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286 桥梁抵御大吨位船舶撞击的防护措施概述桥梁抵御大吨位船舶撞击的防护措施概述 彭小婕 1 方 海2 冒一锋1 摘 要 近年来，船桥碰撞事故频发，且经济损失巨大。 然而随着航道运输业的发展，船舶日趋大型化、高速化。 因此，针对万吨级船舶选取合理有效且经济的防护方式已 经成为越来越多大型桥梁亟需解决的问题。本文从防护类 型、结构特征和适用条件等方面出发，对防船舶撞击设施 的研究进行了全面回顾，希望能为桥梁防船撞设计提供参 考。 关键词 桥梁工程 大吨位船舶 船舶撞击 防撞设计 概述 经过多年的研究与实践，国内外学者基于吸能 和缓冲原理设计制造了多种桥梁防撞设施。根据防 撞设施的结构特点和使用条件，主要分为两大类： 一类为间接式，桥墩不直接受力，如桩群、薄壳筑 沙围堰、人工岛等，适用于水浅、地质情况较好场 合。间接式防撞虽一劳永逸，但会影响航道，且造 价太高或者工程条件不具备。另一类为直接式，缓 冲后的力直接传递到桥墩上，如防撞护舷、绳索拦 截、缓冲设施、缓冲设施工程、固定或漂浮式套箱 防撞设施等。适合航道窄、水较深场合使用，制造 安装的费用较省，土建工程量较小。本文主要介绍 各类典型的桥梁防撞设施，供桥梁设计参考。 一、 各类防撞设施构造与应用 通过对国内外桥梁防撞的调查，归纳了目前针 对大吨位船舶撞击所采用的防撞方案，总结了各自 特征和适用情况： 1. 材料缓冲 选用易变形的材料，如木材、橡胶等，在桥墩 四周设置缓冲的保护层，通过在船撞过程中缓冲材 料的变形耗散船舶撞击力。材料缓冲方案适合小型 船舶的撞击工况，或者与其他防撞设施配合使用。 2. 缓冲消能设施 防撞结构体系主要由钢材、木材、混凝土等构 成，发生船桥碰撞时，碰撞船舶外壳和内部骨架与 防撞设施一起发生破裂崩溃，从而吸收能量减小撞 击力。缓冲消能设施的用途广泛、适应性强，主要 用于中大型防撞设施工程。 泰州大桥中塔防撞综合体系由助航设施、桥区 通航规定、水上应急搜救系统、独立防撞墩、防撞 套箱和基础本体抗撞等六部分组成，防撞设施结构 正常使用寿命为 30 年， 防撞船型均考虑 5 万 t 级海 轮。 3. 重力式防撞设施 薄壳筑沙围堰防护设施，造价低廉，施工方便， 维护简便，可以根据撞击力大小进行设计，具有很 好的吸能效果。 国外应用较多，如美国 Outer 桥（沉箱方式）、 美国达姆角桥、伊利诺伊河桥、巴西里约热内卢桥、 中国虎门大桥等。 4. 人工岛 人工岛通常与桥墩基础一起建造，用砂、石块 在岩石上砌筑而成。人工岛通常位于水面以下，并 设置平缓的斜坡使船舶搁浅，从而避免船舶撞击桥 墩。施工简便，造价较低，无后期维护，撞击修复 便捷，特别适于应对大型船舶的高能量撞击。但该 设施采用自然边坡，会较多占用航道，并压缩过水 断面，使得流速增加，导致河床冲刷加剧。因此地 质条件较差的桥位不适合采用该方案。 如法国 Verdor 桥、挪威 Brevik 桥、香港青马 大桥均采用人工岛防撞设施。 5. 护墩桩方案 集群式护墩桩由竖直桩或斜桩在顶部用缓冲梁 互相联接而成，通过群桩之间的联合变形从而缓冲 消耗撞击能量。将若干单桩组合成桩群，可以适应 更大变形量的撞击。另外根据撞击力的大小选择桩 径，并根据需要沿顺桥向或横桥向布置，布设方便， 但撞损后修复较为困难。 如挪威的 Troms 桥即采用此种防撞设施；美 国 Sunshine Skyway 桥，相距 36 m 架设有 2 座全长 为 6 727 m 的桥，主跨航道宽为 240 m，可航高度为 42 m，建成的防撞墩方案如图 1 所示；我国荆州长 江公路大桥防撞设施包括主桥 6、7#两个应急通航 桥孔的三个桥墩护墩设施，造价不菲，如图 2 所示。 图 1 美国阳光新桥防船撞方案 图 2 荆州长江公路大桥桩方式防撞方案 6. 浮体系泊方案 针对边墩以及非通航孔桥梁，常采用浮体系泊 防撞方案。该防撞方案由浮体、钢丝绳、锚碇物构 成。