【摘要】本文介紹了黃石長江大橋主墩防撞設施研究設計過程，以及防撞設施的構造、功能特點，供橋墩防撞設施設計時查考。
關鍵詞 橋墩 船舶碰撞 防撞設施
一、前言
黃石長江公路大橋是一座特大型的連續剛構預應力混凝土橋梁，其連續剛構長度達 1060m，三個通航主跨跨距各為245m。黃石大橋主墩的防撞安全問題受到大橋建設單位,
各級領導部門、設計和研究單位的關注，主要基于下述原因：
（1）橋位于長江航道彎曲段，受下水船舶碰撞機會較大；
（2）主墩為雙臂型薄壁墩，抗碰撞能力較小；
（3）預應力混凝土的連續剛構橋面因橋墩損壞可能造成橋梁整體破壞，事故后果特別嚴重。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格的限制，主要是：
（l）可能發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法應用；
（3）黃石長江段的水位落差可達17m，這使得能在全高度范圍內防止橋墩被撞致損的防撞設施的設計較為困難而復雜。
從 1990年起，交通部和湖北省交通廳多次召開專門會議，邀請有關單位的專家學者研
究黃石大橋的防碰撞安全問題，探究合理、可靠的防撞方案。1991年底，由交通部上海船舶運輸科學研究所梁文娟、陳高增等人提出的"浮式消能防撞設施"方案被選定。此后，上海船研所受黃石市長江大橋管理局的委托，在交通部第二航務工程局第六工程公司、沈陽普利司通（Bridgestone）公司和江蘇太倉造船廠等單位的配合、支持下完成了防撞設施的設計、制造、運輸、安裝和調試。1997年3月，3號和4號主墩的防撞設施工程完工，1998年12月，5號和2號主墩防撞設施工程完工。
二、黃石長江大橋主墩浮式消能防撞設施概況
黃石大橋主墩共四座，其中2號主墩位于上水航道的淺水區，所使用的防撞設施與其他三座主墩防撞設施外觀相似但結構簡化，3號，4號，5號主墩防控設施需在下列最嚴重的碰撞事故發生時保障大橋主墩的安全：
（l）5000t級貨輪以6m火速度發生的橫橋向對中正撞；
（2）3200t級船隊以4m/s速度發生的橫橋向對中正撞。
黃石大橋主墩的設計抗碰撞能力是已定的，為：橫橋向（雙臂）27000kN，順橋向9000KN。
按照計算，5000噸貨輪直接碰撞橋墩時，碰撞力可達32000kN，對橋墩可能造成嚴重的破壞,顯然防撞措施是必要的.
黃石長江大橋3號，4號，5號主墩浮式消能防撞設施都是由一鋼質箱形浮體和安裝于其上的各種橡膠護舷件組成，見圖1。
鋼質浮體的平面形狀呈長圓形，設有兩個上下貫通的矩形開孔，橋墩的雙臂從中穿過，見圖2，鋼質浮體的主要參數如下：
長度（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，約450萬元
鋼質浮體在其長度方向上被分作兩個部分制造．運輸至橋墩位置后分別嵌套到橋墩上，再用連接件將兩個半體緊固成一體。從圖3可以看到已經嵌套到位的前半體和正在向橋墩推送的后半體。
三．一次船隊碰撞事故的情況簡述
1998年夏長江中上游發生特大洪水，全線封航，9月2日供水消退恢復通航，就在這天晚上，長22033輪第23航次，頂推1000～1500t空駁七艘順水而下，航速18km／h，八時剛過與3號主墩防撞設施相撞。船隊編結如圖4所示。
碰撞發生后多根系結纜繩斷裂，船隊分解，分別從防撞設施兩側漂下，各個駁船損傷程度不一，其中 J21237，J81058和J21169三艘駁船損壞較為嚴重，據檢測記錄，主要的損壞情況如下：
（1）21237駁：尾部左舷側板嚴重變形，長度6m，高度2m，凹陷深度0．25m，而且部分破裂穿孔；舷側加強材全部嚴重變形、扭曲：其上方升高甲板拱凸變形，面積達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兩處，各為 1000mm X 50mm，第一艙左舷側板破裂
12000mm X 600mn，其肋骨變形，斷損，系結鋼絲繩斷損 3根。
從船隊的損壞情況看，碰撞是相當嚴重的，但防撞設施的損壞輕微：鋼護舷材16m變形，其中破裂兩處，長度分別為2.lm和3.0m；筒型橡膠護舷件被掛脫兩個（但未掉落）；防撞設施甲板有
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任何損壞現象，表面也未發現任何損傷。
這次碰撞事故的肇事船隊總質量大于一艘載重量2000t的貨輪，但因船隊散隊，所以對防撞設施的損壞大致相當于一艘載重量為500t的貨輪所造成的損壞，橋墩所受碰撞力遠小于其設計抗撞能力。
