评议桥梁防撞设计的依据_陈国虞

城市道桥与防洪２０１１年６月第６期

收稿日期：２０１１－０３－０９作者简介：陈国虞（１９３４－），男，广东新会人，研究员，从事造船、海洋工程和钢结构材料的应用研究工作。

陈国虞（上海海洋钢结构研究所，上海市２０１２０４）

评议桥梁防撞设计的依据

摘要：水运是货物运输五种方式中最大量的方式。很多船撞桥墩的实例表明，船舶被撞损、沉没和桥梁被撞坏、塌落造成很大的危害。我国公路和铁路两个桥梁设计规范已经规定的条文，说明桥梁设计者按照规范进行桥梁防撞设计是必要的，如果没有按规范中的多处规定进行防御船撞桥的设计，这项桥梁设计是不合规范的。水运在发展中，桥梁设计规范也是在发展中的。社会和谐要求达到既保护桥梁又保护船舶和环境才是充分的，才是科学的发展观。因此，试论充分的防撞设计的概念和方法，也是规范需要发展和补充的地方。关键词：桥梁防撞；必要性和充分性；充要条件中图分类号：Ｕ４４７文献标识码：Ａ文章编号：１００９－７７１６（２０１１）０６－０１０６－０６

1桥梁防船撞的客观任务水域是船舶千年来航行的地方，经过实践选择出最适合航行的水中线域，一般就是航道，桥梁跨越航道如果在水域中设置桥墩便增加了水中碍航物，产生了船与桥的矛盾。世界上近百年来桥梁建设骤增，我国近几十年建设跨过长江珠江黄河和沿海航线的桥梁增多，航道通过的船舶越来越大、越来越多、越来越快，所以船与桥的矛盾越来越突出。“桥梁上通过的车多，运送的货多、人多”这种观点对客运是正确的，对货运就不符合我国长期来的实际。实际上５０ａ的统计数据指出［１］：我国的铁路、公路、水运、空运和管道运输５种运输方式中，国际贸易货运的９０％由水运承担；国内货运周转量（ｔ·ｋｍ）中，建国以来水运量不但绝对量上升，与其他４种运输方式相比的相对百分数也在上升，成为百分比最大的运输方式（５３％），超过其他４种运输方式（铁路、公路、空运和管道运输）货运量的总和，见图１。因此，这种观点影响了船和桥两种运输方式的共赢发展与和谐共处。最近，交通运输部在审议长江某铁路桥时要求增加通航孔。并指出：“应该将水域尽量多地留给原来的航道。”这样才会有利于水陆两种运输方式共赢发展与和谐共处。跨越航道的桥梁，在进行可行性研究和初步设计时，都进行通航论证研究，召开评议会，那么，应该根据什么原则进行评议呢？首先应该引经据典地考核其是否达到了规范规定的要求，这是必要性方面。然后看其是否符合了可持续发展的科学发展观，是不是考虑了水路运输和陆路运输的和谐共处与共赢发展。2应按我国现行桥梁设计规范设计桥梁防撞装置（必要性）我国两个现行桥梁设计规范［２］［３］中涉及桥梁水平抗力的规定各有多处。2.1我国现行《铁路桥涵设计基本规范》TB10002.1-2005[2]

此规范４．４节共规定６种“其它载荷”（风载荷、流水压力、冰载荷、混凝土浇筑收缩的影响、墩台受船只或排筏的撞击力和汽车撞击等），其中指出：墩台承受船只或排筏的撞击力Ｆ可按式（１）计算：

