姜朝+孫守旺+任亞磊

DOI：10.13340/j.jsmu.2017.03.007

文章編號：1672-9498（2017）03003605

摘要：為更好地揭示東海大橋非通航孔所面臨的船舶碰撞風險，采用空間有限元分析和截面能力計算對非通航孔橋墩的防碰撞能力進行計算，結(jié)果顯示：東海大橋非通航孔橋墩只能抵抗小于500 t的駁船在漂移情況下速度不大于2 m/s的撞擊，600 t的駁船以最低設(shè)計航速（2 m/s）的撞擊能使橋梁結(jié)構(gòu)失效，故橋梁結(jié)構(gòu)難以抵抗600 t以上駁船的撞擊。研究結(jié)果表明：東海大橋非通航孔船舶碰撞風險量化計算可以更加精確直觀地表現(xiàn)東海大橋非通航孔的防船舶碰撞能力。

關(guān)鍵詞：

非通航孔； 大橋防船舶碰撞； 風險評估； 安全管理

中圖分類號： U698.6； U44

文獻標志碼： A

Abstract：

In order to reveal the risk of ship collision in the nonnavigable holes of Donghai Bridge， the anticollision capability of nonnavigable piers is calculated by the finite element analysis and the section capacity calculation. The results show that， the Donghai Bridge nonnavigable piers can only withstand the impact of less than 500 t of barges in the case of drift with the speed of no more than 2 m/s， and the impact of 600 t of barges at the minimum design speed （2 m/s） can cause the bridge structure failure. The bridge structure is difficult to resist the impact of more than 600 t of barges. The results show that the quantitative calculation of the collision risk of the nonnavigable holes of Donghai Bridge can provide more accurate and intuitive representation of the antiship collision capability of the nonnavigable holes of Donghai Bridge.

Key words：

nonnavigable hole； bridge antiship collision； risk assessment； safety management

0引言

東海大橋是洋山深水港區(qū)唯一的陸上運輸通道，也是港區(qū)水、電和通信管線的走廊，其結(jié)構(gòu)安全和交通暢通關(guān)系到洋山深水港的運營安全和上海國際航運中心建設(shè)。東海大橋全長32.5 km，寬31.5 m，可抗12級臺風、7級地震，設(shè)計基準期為100 a。[1]

東海大橋附近水域潮水急、風浪大、船舶密集、水下光纜密布，加之近年來東海大橋兩側(cè)興建了風電工程，使得大橋附近水域通航環(huán)境更加復(fù)雜。一旦出現(xiàn)船舶失控、船舶違章航行或操縱失誤，極易發(fā)生船撞橋事故，造成船損橋毀的后果。雖然東海大橋建成通車后尚未發(fā)生過船撞橋事故，但已多次出現(xiàn)船撞橋險情。據(jù)統(tǒng)計，東海大橋共發(fā)生船撞橋險情43起，其中23起發(fā)生在東海大橋建設(shè)期間。

近年來，國內(nèi)多家機構(gòu)開展了東海大橋防船撞研究。上海市深水港工程建設(shè)指揮部大橋分指揮部等[2]提出非通航孔防撞設(shè)施的管理方法；王君杰等[3]提出船舶碰撞東海大橋的概率及應(yīng)對措施。已往的研究已經(jīng)明確東海大橋所存在的船舶碰撞風險，但對大橋非通航孔橋墩具體防碰撞能力的研究尚不多。

本文采用空間有限元分析軟件Midas Civil和截面能力計算軟件UCFyber對東海大橋非通航孔橋墩的防碰撞能力進行計算，評估其所存在的碰撞風險，并提出相應(yīng)的防范措施和建議。

1東海大橋通航安全現(xiàn)狀與分析

1.1通航能力與防撞措施

東海大橋由南向北依次有4個通航孔（其中2#通航孔為主通航孔），設(shè)計船舶通過能力為5 000噸級。各通航孔通航標準和防撞設(shè)施設(shè)計情況見表1。

除4個通航孔外，占東海大橋總長度90%的橋區(qū)（共有橋墩394組，均未設(shè)置防撞裝置）水域為非通航水域。目前劃定東海大橋東西兩側(cè)各1 000 m內(nèi)水域為安全水域，禁止船舶錨泊，并在沿橋軸線兩側(cè)各1 000 m處設(shè)置了晚上能發(fā)出燈光的24個警戒燈浮。

1.2通航水域船流密度和船舶航行規(guī)律

1.2.1船流密度

根據(jù)洋山港海事局對2015年1—8月通過東海大橋的船舶日均流量統(tǒng)計：8月的日均流量最多，為

209艘次；2月的日均流量最少，為126艘次；全年日均流量為175艘次。

通過東海大橋的船舶主要有普通貨船、客船、集裝箱船、危險品船、漁船、工程船、公務(wù)船等，其中普通貨船通航量占40%左右，漁船占20%左右，危險品船占5%左右。

