【摘要】已建橋梁防控設(shè)施一般都有以下特點(diǎn)：①橋梁防控部位在墩臺；②水位落差不大；③設(shè)防處地勢平緩。而本橋?yàn)槿嵝灾鞴叭κ茏玻宦洳罡哌_(dá)30m，設(shè)防處地勢陡峻，這諸多不利因素給防撞設(shè)計(jì)帶來極大困難。根據(jù)其與眾不同的特點(diǎn)，本橋通過方案比選，設(shè)計(jì)了適應(yīng)環(huán)境的轉(zhuǎn)軸支撐浮箱防撞裝置，在此予以交流。
關(guān)鍵詞 橋梁 防撞 設(shè)計(jì)
一、概述
巫峽長江大橋位于巫山縣下游2km的長江巫峽入口處，橋址河岸陡峻，江面狹窄，呈典型的U型河谷。橋型為上承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑400m，矢跨比1／5，橋?qū)?9m，主橋一孔跨過長江，拱腳直接支承在兩岸岸坡基巖上。
本橋位于三峽庫區(qū)，受三峽水位控制。測時水位吳凇高程74.27m，300年一遇水位118．00m，而三峽水庫形成后，蓄水最低水位145．0（m），最高水位175．10m，落差30m。
本橋鋼管混凝土主拱起拱線標(biāo)高155．64m，通航控制水位175．10m，通航凈高18m。即本共腳以上37．46m（靠拱腳40m）范圍內(nèi)供圈均在通航凈空線以下，著輪船操作失誤或發(fā)生機(jī)械故障，該部分鋼管混凝土主拱圈就有被撞擊的可能。
二、撞擊力
巫峽長江大橋河段現(xiàn)為 Ⅱ級 航道，三峽工程正常蓄水后，河段將提高為1一（2）級航道，通行的代表性輪船及船隊(duì)如表1。
關(guān)于輪船撞擊力的計(jì)算公式很多，各規(guī)范規(guī)定也不同。我國公路橋規(guī)規(guī)定一級航道橫橋向撞擊力900kN，順橋向撞擊力700kN；我國鐵路規(guī)范公式計(jì)算為橫橋向撞擊力10260kN，順橋向撞擊力5l30kN；而美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范橫橋撞擊力則達(dá)34000kN，約為我國公路《橋規(guī)》的38倍。所收集到的國內(nèi)外的部分橋梁的船速、撞擊能、撞擊力也各不相同，相差甚大。
三、防撞方案設(shè)計(jì)
1．本橋防撞設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
（1）本橋?yàn)橹鞴叭κ茏玻緲蚬叭p盈，抵抗撞擊力較弱，且防撞面大，撞擊力值的選取，將對防撞裝置造價產(chǎn)生巨大影響。
（2）本橋位于三峽庫區(qū)，高低水位落差高達(dá)30m。為阻擋船舶撞擊拱圈，防撞裝置必須
隨水位變化，始終保持在水面位置。
（3）兩岸岸坡地勢陡峻，要同時兼顧水位和地勢，設(shè)置防撞裝置難度很大。
（4）防撞裝置設(shè)防線處，水深很大（64．4m)，且水深變化非常大。
（5）河道通航等級較高，輪船撞擊能量較大。
2．防撞設(shè)計(jì)選擇方向
（1）本橋主拱圈直接受輪船撞擊威脅，主體結(jié)構(gòu)安全受到影響。因此須設(shè)計(jì)強(qiáng)有力的防撞設(shè)施，確保拱圈不受撞擊，或只承受桅桿撞擊。
(2）設(shè)置明顯的、較密集的導(dǎo)航標(biāo)志，加強(qiáng)對航船的引導(dǎo)，避免對橋梁的撞擊。
3．防撞設(shè)計(jì)方案選擇
（l）方案一：轉(zhuǎn)軸支撐浮箱方案（圖1）
距拱腳40m（水位175．10m時）處，兩岸各設(shè)一八字形鋼浮箱，鋼浮箱通過鋼管桁架支撐于起拱線下方的鋼管混凝土轉(zhuǎn)軸，隨水位的漲落，浮箱繞轉(zhuǎn)軸按圓弧軌跡升降。
