范婷
湖南省水运建设投资集体有限公司，湖南 长沙 410011
摘要：随着我国经济的发展，内河航道等级不断提高，航道等级提高后通航船舶吨位和数量都有所提高，对航道上现有桥梁防撞提出了更高的要求。本文以澧水宋家渡大桥桥梁为例，根据航道布线、桥墩结构和通航桥区的情况，在满足桥梁结构安全的前提下，综合考虑后提出了在不同部位分别布设固定式和浮式的钢-复合材料防撞设施，节约工程投资。
关键词：航道等级提高；桥梁；防撞设施
桥梁的建设能够有效地改善两岸交通并促进当地经济的快速发展，但是桥梁建成以后，由于通航水域流态变得复杂，且通航密度加大，容易导致桥区船舶撞击桥梁交通事故发生，桥梁在满足规范要求下同时还需要一套有效的防撞设施。[1]内河水运的快速发展，航道上会出现部分原有桥梁无法满足航道等级的要求，需要对原有桥梁进行桥梁防撞加固，以满足相应吨级船舶通行的要求。
1 桥梁防撞措施的类型
为解决船与桥的矛盾，人们提出多种桥梁防撞措施。通常为主动防撞保护系统、被动抗撞保护系统或两者的组合，主动保护系统一般包括预警、拦截、助航设施、管控措施等；被动抗撞保护系统主要有直接式和间接式两种，间接式防撞装置桥墩不受力，有人工岛方式、大沉箱、群桩方式等，直接式防撞设施可减小或避免船撞对桥梁的损伤，削减撞击力，只要削减后的撞击力小于桥墩允许承受的撞击力，就可保护桥墩安全，常见的有护舷方式、缓冲复合材料及有外钢围的柔性防撞装置等。[2]
2 固定式和浮式的桥梁钢-复合材料防撞设施
2.1 桥梁概况
二广高速澧水宋家渡大桥位于澧县与津市之间的宋家渡附近，在澧县垸东端跨越澧水和道水。桥梁按V级航道标准设计，低水位设置一个双向通航孔，高水位设置两个单向通航孔。澧县至津市航段提升至III级航道后，桥梁为单向双孔通航，通航净宽97.20m，通航净高9.40m，桥墩防撞能力需相应提高。
2.2 总体设计
澧县至津市航段提升至III级航道后，桥梁为双孔单向通航，通航净宽99.20m，通航净高9.40m。航道两侧桥墩为42#、43#、44#桥墩，42# ~ 43#桥墩为下行孔，43# ~ 44#桥墩为上行孔。墩身为混凝土墙式墩，高16m~18m；下部承台厚3.00m，其顶高程32.00m，高出最低通航水位4.50m；桩基为双排3×D180钻孔灌注桩。墩身、桥台和桩基均存在被船舶撞击风险，需要在42#、43#、44#桥墩处设置防撞设施。
桥梁处河道顺直，通航水流条件较好，通航净宽富余较大，直航前进的船舶一旦驶入通航孔，其侧向撞击桥墩的可能性很小。所以，本次仅针对船舶未能正常驶入通航孔而直接撞击桥墩的情况，设置防撞设施。
在42#~44#桥墩设置钢-复合材料浮式防撞设施，以防止船舶撞击桥墩的墩身。在42#、43#墩上游侧，43#、44#墩下游侧设置钢-复合材料固定防撞设施，以防止船舶撞击桥墩的承台。防撞设施正对桥墩横桥向中心线布置，防撞结构外边缘与桥梁承台之间横桥向距离为0.6m。增设防撞设施后，单孔通航净宽减小1.20m，满足通航净宽满足要求。
桥梁防撞设施总体布置如下图所示：
.png)
防撞设施总体布置立面图
3.3 结构设计
1）浮式防撞设施结构设计
共设置3套钢-复合材料浮式防撞设施，每个钢浮式防撞设施主体结构由钢材、高分子复合材料、阻尼元件组成。钢浮式防撞设施内部由多个钢板结构构成的密封舱室、骨架组成，钢浮式防撞设施分节段在工厂预制，浮运至现场进行拼装，节段间插销快速连接。