1.2.2船舶航行規(guī)律

根據(jù)船舶流量統(tǒng)計結(jié)果可知，小型船舶順流航行可以降低成本，因此最大船舶流量集中在蘆潮港高潮后的2.5～3.0 h，以自西向東行駛為主。在低潮后的4 h后，以自東向西行駛為主，每小時可達30多艘次（多數(shù)為順流過橋）。通航船舶類型以500噸級以下的小型船舶為主（約占90%）。根據(jù)船舶類型和航線的差異，分別從1#，2#，3#通航孔通過。endprint

根據(jù)對2014年全年船舶流量的統(tǒng)計，00：00—04：00和20：00—24：00的8 h日平均船舶流量為42艘次，04：00—20：00的日平均船舶流量為135艘次，而又以08：00—14：00的船舶流量最大。

根據(jù)對2015年船舶流量的統(tǒng)計，00：00—04：00和20：00—24：00的8 h日平均船舶流量36艘次，04：00—20：00的日平均船舶流量為139艘次，與2014年基本類似。

綜上，東海大橋通航孔附近的船舶流量白天多于夜間。

1.3大橋附近船舶超載及違章通行

通過調(diào)研了解到，一些小型船舶經(jīng)常航行于非通航孔附近，為的是由非通航孔通過大橋。然而，這些船的船長或駕駛?cè)藛T不熟悉非通航孔高度、寬度、水深、潮流等情況，極易發(fā)生船撞橋險情甚至惡性事故，原因有以下幾點：

（1）此類小型船舶船況良莠不齊，船員素質(zhì)一般，所配備的航海圖書資料不全，且有部分船舶未能正常值守高頻，VTS與之通信困難。

（2）橋區(qū)水域潮流復(fù)雜，流速快，橋墩附近有較強紊流，小型船舶緩速航行時操控困難，在接近大橋時即使采取倒車拋錨等緊急措施也難以避免碰撞。

（3）

在風大流急條件下

，違規(guī)接近橋區(qū)航行的小型船舶一旦發(fā)生機電動力意外故障，極有可能因船長采取的措施不當造成撞橋事故。

1.4洋山深水港工程的影響

洋山深水港四期工程基礎(chǔ)建設(shè)已接近尾聲，預(yù)計2017年年底投入運營。四期工程投入運營后，洋山港的通航密度將大幅增加，并且四期碼頭1號泊位距離東海大橋顆珠山段不足1 n mile，如果泊位上船舶斷纜，走錨后碰撞顆珠山大橋，則會造成重大事故。

1.5航道拖航帶來的風險

近來有不少大型鉆井平臺拖航通過臨港主航道。臨港主航道位于東海大橋西側(cè)，順東海大橋走向向南進入漕涇東航道支線航道，臨港主航道距離東海大橋最近4.0 n mile，距離3#通航孔5.0 n mile。根據(jù)資料介紹，該水域最大潮差可達6 m，最大流速達6 kn。即使在正常氣象條件下，漲流流向約260°～280°，漲流流速最大3.8 kn。落流流向約090°～110°（幾乎與東海大橋垂直），航向351°（171°），落流流速最大3.4 kn，大型鉆井平臺拖航船隊如在落流時段通過臨港主航道，航速慢、落流急又趕上惡劣氣象條件，如操作不當或者設(shè)備出現(xiàn)故障又無足夠功率的大拖船伴航或及時前去救助，就有壓向東海大橋的風險。

2空間有限元分析和截面能力計算

東海大橋所在海區(qū)最高水位標高為4.02 m，非通航孔70 m連續(xù)箱梁段，單跨箱梁重約1 900 t。墩身截面為矩形薄壁墩，典型的墩身截面尺寸為5.25 m×2.4 m，墩身高度范圍為8.8～35.4 m。

墩身縱筋采用150根直徑為24 mm的鋼筋，縱筋配筋率為1.21%；箍筋間距為180 mm，直徑為16 mm，相應(yīng)的體積含箍率為0.61%。橋墩混凝土等級為C40，強度為34.5 MPa，箍筋和縱筋的屈服強度取414 MPa。恒載僅考慮軸力18 620 kN。

本文中所有有限元計算均采用Midas Civil，截面能力的計算采用UCFyber（v2.4.1）。計算有限元模型見圖1。

橋墩采用梁單元模擬，因為主梁對橋墩的約束對墩底反應(yīng)來說是有利的，所以不考慮墩頂與主梁的約束，在墩頂加質(zhì)量塊模擬主梁的質(zhì)量。計算抗彎能力時考慮主梁傳下來的軸向力（對墩底的抗彎承載力有利）。不考慮承臺和樁基，橋墩墩底固結(jié)。