這次事故初步顯示了防撞設施的功能，它的作用甚至也得到了肇事船舶的肯定。因為事故的后果能及時、完全地顯示出來，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單、準確。
四、在設計防撞設施時的一些考慮
1.最危險碰撞模式的確定
根據黃石長江大橋管理局的要求，防撞設施應在5000t級貨輪和32000t 級船隊（由16艘2000t級駁船和6000馬力推輪組成）兩種碰撞事故發生時保證大橋主墩的安全。計算表明，在船隊碰撞過程的初期，即因系結纜繩的斷裂而解體，此后僅是一艘或幾艘駁船對防撞設施的碰撞，其質量遠小于整個船隊，因之最終事故后果也較輕。以下是對32000t船隊的碰撞計算的部分結果：
（1）碰撞開始時（設定時間坐標 T= 0），船速 V= 4.0m；
(2)當T= 0．6s時，鼓型橡膠護舷件受完全壓縮，船速V= 3. 9m，加速度A= 0．193m／s2，在運動方向的慣性力為F=
496kN，作用于主墩的碰撞力CF＝8800kN；
（3）當T＝2s時，船速V= 3．55m/s，加速度A＝0．4m/s2，在運動方向的慣性力為F＝1028kN，作用于主墩的碰撞力CF=
20000kN；
（4）當T= 2．6s時，船速V= 3．0m/s,加速度A＝0．6m/s2，在運動方向的慣性力為F=
1542kN，作用于主墩的碰撞力CF= 26000kN；
船隊的各個駁船間的系結纜繩與船舶運動方向有約700的夾角，故作用于纜繩的拉伸力之和約為上述運動方向慣性力的三倍，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，在前述T＝0．6S階段時便已斷裂，船隊解體，如使用直徑稍大或數量更多根的纜繩系結，纜繩也將在碰撞力還小于橋墩抗撞力時發生斷裂，都不至于對大橋主墩造成嚴重危害。但是5000t級貨輪以6.
0m／s的速度碰撞時，橋墩所受的碰撞力可以達到23200kN，其危害性顯然更大，故將其定為最嚴重碰撞模式。
2．一個重要原則
在碰撞過程中，大橋（主墩），防撞設施和船舶（或船隊）組成一個運動系統，巨大的船舶動能在極短暫的時間過程中發生轉化，各個組成單元的運動狀態發生強烈的改變，要使全部組成單元保持完好無損是困難的，在經濟上也是不合理的。由于橋、船和防撞設施都是造價昂貴的工程建筑物，所以，對于設計防撞設施的目的和要求，各有關方面有不同的觀點。設計中是按照下列原則處理的：
（1）大橋的破壞后果最為嚴重，確保橋梁安全是防撞設施設計的首要目的，為了保證大橋的安全，即使防撞設施和船舶損壞，也是合理的、必要的；
（2）防撞設施的損壞是允許的，但應易于修復，而且應盡可能在現場修復，以使大橋不失受保護狀態。
（3）船舶是碰撞事故的責任方，但船舶的沉沒也是極大的經濟損失，而且影響航道暢通，應于避免，所以，對船舶的保護在防撞設施的設計中也應給予必要的適度考慮，應避免沉船事故。
3．對碰撞嚴重程度和防撞設施功能的分級
下列為設計中考慮的三種事故嚴重程度：
（1）嚴重碰撞： 5000t級貨輪以 6m／s速度的碰撞，船舶動能 145MJ；
（2）中等程度碰撞： 1000～2000t級船舶以 3.0～5.0m／s速度的碰撞，船舶動能為 10～50MJ；
（ 3）多見小能量碰撞： 500t以下貨輪以 3.0～ 5.0m／s速度的碰撞，船舶動能為 4～ 12MJ；
由于防控設施在碰撞過程中的"消能"（實際為船舶的部分動能轉換為防撞設施結構的
變形和破壞）和緩沖作用，碰撞后果的嚴重程度見表1所列。
上表1所列之防撞設施和船舶損壞情況可看作防撞設施的防撞功能的數量表示，前述
三碰撞程度分級以及防撞設施的防撞功能分級基本上包括并滿足了大橋建設單位所考慮的
獎撞事故嚴重程度的范圍和對防撞設施主要功能要求。
4．防撞設施主體
（l）防撞設施主體的結構
防撞設施主體的結構類似于船體結構，由內外圍壁，底板，上甲板，下甲板，縱、橫艙壁等板架構件組成，這些構件將浮箱分隔為若干個水密區域，防撞設施各個構件的布置和組成件尺度應符合下述要求：
a. 當受到嚴重碰撞時能通過自身的變形和破壞充分吸收船舶動能，減少對橋墩的碰撞力；當受到較小的碰撞時又能有足夠的強度和抗變形能力，盡可能保持防撞設施的整體完好性。
b．在無事故發生時具有充分的浮力，靈活、方便地使用壓載水使防撞設施保持良好的浮態。在受撞破損后，能使破損范圍限制在一定區域內，防撞設施仍可保持必須的浮力和必要的浮態，不發生沉沒，使防撞設施修復方便；
C．能夠可靠、方便地安裝各種必要的設備、裝備，例如各種橡膠護舷件等。
由于橋墩和防撞設施分別施工，必須把防撞設施分解為若干個部分制造，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施是分作前、后兩個半體分別制作的，這對于設施的制造、運輸和安裝都較為有利，特別對防撞功能的可靠性有利。黃石大橋防撞設施的連接面位于縱向長度的后1/3處，避免連接面構造因被撞損壞，對聯結面構造作了特別的處理，可以在水面以上用螺栓將兩個半體連接成一體，施工較為方便。