F=γ·ν·ＳｉｎαWC１＋C２

姨（１）

式中：γ为动能折减系数；ν为船只撞击墩台时的速度；α为船只与墩台撞击点处切线所成的夹角；W为船只重；C１、C２为船只的弹性变形系数

（因航空货运只占０．１％，曲线贴着横坐标）图15种运输货物周转量50年来百分比的变化

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和墩台的弹性变形系数。据此，可以认为：凡有船舶撞击可能性，而所设计墩台水平抗力不能满足按此公式计算的船撞力时，都应认为是不符合该规范的桥墩。能不能在设计桥型时就对桥墩的水平抗力加以深入一步的考虑呢？以图２为例（图２中有墩１１个，从左到右为０＃到１０＃）：船从航道往边上偏航，由于角度关系，按上式算出撞向桥墩的水平力愈往边上愈小，（６＃～０＃，递减），能不能设计桥型时照顾到此项要求将６＃墩到１＃墩的水平抗力设计为：最强，次强，强，弱，次弱，更弱，最弱呢？（现在从６＃到０＃水平抗力为最强，最弱，弱，强，弱，强，弱。）船撞水平力是从航道往边上递减的，如果桥墩抗御水平力的能力忽高忽低，就算设计防撞装置的人化了九牛二虎之力去降低桥墩受力，仍然可能达不到那个弱桥墩的要求。一般的桥梁设计人，首先照顾垂向载荷（结构重力等永久作用），然后照顾桥向载荷（车辆载荷及制动力等可变作用），再次不要忘记了水平方向（横桥向）的载荷（船舶和漂流物的撞击等偶然作用）。这样才能符合规范的要求。使用铁路规范４．４节的这一个公式，需要长期积累数据，广泛收集数据和正确选用数据。这方面国内在４年前已有公开资料出版［６］。同期建设的另一座桥梁，由于反复考虑桥型：增加通航孔的数目，增加通航孔的宽度，将水域尽量多地留给原来的航道。它设计选用从中间到边上跨度递减，既有利于大中小各种船舶分道行驶，又得到了桥墩的水平抗力从中间到边上递减的合理结果，见图３。2.2我国现行《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004[3]

此规范有关水平力及水平撞击有多处规定，计有：３．１．３节“桥梁纵轴宜与主流流向正交，墩台轴线应与最高通航水位时的主流方向一致，必须斜交时其偏角不应超过５°”的规定；３．１．５节通航海轮桥梁的桥孔布置和净空应满足相应通航标准（ＪＴＪ３１１）规定，内河通航桥梁的桥孔布置和净空应满足《内河通航标准》（ＧＢ５０１３９）的规定；４．１．６节之２，“偶然组合。永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相结合”的规定；４．３．８节作用于桥墩上的流水压力的规定；４．３．９节桥墩冰压力的规定和“强烈流冰”作用的规定；４．４．２节“位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台，设计时应考虑船舶或漂流物的撞击作用”和漂流物横桥向撞击力的规定；以及４．４．２之３可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据桥墩自身抗撞击能力、桥墩的位置和外形、水流流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素作桥墩防撞设施的设计等６项。2.2.1桥梁纵轴宜与主流流向正交可以认为，凡是桥梁纵轴与流水角度超上述标准的，都应该调整（见图４）；增加桥梁通航净宽。举例说明如下：湖北黄石长江大桥桥位定在河流的弯道上，桥梁纵轴与主流流向明显地超过规定，宜增加通航孔净宽，此桥在江中立了４个主墩，因为净宽不够，发生船撞事故。例如１９９８年９月２日洪水消退恢复通航当晚，长２２０３３号推船，顶推７艘１０００～１５００ｔ空驳船，顺水而下，撞３＃主墩。３艘驳船损坏严重，多

（６＃到０＃为：最强，最弱，弱，强，弱，强，弱）图2某桥从主航道到边上桥墩抗水平力波动

图3某长江大桥桥型立面图（包括水中全部桥墩）（单位：m）

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根钢丝绳绷断，船队撞散。解决的方法也比较简单，要坚持在河流的弯道建桥梁，江中不设桥墩就可以了。２００８年，已经在黄石长江大桥上游一公里处，建成了鄂东长江

