东海大桥桥涵标设计

东海大桥桥涵标设计2006年5月第5期总第388期水运工程Port&WaterwayEngineeringMay2006No,5SerialNo.388?路桥?东海大桥桥涵标设计阳建云(上海航道勘察设计研究院,上海200120)摘要:我国至今尚无一部规范海区桥梁助航标志设置和管理的国家(或行业)标准.东海大桥桥涵标设计中,根据国内外各方面资料,采用多种方式进行比较设计.涉及的主要内容包括:日标牌的尺寸设计,桥涵灯及雷达应答器的设置与选型等.关键词:东海大桥;桥涵标;雷达应答器;日标牌;桥涵灯中图分类号:U644.4文献标识码:B文章编号:10024972(2006)05007905DonghaiBridgeMarksDesignYANGJian-yun(ShanghaiWaterwayInvestigation,DesignandResearchInstitute,Shanghai200120,China)Abstract:Uptonow,thereisntanynational(orindustria1)standardyetestablishinguniversalnormsforbridgemarksoversea.IndesignofDonghaiBridgemarks,wecomparedavarietyofmethodsusedinnumerousprojectsbothathomeandabroadandconsideredmainlydesignofdaymarksdimensions,selectionanderectionofbridgelightsandradarresponders,etc.Keywords:DonghaiBridge;bridgemark;radarresponder;daymark;bridgelights东海大桥是上海国际航运中心洋山深水港区重要的配套工程.大桥起始于上海南汇的芦潮港,跨越杭州湾北部海域,直达浙江省嵊泗县崎岖列岛的小洋1_I1,全长为32.5km,其中海上段25.3km.在大桥所处的海域间设通航孔4处,其中,主通航孔1处,供5000t级船舶航行,其余3处辅通航孔,分别供500t级和1000t级船舶航行.为保持东海大桥桥区水域良好的航行秩序,防止过桥的船舶走错桥孔,避免发生事故,必须在通航孔上设置桥涵标,引导船舶安全通过大桥.目前我国海区助航标志的技术标准中,尚无关于桥涵标的规定,内河助航标志1中的规定不适合东海大桥这样的跨海大桥,可供参照的仅有国际航标协会(IALA)关于航行水道上固定桥梁标志的建议(以下简称IALA建议).但该建议只对桥涵标标志性质,形状,设置位置等有原则性的要求.而有关桥涵标日标牌的尺寸设计,桥涵灯及雷达应答器的设置与选型等未有具体规定.本文介绍了东海大桥固定桥梁标志桥涵标的设计,主要是日标牌尺寸,桥涵灯以及雷达应答器的设计方法.1东海大桥通航孔桥涵标设置介绍IALA建议中,将桥涵标分为3类.第1类为视觉标志,包括日间标牌,夜间灯光;第2类为音响信号,主要指雾号;第3类为雷达标志,包括雷达反射器和雷达应答器.东海大桥桥梁上设置了第1类视觉标志和第3类雷达标志.收稿日期:20060215作者简介:阳建云(1965一),女,高级工程师,从事导助航专业设计.?8O-水运工程2006丘1.1视觉标志设置按标志性质分侧面标志,最佳通过点标志和禁航标志.东海大桥5000t级主通航孔为单孔双向通航孔.在其上行和下行方向分别设置左右侧面标和最佳通过点标志;其余3处辅通航孑L为双孔单向通航孔,上,下行分道通航,在单向通航的通航方向设置最佳通过点标志.而在其背面(反方向上),为确保船舶单向航行,在通航孔中心的横梁上设置禁航标志.将日间标志和夜间航标灯作为1组视觉标志,东海大桥4处通航孔共设置有视觉标志l8组.1.2雷达标志雷达应答器设置按照东海大桥实际情况和海域自然条件的复杂性,为保障船舶全天候特别是能见度较低,或水上助航标志受到视线限制或移位情况下的通航安全,有必要设置雷达标志雷达应答器.