脱两个（但未掉落）；防撞设施甲板有 3.6m X 0.5m凹陷变形，但未破裂；栏杆有 15档 X 2m变形，脱焊。最重要的是大桥主墩未呈现任何损坏现象，表面也未发现任何损伤。
这次碰撞事故的肇事船队总质量大于一艘载重量2000t的货轮，但因船队散队，所以对防撞设施的损坏大致相当于一艘载重量为500t的货轮所造成的损坏，桥墩所受碰撞力远小于其设计抗撞能力。
这次事故初步显示了防撞设施的功能，它的作用甚至也得到了肇事船舶的肯定。因为事故的后果能及时、完全地显示出来，判断损失大小和危害程度都比较容易，所以，事故的处理也就比较简单、准确。

四、在设计防撞设施时的一些考虑
1.最危险碰撞模式的确定
根据黄石长江大桥管理局的要求，防撞设施应在5000t级货轮和32000t 级船队（由16艘2000t级驳船和6000马力推轮组成）两种碰撞事故发生时保证大桥主墩的安全。计算表明，在船队碰撞过程的初期，即因系结缆绳的断裂而解体，此后仅是一艘或几艘驳船对防撞设施的碰撞，其质量远小于整个船队，因之最终事故后果也较轻。以下是对32000t船队的碰撞计算的部分结果：
（1）碰撞开始时（设定时间坐标 T= 0），船速 V= 4.0m；
(2)当T= 0．6s时，鼓型橡胶护舷件受完全压缩，船速V= 3. 9m，加速度A= 0．193m／s2，在运动方向的惯性力为F= 496kN，作用于主墩的碰撞力CF＝8800kN；
（3）当T＝2s时，船速V= 3．55m/s，加速度A＝0．4m/s2，在运动方向的惯性力为F＝1028kN，作用于主墩的碰撞力CF= 20000kN；
（4）当T= 2．6s时，船速V= 3．0m/s,加速度A＝0．6m/s2，在运动方向的惯性力为F= 1542kN，作用于主墩的碰撞力CF= 26000kN；
船队的各个驳船间的系结缆绳与船舶运动方向有约700的夹角，故作用于缆绳的拉伸力之和约为上述运动方向惯性力的三倍，如使用四根直径为 24. 5mm的 D型 6 X 24钢丝绳（破断拉力为270kN）时，在前述T＝0．6S阶段时便已断裂，船队解体，如使用直径稍大或数量更多根的缆绳系结，缆绳也将在碰撞力还小于桥墩抗撞力时发生断裂，都不至于对大桥主墩造成严重危害。但是5000t级货轮以6. 0m／s的速度碰撞时，桥墩所受的碰撞力可以达到23200kN，其危害性显然更大，故将其定为最严重碰撞模式。
2．一个重要原则
在碰撞过程中，大桥（主墩），防撞设施和船舶（或船队）组成一个运动系统，巨大的船舶动能在极短暂的时间过程中发生转化，各个组成单元的运动状态发生强烈的改变，要使全部组成单元保持完好无损是困难的，在经济上也是不合理的。由于桥、船和防撞设施都是造价昂贵的工程建筑物，所以，对于设计防撞设施的目的和要求，各有关方面有不同的观点。设计中是按照下列原则处理的：
（1）大桥的破坏后果最为严重，确保桥梁安全是防撞设施设计的首要目的，为了保证大桥的安全，即使防撞设施和船舶损坏，也是合理的、必要的；
（2）防撞设施的损坏是允许的，但应易于修复，而且应尽可能在现场修复，以使大桥不失受保护状态。
（3）船舶是碰撞事故的责任方，但船舶的沉没也是极大的经济损失，而且影响航道畅通，应于避免，所以，对船舶的保护在防撞设施的设计中也应给予必要的适度考虑，应避免沉船事故。
3．对碰撞严重程度和防撞设施功能的分级
下列为设计中考虑的三种事故严重程度：
（1）严重碰撞： 5000t级货轮以 6m／s速度的碰撞，船舶动能 145MJ；
（2）中等程度碰撞： 1000～2000t级船舶以 3.0～5.0m／s速度的碰撞，船舶动能为 10～50MJ；
（ 3）多见小能量碰撞： 500t以下货轮以 3.0～ 5.0m／s速度的碰撞，船舶动能为 4～ 12MJ；
由于防控设施在碰撞过程中的"消能"（实际为船舶的部分动能转换为防撞设施结构的
变形和破坏）和缓冲作用，碰撞后果的严重程度见表1所列。