大桥，原来与黄石长江大桥连接的公路已经与鄂东长江大桥连接好了。距离黄石长江大桥建成通车（１９９５年）只有１３ａ。2.2.2关于偶然组合的规定４．１．６节之２，有：“偶然组合。永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相结合”的规定。４．１．６节之２，还规定：“偶然作用的效应分项系数取１．０，与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。”例如在桥墩防船撞设计中经常会碰到船撞力与流水压力相结合。某海湾桥７＃墩，旁边通航３０００ｔ江海联运货船，建设方委托桥梁防撞的研究设计单位为该墩设计防撞装置（见图５），设计结果被桥墩设计人拒绝。原因是该桥墩用水流力作为控制，根本没有考虑船撞力这一偶然作用的组合。建设方只好花费很多倍的投资另行建设不接触式的墩外防撞装置（见图６）。

图4黄石长江公路桥桥址选在弯道上斜交偏角超过5°

图57#墩投资较省的直接式防撞装置（单位：mm）

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2.2.3流线型桥墩在４．３．８节规定了流水压力标准值公式：F＝ＫＡ（γＶ２

／２ｇ）（２）

式中Ｋ为桥墩形状系数，规定如下：方形桥墩取１．５；矩形桥墩（长边与水流平行）取１．３；圆形桥墩取０．８；尖端形桥墩取０．７；圆端形桥墩取０．６。在４．３．９节规定：受冰作用的部位宜采用实体结构，具有“强烈流冰的河流的桥墩柱，其迎冰面宜做成圆弧形、多边形或尖角。”船撞的水平力较冰作用为大，应采用类似的更为有效的措施；航道中的船撞力较流冰冲击力更大，桥墩桥塔墩柱应按此原理设计成流线型或斜面。没有对桥墩水平抗力做出符合规范设计的桥梁，都应认为不符合规范要求（见图７）。

2.2.4船舶或漂流物的撞击力４．４．２节一开始就有“位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台，设计时应考虑船舶或漂流物的撞击作用”和漂流物横桥向撞击力的规定。４．４．２节之３，可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据桥墩自身抗撞击能力、桥墩的位置和外形、水流流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素作桥墩防撞设施的设计；４．４．２节之４给出了漂流物撞击力的计算公式，该公式是有理论根据的，但是所选数值必须仔细厘定。漂流船是一种漂流物，可按漂流物横桥向撞击力标准值公式计算。在正常情况下之位于通航河流的桥梁墩台设计时应考虑船舶的撞击作用；该节中１和２，船舶撞击作用的标准值分为内河船舶和海轮两表，已有发表多年的专文讨论［４］，认为此２表不适用。并建议两个规范使用同一个公式，这样就解决了公铁两用大桥的问题。可以认为，在正常情况下，可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，均应作桥墩防撞设施的设计。调查发现大量桥梁达不到这项必要性的要求，在建设桥梁时究其原因：（１）建造时的设计未能符合现

在的规范；（２）通过桥下的船舶越来越大、越来越多、越来越快。因此校核老桥、补建防撞装置的任务相当迫切。

3按桥梁防撞任务充分考虑防撞设计（充分性）

现在根据持续发展与和谐共赢的精神，桥梁防撞任务应该考虑既保护桥又保护船同时充分考虑保护环境。这样的防撞设计才是充分的。3.1规范需要发展情况在不断变化，国民经济在发展。航道中通航的船舶越来越多，越来越大，越来越快。因此规范也应不断的修订和发展，举例说明：对于船舶撞击作用在公路规范分为内河船舶和海轮两表，实际上长江、珠江等河流的下游大量通行江海直达型船舶，近三十年来设计的这类船舶可从日本、韩国、东南亚各国港口直达我国的南京、武汉、广州等港口，将河船与海船对墩的水平作用力规定为大小各异，没有理论依据也不符合４．４节第４条的公式，急需改变［４］。一艘江海直达

型载重量３０００ｔ（３０００ＤＷＴ）的船，撞击力在两

图6该桥墩因未考虑应有的水平抗力改用墩外拦船装置，造价很高图7主辅通航孔均应设计成流线型

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