根据IALA建议,雷达应答器可用来标示最佳工作点,也可用来标示多航道通行的跨度,但后者不能用在跨度较小的桥孔.主要是雷达应答器存在的技术局限【2.在东海大桥5000t级主通航孔分道通航的中央单侧设置雷达应答器,以引导船舶特别是能见度不良时进入主通航孔.东海大桥通航孔桥涵标设置方案见图1和图2.芦潮港方向小洋山方向一书桥墩桥墩.,o辔叼_I_J儿且.卿,卜最佳工作点标志(中央标);,口左,右侧面标;雷达应答器图1东海大桥主通航孔桥涵标设置方案一一=广一,o最佳工作点标志(中央标);.K禁航标图2东海大桥辅通航孔桥涵标设置方案2桥涵标日标牌尺寸设计2.1参照水运工程导标设计规范31设计标牌的初显宽度和显形宽度计算公式如下:Bc=O.00029DmBx=0.00029Dm/C式中:为标牌的初显宽度(m);Bx为标牌的显形宽度(m);Dm为观察距离(m),自观察者至观察目标的距离:c为显形系数,三角形标牌取0.6,方形和圆形取O.4作为日问使用的标牌,最理想的是尽可能在最远的地方可以识别出来.也即标牌应尽可能大.但实际情况下.标牌的大小受各种条件限制.例如标牌越大,其受风面积也相应增大.对标牌的抗风设计要求将提高,成本也越高.因此,应选用适当的日标牌尺寸.在东海大桥上.以在通航孔引导航道人F-J处,航海者肉眼能识别桥涵标标牌形状为设计原则.主通航:fLJf导航道长度按3nmile计,3处辅通航孑L引导航道长度按2nmile计,因而,主通航孔和辅通航孔上桥涵标标牌的显形距离分别取3nmile和2nmile,代人上述公式计算,结果见表1.表1按导标设计规范计算的日标牌尺寸标标标禁航标志标志形状等边三角形圆形正方形圆形尺寸主通航:fL/m边长2.7扯I.0边长4D辅通航CL/m边长1.8边长2.7由2.7如果在引导航道入口对形状的识别没有要求,计算主通航孔和辅通航孔标牌的宽度分别为1.6m和1.0m,可见标牌的尺寸可以减小很多.但实际上,日标牌的视距受能见度,安装背景等多种因素的影响,国际航标协会要求141,日标的尺寸应根据最大有效视距和最低能见度条件来确定,而上述计算方式未考虑这些因素,所以存在较大的缺陷.2.2按日本海上保安厅推荐设计51日本海上保安厅推荐,当视角最大1毫弧度,日标尺寸较小时,可按以下公式计算:喜J2c(o)?0.05?=0.038第5期阳建云:东海大桥桥涵标设计?81式中:C(0)为日标与H标背景天空之间的对比度;为日标视距(km);V为气象能见度(km);0.05为亮度对比的阀值;d为H标一个边的平均长度(m).图3是根据该方程计算日标数据的图.用这张图能够十分方便地得出H标牌的概略值冀05.0302Rl隧8.02釜,厘,;.,5,量叫盎H<蟑图3日标牌尺寸计算图公式充分考虑了有效视距,气象能见度以及背景亮度等因素对H标尺寸的影响.以东海大桥为例,设计步骤为:1)确定大桥通航的最低能见度国际气象组织(W.M.0)4300法规中规定,能见度分0-9级.东海大桥在何种能见度情况下不能通航,有关部门尚未有规定.按照一般经验,在H间能见度小于1km左右的情况下是不会通航的.为确保船舶航行安全,推荐东海大桥通航能见度等级为4级,即稀雾,视距12km.2)确定H标牌视距应确保在任何通航气象能见度下,航海人员用肉眼能够观察到日标牌.为此,气象能见度为1km时,标牌的视距应大于该值.取1.51.6km.按图3,对应的标称视距(气象能见度10nmile时)为8km.3)估计H标和天空亮度的对比度日标和天空亮度的对比度受照度,气象条件以及H标的安装背景,表面制作材料等多种因素影响,存在较大的不确定性,因此只能估计概略值.由图3可知,在同样条件下.日标和天空亮度的对比度越大,其要求的标牌尺寸越小.按照东海大桥标牌的安装位置及表面制作材料.日标和天空亮度的对比度取为24)按公式计算H标一个边的平均长度将以上各数据代人公式,计算出H标一个边的平均长度为2.4m.由于东海大桥主通航孑L的通航净高40m.比2处500t级通航孔(净高17.5m)和1000t级通航孔(25m)高得多,其引导航道长度也更长.