【摘要】本文介紹了黃石長江大橋主墩防撞設(shè)施研究設(shè)計過程，以及防撞設(shè)施的構(gòu)造、功能特點，供橋墩防撞設(shè)施設(shè)計時查考。
關(guān)鍵詞 橋墩 船舶碰撞 防撞設(shè)施
一、前言
黃石長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(shè)單位,
各級領(lǐng)導(dǎo)部門、設(shè)計和研究單位的關(guān)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(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法應(yīng)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(nèi)防止橋墩被撞致?lián)p的防撞設(shè)施的設(shè)計較為困難而復(fù)雜。
從 1990年起，交通部和湖北省交通廳多次召開專門會議，邀請有關(guān)單位的專家學(xué)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(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(shè)施的設(shè)計、制造、運輸、安裝和調(diào)試。1997年3月，3號和4號主墩的防撞設(shè)施工程完工，1998年12月，5號和2號主墩防撞設(shè)施工程完工。
二、黃石長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)簡化，3號，4號，5號主墩防控設(shè)施需在下列最嚴(yán)重的碰撞事故發(fā)生時保障大橋主墩的安全：
（l）5000t級貨輪以6m火速度發(fā)生的橫橋向?qū)χ姓玻?br>
（2）3200t級船隊以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(yán)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(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舷件組成，見圖1。
鋼質(zhì)浮體的平面形狀呈長圓形，設(shè)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(zhì)浮體的主要參數(shù)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(zhì)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(jīng)嵌套到位的前半體和正在向橋墩推送的后半體。
三．一次船隊碰撞事故的情況簡述
1998年夏長江中上游發(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22033輪第23航次，頂推1000～1500t空駁七艘順?biāo)拢剿?8km／h，八時剛過與3號主墩防撞設(shè)施相撞。船隊編結(jié)如圖4所示。
碰撞發(fā)生后多根系結(jié)纜繩斷裂，船隊分解，分別從防撞設(shè)施兩側(cè)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(yán)重，據(jù)檢測記錄，主要的損壞情況如下：
（1）21237駁：尾部左舷側(cè)板嚴(yán)重變形，長度6m，高度2m，凹陷深度0．25m，而且部分破裂穿孔；舷側(cè)加強材全部嚴(yán)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(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(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總質(zhì)量大于一艘載重量2000t的貨輪，但因船隊散隊，所以對防撞設(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，橋墩所受碰撞力遠小于其設(shè)計抗撞能力。
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(zhǔn)確。
四、在設(shè)計防撞設(shè)施時的一些考慮
1.最危險碰撞模式的確定
根據(jù)黃石長江大橋管理局的要求，防撞設(shè)施應(yīng)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(fā)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(jié)纜繩的斷裂而解體，此后僅是一艘或幾艘駁船對防撞設(shè)施的碰撞，其質(zhì)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(jié)果：
（1）碰撞開始時（設(shè)定時間坐標(biāo) T= 0），船速 V= 4.0m；
(2)當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(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發(fā)生斷裂，都不至于對大橋主墩造成嚴(yán)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(yán)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(shè)施和船舶（或船隊）組成一個運動系統(tǒng)，巨大的船舶動能在極短暫的時間過程中發(fā)生轉(zhuǎn)化，各個組成單元的運動狀態(tài)發(fā)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(jīng)濟上也是不合理的。由于橋、船和防撞設(shè)施都是造價昂貴的工程建筑物，所以，對于設(shè)計防撞設(shè)施的目的和要求，各有關(guān)方面有不同的觀點。設(shè)計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)場修復(fù)，以使大橋不失受保護狀態(tài)。
（3）船舶是碰撞事故的責(zé)任方，但船舶的沉沒也是極大的經(jīng)濟損失，而且影響航道暢通，應(yīng)于避免，所以，對船舶的保護在防撞設(shè)施的設(shè)計中也應(yīng)給予必要的適度考慮，應(yīng)避免沉船事故。
3．對碰撞嚴(yán)重程度和防撞設(shè)施功能的分級
下列為設(shè)計中考慮的三種事故嚴(yán)重程度：
（1）嚴(yán)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(shè)施在碰撞過程中的"消能"（實際為船舶的部分動能轉(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
三碰撞程度分級以及防撞設(shè)施的防撞功能分級基本上包括并滿足了大橋建設(shè)單位所考慮的
獎撞事故嚴(yán)重程度的范圍和對防撞設(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水密區(qū)域，防撞設(shè)施各個構(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(dāng)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(shè)施的整體完好性。
b．在無事故發(fā)生時具有充分的浮力，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，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、后兩個半體分別制作的，這對于設(shè)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(shè)施的連接面位于縱向長度的后1/3處，避免連接面構(gòu)造因被撞損壞，對聯(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(shè)施上使用了三類橡膠護舷件，使用目的各有側(cè)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(shè)施隨水位變化而自由升落；
b．拱型橡膠護舷件，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，對于此類碰撞橡膠防撞物所起作用甚小，絕大多數(shù)的船舶動能都是由船舶及防控設(shè)施的變形與破壞吸收，表2是一些計算結(jié)果。
在浮式消能防撞設(shè)施設(shè)計過程中也曾經(jīng)有過設(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，使在保護橋墩安全的同時，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)的困難和制作費用的昂貴，目前看來這種極其理想的方法尚難實現(xiàn)。
五、結(jié)束語
黃石長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間，其間建設(shè)單位、領(lǐng)導(dǎo)部門和施工單位的領(lǐng)導(dǎo)、科技人員和工人都付出了辛勤勞動和智慧，有關(guān)各方的團結(jié)合作和互相支持是勝利完成這項任務(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)計資料。交通部上海船舶運輸科學(xué)研究所的許多技術(shù)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(fā)表能得到有關(guān)專家學(xué)者的批評和指教。
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