（2)橡膠護舷件的使用和能量吸收問題
在黃石大橋防撞設施上使用了三類橡膠護舷件，使用目的各有側重：
a．鼓型橡膠護舷件，具有較大的吸能作用，承受危險性較大的橫橋向碰撞時，可以吸收較多的能量，保持橋墩正面（迎流面）不受損壞，使防撞設施隨水位變化而自由升落；
b．拱型橡膠護舷件，保持橋墩側面和后面，使設施能隨水位變化而升落；
C．筒型橡膠護舷件，懸掛于設施的外圍壁上，減小船舶和設施自身的損壞程度。
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，對于此類碰撞橡膠防撞物所起作用甚小，絕大多數的船舶動能都是由船舶及防控設施的變形與破壞吸收，表2是一些計算結果。
在浮式消能防撞設施設計過程中也曾經有過設想：盡量多地采用橡液制品，利用橡膠材料變形吸能并能恢復原狀的特性，使在保護橋墩安全的同時，既不發生船舶的損壞也不發生防撞設施自身的破壞。由于龐大的橡膠防撞件的制作技術的困難和制作費用的昂貴，目前看來這種極其理想的方法尚難實現。
五、結束語
黃石長江大橋主墩的浮式消能防撞設施從提出方案到工程竣工大約有八年時間，其間建設單位、領導部門和施工單位的領導、科技人員和工人都付出了辛勤勞動和智慧，有關各方的團結合作和互相支持是勝利完成這項任務的保證。謹借本文發表之際表示我們深摯的謝意。
本文涉及的內容主要取自設計資料。交通部上海船舶運輸科學研究所的許多技術人員參與了這項工作，他們的心血和智慧取得了極有價值的成果。
希望本文的發表能得到有關專家學者的批評和指教。
參考文獻
[l ] Minorsky, V. U. "An AnalySis of Ship collisions
with ReferenCe to ProteCtion of Nuclear PowerPlants"
JOurnal of Ship Research, voI. 3, No. 2(1959)
[2] Akita, Y., Ando, N., Fujita, Y., and Kitamura,
K. "Studies on Collision-Protective Structures
in Nuclear~Powered Ships", Nuclear Engineering
and Design, (1972)
[3] Hutchison, B. M., Gray, D. L. and Bauer, G. "Determination
Of Cargo Damage Risk in Barge Collisions Using a Generalized
Minorsky Model and Monte Carlo Methods", National
SPring meeting and STAR SympoSium, SNAME, Portland,
Oregon, (1986)
[4] Bai, Y. And Pedersen, P. T. "Collision Analysis
of Offshore Platforms and Bridges" ISMS91 (1991
)
[5] P. T. Pedersen, S. Valsgard, P. Olsen and S. Spangenberg
"Ship Impacts-Bow Collisions", Int. Journal
Of Impact Mechanics (1993)
［6]梁文娟．船舶碰撞的三維分析．交通部上海船舶運輸科學研究所學報，1986年第 1期
［7]梁文娟，陳高增．船舶碰撞力和能量吸收．交通部上海船舶運輸科學研究所學報，1992年第 2期
[8] Gerard， G．"The Crippling Strength Of Compression
Elements" Journal of the Aeronautical Sciences
1958
[9] Henrik Gluver＆ Dan Olsen"Ship Collision Analysis"，
Balkema ， Rotterdam， ISBN 1998
[10]梁文娟，金允龍等．黃石長江大橋船舶與橋墩碰撞力計算．交通部上海船舶運輸科學研究所計算報告．1994
[11]長江航運管理局黃石港監．黃石長江大橋船舶與橋墩碰撞事故現場檢測報告．1998
【12」史元熹，梁文娟，陳高增，金允龍等．黃石長江大橋主墩浮式消能防撞設施。 交通部上海船舶運輸科學研究所設計資料，1995