2.1船撞荷載

按照規(guī)定，動力荷載采用撞擊時程曲線，船舶類型選擇駁船，速度最高取5 m/s，速度最低與海域最大流速（2 m/s）相同。

選定4種工況進行驗算，4種工況下船舶撞擊時程曲線見圖2。

a） 5 m/s的500噸級船撞擊

b） 2 m/s的600噸級船撞擊

順橋向在此基礎(chǔ)上考慮一個1/2的折減。加載位置取最高水位標高以上2 m的位置，即約為橋墩墩底以上5 m處。

2.2橋墩承載力分析

抗彎承載力和抗撞承載力采用UCFyber v2.4.1計算，鋼筋屈服強度保守取414 MPa；計算方法按照規(guī)范進行。橋梁失效判斷標準為：橋墩抗彎承載力或抗剪承載力有一項不滿足要求即失效。

根據(jù)實際截面實際配筋，對橋墩底截面進行抗撞能力驗算。截面纖維單元劃分見圖3。

（1）抗彎承載力。

截面在順橋向和橫橋向的彎矩曲率關(guān)系見圖4。

橫橋向上，橋墩墩底截面的屈服彎矩為112.1 MN·m；順橋向上，橋墩墩底截面的屈服彎矩為51.1 MN·m。

（2）抗剪承載力。

對于空心斷面（或T形、工字形、箱形斷面）主要考慮其腹板的抗剪能力，翼緣的抗剪能力通過修正系數(shù)來考慮：

Vcs=α1α2α30.45×

10-3bh0

[KF（]（2+0.6P）

[KF（]fcu，k[KF）]

ρsv fsv

[KF）]

式中：

Vcs為斜截面內(nèi)混凝土和箍筋共同的抗剪承載力設(shè)計值，kN；

α1為異號彎矩影響系數(shù)，計算簡支梁和連續(xù)梁近邊支點梁段的抗剪承載力時α1=1.0，計算連續(xù)梁和懸臂梁近中間支點梁段的抗剪承載力時α1=0.9；

α2為預(yù)應(yīng)力提高系數(shù)，對鋼筋混凝土受彎構(gòu)件取α2=1.0，對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件取α2=1.25，但當由鋼筋合力引起的橫截面彎矩與外彎矩的方向相同時，或預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件允許出現(xiàn)裂縫時取α2=1.0；endprint

α3為受壓翼緣的影響因素，取α3=1.1；

b為斜截面受壓端正截面矩形寬度，或T 形和工字形截面腹板寬度，mm；

h0為斜截面受壓端正截面的有效高度，自縱向受拉鋼筋合力點至受壓邊緣的距離，mm；

P為斜截面內(nèi)縱向受拉鋼筋的配筋百分率，P=100Asv/bh0，

Asv為斜截面內(nèi)配置在同一截面的箍筋各肢總截面面積，mm2，

當P> 2.5 時取P=2.5；

fcu，k為邊長為150 mm 的混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa，即為混凝土強度等級；

ρsv為斜截面內(nèi)箍筋配筋率，ρsv=Asv/svb，

sv為斜截面內(nèi)箍筋的間距，mm；

fsv為箍筋抗拉強度設(shè)計值。

計算可得，橫橋向抗剪強度Vcs=11.63 MN，

順橋向抗剪強度Vcs=3.97 MN。

（3）撞擊承載力驗算。

根據(jù)UCFyber求出關(guān)鍵截面抗彎承載力，保守計算，這里取首根鋼筋屈服時截面抗彎承載力作為截面的抗彎能力。橋墩關(guān)鍵截面的抗彎抗剪承載力驗算見表2。

由計算結(jié)果可知：

①由于設(shè)計撞擊點距離橋墩墩底截面較近，橋墩構(gòu)件易發(fā)生剪切損壞。

②大橋非通航孔橋墩只能抵抗小于500 t的駁船在漂移情況下速度不大于2 m/s的撞擊，600 t的駁船在最低設(shè)計航速（2 m/s）的撞擊能使橋梁結(jié)構(gòu)失效，故橋梁結(jié)構(gòu)難以抵抗600 t以上駁船的撞擊。

③500 t以上的船舶在橋區(qū)水域兩側(cè)近距離內(nèi)，一旦失控漂向大橋，對大橋安全影響很大。

3安全管理對策

根據(jù)對東海大橋非通航孔的空間有限元分析和截面能力計算，要確保橋梁安全和橋區(qū)水域通航安全，建議在現(xiàn)有的措施上加強相關(guān)安全管理措施。

3.1在大橋上方增設(shè)助航、警戒標牌

建議在大橋通航孔兩側(cè)，用電子標牌和文字標牌注明為××#通航孔，標牌文字應(yīng)做到晝夜都能在2 n mile距離內(nèi)看清。在非通航孔橋面兩側(cè)，也使用電子標牌和文字標牌注明禁止通航，標牌技術(shù)要求同通航孔標牌。在1#、2#、3#、4#通航孔，還應(yīng)標明流向、流速、允許通航方向，讓通航船舶直觀地了解通航孔水文氣象以及通航情況。