八字形浮箱兩端，為防止失誤輪船繞道從八字形浮箱背后撞擊拱圈，在八字形端部與河岸間增設(shè)一段無撐架浮箱，該浮箱一端用長圓孔套在河岸的鋼管混凝土立柱上，另一端與八字形端部鉸接相連，并支于八字形端頭牛腿上。船舶撞擊時，允許該浮箱比其他部分的浮箱損壞嚴(yán)重些，但不得危及拱圖安全。
在浮箱靠航道側(cè)，設(shè)有V形橡膠緩沖體，浮箱與支撐柱間，用多股鋼絲繩連接。當(dāng)輪船撞向浮箱時，首先接觸橡膠體，橡膠體緩沖、擴(kuò)散后，撞擊力和能量再傳到浮箱→桁架→轉(zhuǎn)軸→支座混凝土體，鋼絲繩防止浮箱在豎直切向分力作用下繞軸翻轉(zhuǎn)而喪失抵抗力。
鋼絲繩通過設(shè)在浮箱和支撐柱上的滑輪組按受力繞成多股，在浮箱上設(shè)有鋼絲繩卷盤和卷揚(yáng)機(jī)。當(dāng)浮箱隨水位上浮（稍超正常淹沒線）時，在浮球作用下，閘閥打開，鋼絲繩放松,增長，水位四至正常淹沒線時，閘間重新將鋼絲卡牢。水位下降時，卷揚(yáng)機(jī)在簡易機(jī)械的控制下收緊鋼絲繩，并將其卡住。
浮箱頂面設(shè)置航標(biāo)導(dǎo)航。
(2）方案二 鋼管柱垂直升降浮箱（圖2）
距拱腳40m，設(shè)置八字形的鋼浮箱，浮箱靠航道側(cè)設(shè)有V形緩沖橡膠體，浮箱分三段：中間直段和兩端段。每段浮箱套在三根以上的鋼管柱上，隨水位的漲落，浮箱沿鋼管垂直升
降。鋼管柱由兩段構(gòu)成，下段內(nèi)澆混凝土，形成鋼管混凝土；上段為空鋼箱，其內(nèi)徑比下段外徑稍大，套在下段鋼管外面。在浮箱升降的帶動下，鋼管樁可伸長縮短，從而降低低水位時鋼管柱的柱頂標(biāo)高，減小鋼管樁對主拱圈的干擾和遮擋，改善視覺效果。
浮箱頂面設(shè)置航標(biāo)導(dǎo)航。
上、下游八字墻端部與岸坡錨固點(diǎn)（標(biāo)高175．10m）間用鋼絲繩連接，鋼絲繩上等距布置航標(biāo)船，以防輪船從八字形浮背后繞行。航標(biāo)船設(shè)置定位錨索，以保持航標(biāo)船的準(zhǔn)確位置，形成弧形導(dǎo)航曲線。
(3)方案三 ，強(qiáng)化導(dǎo)航標(biāo)志（圖三）
在航道邊緣（距起拱線40m外）的橋軸線和上、下游各設(shè)一根與方案二相似的雙節(jié)鋼管樁，每樁頂設(shè)一個圓形浮箱；在浮箱上下游標(biāo)高為175．lm處的岸上設(shè)兩鋼纜錨固點(diǎn)，用鋼纜將上游錨點(diǎn)一上游浮箱一橋軸浮箱一下游浮箱一下游錨點(diǎn)相連，形成橢圓形。在鋼纜上較密集地固定航標(biāo)船，并用定位錨索控制其位置，使其醒目地勾劃出航道邊界，從而避免和減少船只對橋梁的碰撞。
4．各防撞方案的利弊及方案選擇
方案一：撞擊的抵抗能力最強(qiáng)，能有效避免拱圈受撞，碰撞時輪船和防撞設(shè)施破損均不嚴(yán)重，易于修復(fù)。此方案施工難度較大，造價最高，對景觀影響較小。
方案二：撞擊抵抗能力較弱，只能減弱輪船的撞擊能量，減小對拱圈威脅。撞擊時自身（樁柱）的損傷較嚴(yán)重，修復(fù)難度大。造型簡潔，施工較第一方案容易，造價比第一方案低，但外套鋼管樁始終沒入水中，養(yǎng)護(hù)維修較困難。
方案三：僅起導(dǎo)航警示作用，對撞擊無阻擋作用，但其施工簡單，造價省，對橋梁美觀的影響也小。
從抗撞能力和對拱圈的有效保護(hù)考慮，選擇轉(zhuǎn)軸支撐浮箱方案（第一方案）作為設(shè)計(jì)方案。
四、抗撞能力檢校
據(jù)現(xiàn)有資料查得的國內(nèi)外橋梁防撞裝置，均為墩臺承受撞擊，且不乏橋梁損毀事例。本橋?yàn)槿嵝怨叭Γ覟樯喜繕?gòu)造受撞，這是尚無先例的。何況橋位處水位落差巨大，岸坡陡峻，防撞裝置設(shè)置十分艱難。撞擊力的取值，將對防撞設(shè)施的設(shè)置和造價產(chǎn)生巨大影響。
