李忠俊

【摘 要】 橋梁是我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是促進經(jīng)濟發(fā)展的重要設(shè)施。船舶一旦發(fā)生撞橋事故，對水路和陸路運輸將產(chǎn)生不可估量的損失。從防止船舶撞橋角度出發(fā)，計算船舶碰撞力，從硬件建設(shè)和軟件管理兩方面提出橋梁防撞的建議。研究結(jié)果表明，浮式消能防撞設(shè)施和人工島防撞設(shè)施對于防止橋墩受沖撞有重要作用，進而比較兩種防撞設(shè)施的優(yōu)缺點。同時，加強橋區(qū)通航監(jiān)管也是橋梁防撞的重要措施之一。

【關(guān)鍵詞】 橋梁；防撞；人工島；消能防撞；通航監(jiān)管

0 引 言

改革開放以來，我國跨海和跨江橋梁越來越多。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，我國主要的三大內(nèi)陸航運水系，即長江水系、珠江水系和京杭運河水系，現(xiàn)有各種橋梁近300座，其中長江水系和珠江水系分別有100多座，京杭運河水系有50余座。[1-3] 我國沿海地區(qū)已建和擬建的跨海大橋有東海大橋、杭州灣大橋、舟山跨海大橋、廈漳跨海大橋、瓊州海峽跨海大橋和港珠澳大橋等。橋梁不僅能給交通運輸帶來方便，更重要的是能促進地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。如東海大橋連接上海南匯新城與大小洋山，同時東海大橋工程是上海國際航運中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路運輸和供水、供電、通信等需求提供服務(wù)；杭州灣跨海大橋的建設(shè)對于杭州灣整個地區(qū)的經(jīng)濟、社會發(fā)展都具有深遠而重大的戰(zhàn)略意義。

橋梁能有效地改善陸上交通并促進經(jīng)濟發(fā)展，但是橋梁建成以后，由于通航水域流態(tài)變得復(fù)雜，且通航密度加大，導(dǎo)致橋區(qū)交通事故頻發(fā)。[4-5]如黃石長江大橋，由于選址在水運繁忙而河道彎曲的水域，加上駕駛?cè)藛T的疏忽，導(dǎo)致黃石大橋水域碰撞不斷，僅在1993年4月16日至9月16日的147天中，就發(fā)生撞橋事故16起，沉船9艘，造成直接經(jīng)濟損失數(shù)百萬元。據(jù)長江海事局統(tǒng)計，截至2003年8月，長江干線共發(fā)生船橋相撞事故120多起。2007年6月15日，廣東九江大橋被船撞塌，造成嚴重的人員傷亡，直接經(jīng)濟損失達億元。浙江沿海舉世矚目的舟山跨海大橋，分別于2008年3月27日和2009年11月16日發(fā)生船舶撞橋事故，造成人員失蹤、船舶下沉和橋墩損壞。由此看來，橋梁防撞對于保障水路運輸發(fā)展有著重要意義。

1 船舶碰撞力的計算

船舶碰撞力的計算有許多種方法，包括經(jīng)驗公式計算法、動力數(shù)值模擬法、有限元瞬間動力分析法等。[6-7] 上述三種方法都有實際應(yīng)用。包括我國的公路、鐵路規(guī)范在內(nèi)，世界上不同組織已提出數(shù)十種船舶撞擊橋墩的碰撞力計算公式。經(jīng)驗公式計算法快捷簡便，適合在無詳細的船舶撞擊力資料時使用，但不同的經(jīng)驗公式計算結(jié)果可能相差較大。

船舶碰撞動力數(shù)值模擬法通過研究船舶碰撞的內(nèi)部機理和外部機理，建立船舶碰撞的動力學(xué)模型，模擬船舶撞擊橋墩的動力學(xué)過程，獲得撞擊力、能量轉(zhuǎn)化、船舶破損長度等結(jié)果，并可模擬分析船舶消能設(shè)施的實際消能過程。動力數(shù)值模擬法考慮實際船舶撞擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)特性、船舶周圍水動力作用、橋墩剛度和形狀，結(jié)果更符合實際情況。

有限元瞬間動力分析法通過建立撞擊船舶、橋墩有限元模型，利用非線性有限元瞬間動力方法計算船舶碰撞過程中結(jié)構(gòu)的變形、失穩(wěn)、破損，考慮材料動力屈服應(yīng)變力敏感性。該方法建模工作量大，計算費時，在世界范圍內(nèi)（包括我國）較少使用。

在本研究中采用經(jīng)驗公式法進行計算。美國國家高速公路和交通運輸協(xié)會（AASHTO）指導(dǎo)性規(guī)范提供的公式為

Ps=1.2 €？105 v（1）

式中：Ps為船舶碰撞力，N；v為撞擊速度，kn；GDWT為撞擊船舶載重噸位，t。

假設(shè)代表船型為3 000 t，其航速為6 kn，按照上式計算出的撞擊力為3.29 €？107 N。由此看來，即使船舶低速航行時的撞橋沖擊力也是較大的，因此有必要做好防范措施。