通过浮体漂移、钢丝绳变形、锚碇物移动消耗 系统受撞击时的撞击力。深水条件同样适合，缓冲 变形量大，且对船舶有较好的保护。但对于吃水浅、 无球艏船舶和部分有球艏船舶，浮体可能会滑入船 底而防撞失效。 如意大利的 Tarato 桥边墩、我国杭州湾大桥、 金塘大桥，均采用了浮体系泊方式防碰撞系统。 7. 钢围堰方案 原桥墩施工平台可作为防撞系统的支承结构， 改建后利用钢围堰结构保护桥墩，可有效减少防撞 项目投资。 洛溪大桥主墩为双柱式柔性墩， 抗撞能力较弱， 采用钢围堰防撞方案。双层钢围堰总高度 20 m，既 便于施工，又能确保桥梁安全，造价较低，在钢围 堰到达标高后，桩基和承台由水下施工改变为水上 施工，缩短周期，节约设备，降低施工难度。该方 案适用于水位变化较小的承台防撞，如图 3 所示的 平潭海峡大桥承台防撞系统。 图 3 平潭海峡大桥承台防撞方案 8. 浮式钢套箱防撞设施 在主墩四周安装由钢结构及橡胶件组成的钢套 箱，通过钢结构和橡胶的受力变形从而达到消能的 效果。在浮力作用下，浮式钢套箱防撞设施可沿桥 墩上下移动。进过防腐处理的钢结构部分由甲板、 平台、底板、纵横舱壁、内围壁、外围壁、水平桁 架等构件组成。内围壁设置橡胶件，缓冲防撞设施 与桥墩承台的接触。 浮式消能防撞设施设计的工程实例包括黄石长 江大桥、宜万主桥（如图 4）等。 图 4 宜万主桥防撞方案 9. 钢丝绳圈柔性防撞装置 近年来，陈国虞等人研究出一种钢丝绳圈柔性 防撞装置，并将之应用于湛江海湾大桥 2 个主墩承 台的防撞，如图 5 所示。该装置由桥墩承台四周的 圈形内、外钢浮箱体和箱体之间的钢丝绳圈组成， 通过压扁钢丝绳圈从而耗能，并能起到偏转船舶撞 （下转第 289 页） 万方数据 城市建筑道路桥梁URBANISM AND ARCHITECTUREROAD AND BRIDGE 289 以本工程为例，按照设计施工工序要求，系梁支架 拆除要在拱肋吊杆安装后方可进行，若提前拆除， 很可能造成梁体裂缝问题，严重的甚至造成桥梁垮 塌，造成重大安全经济损失。 五、 结语 简支拱施工顺序对下部结构支撑体系受力影响 很大，支架设计检算要结合全桥施工顺序进行。对 于市区复杂情况施工要多方论证，对于所处不同基 础部位，在保证安全的前提采取一种或多种支撑方 法结合使用，以达到安全、经济、节省工期的目的。 参考文献 1JGJ166-2008建筑施工碗扣式脚手架安全技术规 范M.北京：中国建筑工业出版社，2009 2GB 50 923-2013 钢管混凝土拱桥技术规范M. 北京：中国计划出版社，2013. 3TB10 002.5-2005 铁路桥涵地基和基础设计规范 M.北京：中国铁道出版社，2005. （作者单位： 中铁六局集团北京铁路建设有限公司， 北京 100089） （上接第285页） （3）架设承重索 在主塔的周边位置进行放索盘设置，在承重索 的前部夹持有夹索器，通过夹索器将承重索引到索 塔，连接到塔顶的连接处。通过已经架设好的循环 索进行猫道承重索的牵引，主要是通过上下游对称 的方式进行架设。按照计算值的情况，架设一根后 要进行其索垂度的调整，同时要观测塔顶的偏移位 置。在完成了所有的承重索架设后，通过桥面两侧 的调节装置进行承重索的再次调整，确保猫道的所 有承重索都能够达到设计垂度的要求。 （4）猫道面层的铺设和调整 猫道的面层主要是通过在承重索上铺设两层钢 丝网来实现的。通过索道的牵引小车进行钢丝网的 牵引，使其沿着桥面向着主塔顶进行铺设。在钢丝 网被牵引到塔顶之后，可以沿着两端跨中的顺序 进行U型螺栓的拧紧，之后进行扶手绳的安装，然后 顺序安装栏杆立柱、钢丝网以及护栏等。完成猫道 的安装后进行垂度的测量，通过位于锚固端的调节 装置进行不断的调整，直到满足要求为止。 （5）猫道改吊 在钢桁梁的吊装过程中， 随着钢桁梁荷载加入， 主缆跨中的中点要下降，边跨主缆的中点要上升， 主缆的线形随着钢桁梁吊装不断地变化。