為了安全、合理、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)防撞裝置，本橋的防撞設(shè)計(jì)委托上海船舶研究所進(jìn)行了模擬撞擊計(jì)算。
模擬計(jì)算的代表船型如表2。
按以上客貨輪代表船型和碰撞速度，及可能的最不利的撞擊角度（45o），模擬撞擊計(jì)算結(jié)果如表⒊。
從表中結(jié)果可知，在最大撞擊力的作用下，本設(shè)計(jì)能阻擋住失控的輪船，保護(hù)拱圈安全。在最大力撞擊下受撞擊浮箱局部破損嚴(yán)重，船舶也有一定程度損傷，兩者均無重大傷害，修復(fù)難度和費(fèi)用不高，此防撞設(shè)計(jì)是成功的，但局部細(xì)節(jié)還可進(jìn)一步優(yōu)化。
對于拱圈，在防撞裝置受損的狀況下，有可能受到輪船桅桿的撞擊，按《美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范--荷載與抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法SI單位第一版1994年》規(guī)定：桅桿撞擊力為船舶撞擊力的 1／10。
本橋?qū)⒋肆ψ饔迷诰喙澳_水平距離40m處拱圈側(cè)面，進(jìn)行了仿真分析，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力如表4。
在船舶（桅桿）撞擊力作用下，碰撞處局部撐桿鋼管應(yīng)力達(dá)251．31MPa，小于16錳（Q345）鋼容許應(yīng)力（200 XI． 3＝ 260MPa），滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，但已無更大的抗撞儲備。除撞擊處外，其余桿件受力均很小。
五、防撞的經(jīng)濟(jì)代價
本防船舶碰撞裝置規(guī)模十分龐大：順河向長 155m，順橋向 2 X 42． 5m，浮箱長 2 X 229m。除影響橋區(qū)景觀，壓縮航道寬度外，工程數(shù)量十分巨大，直接工程費(fèi)2171．03萬元，占橋梁主體直接造價（ 8795． 09萬元）的 1／4或總造價的 1／5如表5。
六、結(jié)語
在岸坡陡峻，水位變幅大的條件下怎么設(shè)計(jì)防撞裝置？在沒有類似工程事例的情況下，巫峽長江大橋通過自己的探索，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)軸支撐浮箱防撞裝置，適應(yīng)了防撞需要，基本是成功的。同行在類似情況下進(jìn)行橋型比選和防碰撞設(shè)計(jì)時，有一定參考價值。
如何根據(jù)航道情況確定碰撞速度和碰撞不利角度，如何確定船舶隊(duì)在撞擊過程中的相互作用，是決定碰撞能量和碰撞力的關(guān)鍵，是決定防撞裝置尺寸的關(guān)鍵。我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究以上問題，認(rèn)真研究防撞方法及其細(xì)部構(gòu)造，設(shè)計(jì)出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、美觀輕巧的防撞裝置。
參考文獻(xiàn)
【1】美國各州公路和運(yùn)輸工作協(xié)會（AASHTO） ．美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范--荷載與抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法SI單位第一版 1994年