2 橋梁防撞方案

2.1 浮式消能防撞和人工島防撞

浮式消能防撞方案，即在橋墩周圍安裝浮式消能防撞設(shè)施。浮式消能防撞設(shè)施主要由鋼結(jié)構(gòu)主體、消能箱和橡膠件組成，主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括甲板、平臺、底板和縱橫隔板，含防腐措施。浮式消能防撞設(shè)施本身有一定的強度，對于小型船舶的碰撞只有局部損傷，消能箱破損消能。對于大型船舶的高能碰撞，浮式消能設(shè)施通過消能箱及橡膠件的破損來消能，減小船舶的撞擊力，確保橋墩、承臺不受損。防撞設(shè)施在碰撞后可進行修復(fù)，繼續(xù)使用。不同類型橡膠件的性能見表1和表2。浮式消能防撞方案的主要優(yōu)點：防撞設(shè)施制造成本適中；防撞功能可靠，防腐壽命15～20年；占用航道寬度相對較小，易符合航道凈寬要求。浮式消能防撞方案的主要缺點是低水位時設(shè)施與承臺接觸面積偏小。

人工島防撞方案，即在橋墩周圍構(gòu)筑由沙、石塊組成的人工島。在船舶與人工島發(fā)生碰撞時，人工島變形損傷，同時使碰撞船舶擱淺。人工島防撞方案的主要優(yōu)點是壽命長，無需保養(yǎng)。人工島防撞方案的主要缺點：建造工程量大，初始投資成本高，會影響航道寬度。

2.2 防撞方案對比

將以上兩種防撞方案進行對比，則可以發(fā)現(xiàn)：雖然人工島方案具有壽命長、無需保養(yǎng)的優(yōu)點，但建造工程量大、初始投資成本高，更為不利的是采用這種方案會影響橋梁主通航孔的通航凈寬；而浮式消能防撞設(shè)施的防撞功能可靠，防腐壽命有15～20年，同時占用航道寬度相對較小。因此，如果從降低投資成本的角度考慮，或在水域比較受限的橋區(qū)，建議采用浮式消能防撞設(shè)施；如果通航水域?qū)掗?，資金較充裕，則建議在橋區(qū)修建人工島。

3 橋梁防撞安全管理建議

根據(jù)上述研究結(jié)果，結(jié)合國際上橋梁建筑的風(fēng)險準(zhǔn)則，綜合分析擬建大橋橋區(qū)影響船舶通航安全的因素和橋梁抗撞力，提出以下預(yù)防或減小船舶撞擊風(fēng)險的措施及加強安全管理的建議，以確保通航船舶和大橋的安全。

（1）大橋建成后，大橋管理部門必須全天候監(jiān)控橋區(qū)船舶動態(tài)，維護過往船舶的通航秩序；海事管理部門應(yīng)制定嚴格的橋區(qū)通航安全管理規(guī)定，提出合理的航行方法，完善橋區(qū)水域?qū)Ш胶椭皆O(shè)施。

（2）為有效防止橋區(qū)失控船舶碰撞橋墩，建議在橋區(qū)建立以海事管理部門為指揮中心的“橋區(qū)失控船舶應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)”，配備拖船等救助設(shè)施和通信設(shè)施，確保船舶一旦在橋區(qū)失控能得到及時有效的救助，保障大橋安全。

（3）大橋管理單位應(yīng)加強橋墩周圍防撞消能設(shè)施的管理，在防撞設(shè)施周圍設(shè)置警示浮標(biāo)，避免船首碰觸大橋塔柱和橋墩基礎(chǔ)造成局部破損，尤其要始終確保主墩的消能設(shè)施能承受設(shè)計最大代表船舶失控的撞擊。

（4）船舶駕駛?cè)藛T在橋區(qū)應(yīng)謹慎駕駛，及時通知船長上駕駛臺，派專人到船頭瞭望，同時注意備車備錨。當(dāng)風(fēng)流較大或通航密度較大時，應(yīng)在過橋前拋錨，等待最佳時機通過橋區(qū)。在橋區(qū)通航時應(yīng)減速慢行，必要時可用維持舵效的安全航速通過。

4 結(jié) 論

橋梁能有效促進經(jīng)濟的發(fā)展，但是如果對橋區(qū)的防護措施不當(dāng)或駕駛?cè)藛T操縱船舶不當(dāng)，容易導(dǎo)致船舶撞橋事故的發(fā)生，造成重大經(jīng)濟損失。橋梁防撞在硬件和軟件上都要采取有效的預(yù)防措施：在硬件上，可在橋墩周圍設(shè)置浮式消能防撞設(shè)施或建人工島防撞設(shè)施；在軟件上，各相關(guān)單位應(yīng)對船舶過橋加強監(jiān)管，做到防患于未然。

參考文獻：

[1] 王多銀，陳明棟.長江上跨江建筑物的布設(shè)原則探討[J].水運工程，2001（4）：4-6.

[2] 戴彤宇，聶武，劉偉力.長江干線船撞橋事故分析[J].中國航海，2002（4）：46-47.

[3] 戴彤宇，劉偉力，聶武.船撞橋概率分析與預(yù)報[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2003（1）：23-24.

[4] 劉明俊，劉先棟.船舶（隊）通過黃石大橋引航方法探討[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，1996（4）：372-376.

[5] 張晨曦，鄒早建，王化明.駛經(jīng)橋墩船體非定常水動力相互作用數(shù)值預(yù)報[J].水動力學(xué)研究與進展（A輯），2012（3）：359-364.

[6] AI W Z.Research on round-pier turbulent scope in straight channel[J].Information Technology Journal，2013（15）：3476-3479.

[7] 羅偉林，甘浪雄，鄒早建.橋墩附近流場分布及對通航船舶的影響[J].中國航海，2014（1）：66-70.