上表1所列之防撞设施和船舶损坏情况可看作防撞设施的防撞功能的数量表示，前述
三碰撞程度分级以及防撞设施的防撞功能分级基本上包括并满足了大桥建设单位所考虑的
奖撞事故严重程度的范围和对防撞设施主要功能要求。
4．防撞设施主体
（l）防撞设施主体的结构
防撞设施主体的结构类似于船体结构，由内外围壁，底板，上甲板，下甲板，纵、横舱壁等板架构件组成，这些构件将浮箱分隔为若干个水密区域，防撞设施各个构件的布置和组成件尺度应符合下述要求：
a. 当受到严重碰撞时能通过自身的变形和破坏充分吸收船舶动能，减少对桥墩的碰撞力；当受到较小的碰撞时又能有足够的强度和抗变形能力，尽可能保持防撞设施的整体完好性。

b．在无事故发生时具有充分的浮力，灵活、方便地使用压载水使防撞设施保持良好的浮态。在受撞破损后，能使破损范围限制在一定区域内，防撞设施仍可保持必须的浮力和必要的浮态，不发生沉没，使防撞设施修复方便；
C．能够可靠、方便地安装各种必要的设备、装备，例如各种橡胶护舷件等。

由于桥墩和防撞设施分别施工，必须把防撞设施分解为若干个部分制造，然后再在桥墩处合并、安装。如前所述，黄石大桥的浮式消能防撞设施是分作前、后两个半体分别制作的，这对于设施的制造、运输和安装都较为有利，特别对防撞功能的可靠性有利。黄石大桥防撞设施的连接面位于纵向长度的后1/3处，避免连接面构造因被撞损坏，对联结面构造作了特别的处理，可以在水面以上用螺栓将两个半体连接成一体，施工较为方便。
（2)橡胶护舷件的使用和能量吸收问题
在黄石大桥防撞设施上使用了三类橡胶护舷件，使用目的各有侧重：
a．鼓型橡胶护舷件，具有较大的吸能作用，承受危险性较大的横桥向碰撞时，可以吸收较多的能量，保持桥墩正面（迎流面）不受损坏，使防撞设施随水位变化而自由升落；
b．拱型橡胶护舷件，保持桥墩侧面和后面，使设施能随水位变化而升落；
C．筒型橡胶护舷件，悬挂于设施的外围壁上，减小船舶和设施自身的损坏程度。
橡胶防撞物虽有变形吸能的作用，但具有较高速度的大吨位船舶带有极大的功能，对于此类碰撞橡胶防撞物所起作用甚小，绝大多数的船舶动能都是由船舶及防控设施的变形与破坏吸收，表2是一些计算结果。

在浮式消能防撞设施设计过程中也曾经有过设想：尽量多地采用橡液制品，利用橡胶材料变形吸能并能恢复原状的特性，使在保护桥墩安全的同时，既不发生船舶的损坏也不发生防撞设施自身的破坏。由于庞大的橡胶防撞件的制作技术的困难和制作费用的昂贵，目前看来这种极其理想的方法尚难实现。

五、结束语
黄石长江大桥主墩的浮式消能防撞设施从提出方案到工程竣工大约有八年时间，其间建设单位、领导部门和施工单位的领导、科技人员和工人都付出了辛勤劳动和智慧，有关各方的团结合作和互相支持是胜利完成这项任务的保证。谨借本文发表之际表示我们深挚的谢意。
本文涉及的内容主要取自设计资料。交通部上海船舶运输科学研究所的许多技术人员参与了这项工作，他们的心血和智慧取得了极有价值的成果。
希望本文的发表能得到有关专家学者的批评和指教。

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