建議在大橋兩側(cè)設(shè)置CCTV警示燈光信號和音響設(shè)備，一旦有船駛?cè)氪髽虬踩?，企圖穿越非通航孔，就自動發(fā)出警示燈光或音響，必要時通知巡邏艇趕赴現(xiàn)場處理。

3.2大橋通航安全責任主體應(yīng)加強管理

東海大橋管理有限公司是大橋管理的主體責任單位，對大橋負有日常養(yǎng)護的責任。應(yīng)通過各種有效途徑，掌握大橋的安全狀況和水上交通帶來的損壞情況，及時養(yǎng)護、修理、修復(fù)大橋使其保持在基本技術(shù)指標狀態(tài)，并及時發(fā)出保證大橋安全的相關(guān)信息。

東海大橋業(yè)主單位應(yīng)通過各種有效的手段，掌握橋區(qū)水域影響大橋安全的信息，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的視頻監(jiān)拍導(dǎo)流，掌握船舶違章通過通航孔、非通航孔的情況，及時報請海事監(jiān)督部門進行違章處理。

3.3對非通航孔實施堵封和保護

對非通航孔實施堵封措施，阻止船舶通過非通航孔。在東海大橋非通航孔東西兩側(cè)距橋墩300 m外的水域，沿大橋軸線拋設(shè)具有足夠浮力的專門系船?。ㄐ∮谀壳包S浦江中供2 000噸級及以下機動船系帶的系船?。?，沉塊（可用鐵或水泥澆鑄）重3 t左右，埋入江底。系船浮頂部設(shè)一環(huán)形鐵環(huán)供穿或系帶鋼纜之用。

（1）系船浮錨鏈長的計算標準確定為：最低潮位+最大潮位差+沉塊埋入土中深度+系船浮總高。

（2）兩系船浮間距200 m，中間再安裝兩個浮球，系船浮與浮球均為紅色，夜間利用儲存的太陽能發(fā)光（紅色定光燈）。

（3）東海大橋兩側(cè)共需系船浮122座，浮球240只，阻纜索需約28 000 m。

（4）在重點區(qū)域采取橡膠護舷，即在非通航孔橋墩內(nèi)側(cè)，繞橋墩與水表面接觸處安一圈舊輪胎（可以隨水面上下浮動）。一旦航經(jīng)船舶操縱失誤或發(fā)生意外情況碰撞（擦）橋墩時，橡膠輪胎對撞擊力就可起到緩沖作用。

（5）每個橋墩單側(cè)需輪胎25個，東海大橋東西兩側(cè)總共需輪胎39 400個。

3.4加強對橋區(qū)水域通航船舶的主動風險預(yù)警

采用高科技手段，如主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等，加強對橋區(qū)水域通航船舶的風險預(yù)警。首先對出現(xiàn)在監(jiān)測水域中的所有船舶進行實時自動位置識別和航跡跟蹤，然后依靠先進的算法對船舶在未來一段時間內(nèi)的航行軌跡進行預(yù)測，從而實現(xiàn)提前評估船舶撞擊橋梁的風險。在發(fā)現(xiàn)高風險的船舶后，系統(tǒng)及時自動地發(fā)布警告提醒船舶糾正航線，或由管理部門采取有效措施，為避免事故或盡可能降低事故損失贏得寶貴的時間。

3.5加強對橋區(qū)通航法律法規(guī)的宣傳

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對非通航孔威脅較大的違規(guī)穿越船舶，船籍港大多屬于舟山和部分浙江沿海地區(qū)，部分船員由當?shù)貪O民轉(zhuǎn)業(yè)而來，對相關(guān)法律法規(guī)不熟悉。建議制作簡易版東海大橋安全通航宣傳資料，與當?shù)卣秃Ｊ虏块T合作，分發(fā)到有關(guān)的港航企業(yè)單位和漁業(yè)管理部門，并在網(wǎng)上上傳相關(guān)文件，以供免費下載閱讀。

4結(jié)束語

針對東海大橋現(xiàn)在的運營情況以及橋區(qū)周圍的通航環(huán)境、水文氣象等條件對船舶碰撞東海大橋的風險進行評價，并對東海大橋非通航孔的防撞能力進行了模擬計算。

根據(jù)風險評價和模擬計算，提出安全管理措施，包括增設(shè)助航、警戒標牌，大橋通航安全責任主體應(yīng)加強管理，對非通航孔實施堵封和保護，加強風險預(yù)警和相關(guān)法律法規(guī)的宣傳等，為東海大橋橋區(qū)通航安全管理提供參考。

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（編輯賈裙平）endprint