为了使猫 道线形适应主缆线形变化，需进行猫道改吊施工， 猫道改吊施工在索夹安装完毕后钢桁梁吊装之前进 行。通麦特大桥的猫道改吊是在猫道上每隔 6 m 有 猫道横梁型钢的地方，用一道15.0 钢丝绳将猫道 悬挂于主缆上。猫道悬挂的顺序：由中点开始，同 时往塔顶和锚碇方向进行。 （6）起重索道的设置 为了更加方便进行主缆索股的架设、便于索夹 和吊索的安装、主缆的整形和吊运小型的机具和料 具，可以在上下游位置分别设置相互独立的工作索 道。要将索道分别设置在两根主缆之上，按照悬索 桥所具有的特点来分段设置索道。由于索道吊装件 具有较大的重量，所以将索道设置在比较高的主缆 位置。索道主要包括的部件有：塔架、导向承重索、 牵引循环索、锚碇、驱动系统、行走小车以及缆风 系统等。 （7）猫道打断 通麦特大桥作为一个单塔单跨悬索桥其钢桁梁 吊点 117 号梁段位于上弦杆，之后梁段位于下弦 杆位置，这是比较特殊的。钢桁梁安装与猫道会发 生冲突， 因此在 18 号梁段安装前将进行猫道打断施 工。在猫道打断位置安装猫道打断横梁（既猫道大 横梁） ，安装完成后，安装端头安全网，利用门架承 重索改制的天线吊拆除猫道承重索以上构造，完成 后，每根承重绳多预留出 50 cm 切割，将猫道打断， 然后将预留的 50 cm 承重绳向成都岸折回各用 3 个 绳卡卡紧，防止大横梁及猫道面网滑移。 三、 结语 猫道是悬索桥的重要组成部分之一，猫道除了 具有高空施工脚手架的作用之外，也是悬索桥上部 结构施工非常重要的组成部分，所以要对悬索桥空 间索猫道的设计和施工进行充分研究。通麦特大桥 是川藏公路（西藏境）通麦至105道班段整治改建工 程的关键组成部分，对其猫道的设计和施工进行研 究能够进一步促进藏区交通建设，推动我国经济的 发展。 参考文献 1马亮，屈喜庆，李飞，高璞.空间索面悬索桥猫 道设计与施工J.天津建设科技，2016(3)： 29-31. 2周畅，杜洪池.三塔两跨悬索桥猫道设计与施工 J.中国工程科学，2010(4)：31-35. 3常英，乐云祥，胡晓伦.武汉阳逻长江大桥施工 猫道设计与验算J.公路交通科技，2005(12)： 45-47. 4张日亮，韦壮科，罗志恭，彭春阳.空间缆索结 构的悬索桥猫道系统施工J.预应力技术， 2009(1)：129-131. （作者单位：四川公路桥梁建设集团有限公司，成 都 610041） （上接第286页） 击方向的效果。防撞工程总造价 2 800 万元，较浮 式钢套箱消能防撞设施的造价得以节省。 图 5 湛江海湾大桥主桥斜拉桥防撞方案 10. 复合材料防撞设施 在航空、航天、汽车和运动器材等防护装置等 领域，复合材料结构作为吸能元件已得到越来越广 泛的应用。近年来利用复合材料的轻质、高强、弹 性、耐腐蚀的优点，设计开发了面向船桥碰撞的新 型复合材料防撞设施，该防撞设施具有弹性好，长 纤维，可达到船桥双保护；稳定性好、耐腐蚀、免 涂装、免维护；自重轻、运输安装、更换方便；弹 性大变形等优点。 福州市琅岐闽江大桥通航代表船型为：3 万 t 级集装箱船舶（载箱量 2 000TEU 集装箱船）。将固 定式复合材料防撞装置应用在桥墩承台周围，可有 效保护桥墩，如图 6 所示。 图 6 福建市琅岐闽江大桥防撞方案 二、 结语 本文通过对国内外桥梁防撞设施的调查，特别 是针对万吨级等大吨位船舶的防护措施，归纳汇总 了目前采用的防护类型、各自特征和适用情况。研 究结果表明：桥梁防撞设施应首先根据桥墩结构自 身抗撞能力进行设计，对于桥墩结构自身抗撞能力 较弱的工况，可选用隔离式防撞设施，如重力方式、 人工岛、浮体系泊方式等；对于桥墩结构自身抗撞 能力足够的工况，可选用钢套箱、复合材料防撞系 统等附着式防撞设施。 参考文献 1耿波，王君杰，汪宏，等.桥梁船撞风险评估系 统总体研究J.土木工程学报，2007，40(5)： 34-40. 2国际桥梁和结构工程协会（IABSE）.交通船只与 桥梁的相互影响（综述与指南）Z.1991. 3胡志强，崔维成.船舶碰撞机理与耐撞性结构设 计研究综述J.船舶