钢浮式防撞设施高2.4m，箱体主要受力构件采用Q235B钢板焊接而成。钢浮式防撞设施由内、外壁板、甲、底板、内部加强骨架等部分组成，各部位钢材厚度根据受力情况采用
10mm~20mm厚Q235B钢板；钢浮式防撞设施内部设置有由角钢及T型钢材组成的水平及竖向加强骨架，竖向骨架间距700mm~800mm设置一道，水平骨架设有两层。
当船舶撞击钢浮式防撞设施时，阻尼元件、高分子复合材料首先吸收部分碰撞能量，并且延长了接触时间，使撞击力峰值得以降低，同时由于材料变形、船舶与防撞结构相互作用，拨动船头方向的作用，减少了船舶与结构间的能量交换。当碰撞过程继续进行时，钢箱内部板材与骨材进一步变形、吸能，并通过与船舶接触的阻尼元件、高分子复合材料再次改变船头航向，降低船舶撞击力。通过钢浮式防撞设施改变船舶航行方向、延长接触时间、结构变形的作用，能较大降低碰撞能量，并吸收大部分碰撞能力，仅有部分碰撞能力传递到桥墩墩身上。同时，最大限度地降低了船舶的损伤，保护了船舶的安全。
钢浮式防撞设施构造图如下图所示：
.png)
钢浮式防撞设施构造图
2）固定式防撞设施结构设计
共设置32套钢-复合材料固定式防撞设施，每个固定式防撞设施主体结构由钢材、高分子复合材料、高分子缓冲吸能材料组成。内部由多个钢质耗能板结构构成的。固定式防撞设施在工厂预制，运至现场进行安装装。固定式防撞设施通过支架的方式，安装于桥墩的承台上。
固定式防撞设施高为2m，宽为2m，厚度为0.5m，箱体主要受力构件采用Q235B钢板焊接而成。各部位钢材厚度根据受力情况采用10mm~20mm厚Q235B钢板。固定式防撞设施内部设置钢质耗能隔板以及高分子缓冲吸能材料。
当船舶撞击固定式防撞设施时，防撞设施壁板、高分子复合材料首先吸收部分碰撞能量，使撞击力峰值得以降低。碰撞过程继续进行时，固定式防撞设施内部耗能隔板与防撞设施壁板进一步变形、吸能，降低船舶撞击力，降低碰撞能量，仅有部分碰撞能力传递到桥墩承台上。固定式防撞设施如下图所示：
.png)
固定式防撞设施构造图
3.5.4 设置防撞装置后结构验算
本设计采用LS-DYNA显式动力学分析软件，进行船和防撞设施仿真分析。
.png)
有限元模型（30°侧撞） 碰撞仿真（30°侧撞）
有限元船撞仿真分析船舶最大碰撞力列表如下：
有限元船撞仿真分析船舶最大碰撞力
.png)
由上表可知，通航孔桥墩设置钢-复合材料浮式防撞设施方案，结构力学性能满足设计要求。
3 结语
本文分析了桥梁防撞措施的常见类型，针对航道等级提高需对原有桥梁进行防撞加固设计情形，提出了固定式和浮式的桥梁钢-复合材料防撞设施。总之，桥梁防撞方案应根据桥区航道和桥梁结构的实际情况分析，合理地采用桥梁防撞措施，才能到达良好的防撞效果，有效降低事故发生。。
参考文献：
[1]李忠俊.桥梁防撞方案比较及加强管理建议[J].水运管理，2016，12：27-29；
[2] 廖志聪.桥梁复合材料防撞方案探讨[J]. 江西建材，2017，16：181--182；
[3] 湖南省航务勘察设计研究院.《洞庭湖区澧县、安乡至茅草街航道建设工程施工图设计》［R］。
范婷 湖南省水运建设投资集体有限公司
作者简介：范婷 1987年 女 长沙 学士 工程师 主要从事水运工程施工及造价管理研究