而上述计算公式中并未考虑这些因素.因此,按照计算结果,并综合通航孔其它条件.设计东海大桥通航孔标牌尺寸见表2表2按日本海上保安厅推荐计算的日标牌尺寸瓣眭质标标志侧,芯标志形状等边三角形圆形正方形圆形尺寸主通航孔/m边长3.4击3.0边长3IU辅通航孔/m边长2.8边长2.4击2.4H标的显形性以正三角形最好.其次为正方形和圆形.在实际情况下.形状的识别距离也根据形状,颜色,照度情况,背景情况,大气情况等而有很大变化.2.32种计算方法的比较可以看出,第1种方法计算较为简便,但没有考虑气象能见度,日标安装背景等各方面的影响,第2种方法弥补了这方面的缺陷.然而,在计算公式中,由于H标和天空的对比度,最低气象能见度下对应的视距均为设计人员根据各种条件而估计的,而数值的较小差别对计算结果的影响较大,因此,用第2种方法计算的H标牌尺寸只能是概略值.设计时建议使用两种方法比较,并结合建设条件,通航孔尺度,船舶航行安全要求等予以确定.3桥涵灯设计3.1桥涵灯灯光射程的设计标称的灯光射程是设定10nmile为标准能见度下大气透射系数T=O.74来计算的.东海大桥全桥的桥侧处.每10m间距安装1套蓝色的LED灯具作为警示照明,因此桥涵灯背景光较强,而且,随着洋山深水港的发展和繁荣.大桥来往车辆的增加,背景光势必还要增强.因此,应确保航海?82?水运工程2006点人员在繁杂的背景灯光下能够识别桥涵灯.在东海大桥桥涵灯设计中选择标称射程10nmile的灯器.按国际航标协会规定,考虑较大背景光,其标称灯光射程修正后约为36nmile.当然,LED警示照明并非每天打开,为避免无背景光或背景光较小时灯光眩目,可通过多个灯器组合或LED多层切换来控制灯器的亮度.3.2桥涵灯的选型3.2.1航标灯作为桥涵灯方式目前国外大桥基本使用这种方式,且有的国家有明确的规定.如美国海岸警卫队对不同通航桥梁的桥涵灯,安装位置,灯器发光角度(水平发散角)等有相当详细的要求.典型的多孔通航桥梁桥涵灯布设如图4所示.图4中.红灯为180.定向发光,安装在桥跨下或桥墩上,而安装在主通航孔桥跨下航道中心线上的绿灯为360.全向发光,白灯为80.定向发光.这种设置,通过各桥涵灯的安装高度标示出了通航净高;通过左右两侧的桥涵灯标示出了通航净宽;通过中心的桥涵灯可区别主通航孔与其它辅通航孔,同时,航海人员可在中央(绿色)灯器作用的范围内,以2灯连线作为航道轴线(最佳工作点),操纵船舶沿着2灯1线(起导标作用)航行,安全通过通航孔./<1L航道.JL圭照遭J粤.红灯台O绿灯喜.白灯图4美国海岸警卫队桥涵灯的设置规定IALA建议中,对只在部分跨度下可以航行的通航孔,要求桥涵灯安装在横梁下(或水中的浮标或立标上).由于我国的浮标制式不同,桥涵灯的灯光颜色要求不同,且东海大桥的横梁结构也使按上述方式安装灯器难以实现.综合建设条件,灯器工作环境以及日后的维护,管理等,东海大桥的桥涵标整体布局为:桥柱灯(桥墩灯)安装在通航孔两侧的桥墩四周,既可警示通航孔桥墩位置,又可使船舶通过照亮的桥孔确定可供船舶通航的净空高度,而标示通航净宽的左右桥涵灯安装在通航孔横梁上.3.2.2用泛光灯照在日标上替代航标灯的方式IALA建议中提到可以采用这种方式.即将泛光灯的光束打在标志牌上.从而取得间接的发光效果,这是一种最简单,最有效的形式,缺点是功耗过大.3.2.3一体化桥涵灯这是近年来航标管理部门感兴趣的新型布设方式:用LED组成适当的光带.可以得到区别于传统点光源的面光源(或带光源),大幅度提高桥涵标的可识别性.以明显区别于繁杂的背景光,在船舶进入桥涵标的作用距离时,利于船舶驾驶人员的识别.具体做法有2种,1种是采用高分子材料或其它透光性好的材料为基材.利用内嵌式LED发光器组成夜问发光面.集日间标志牌和夜间定向桥涵灯为一体.其中的发光器系由特殊的LED发光二极管组成的灯阵:另1种做法整体采用LED发光器.从效果看后1种更好,但成本过高,功耗大.而且需要解决日标颜色易于老化,难于更换和维护以及LED的工作温度等技术难题.4雷达应答器的选型4.1单波段与双波段的选择SOLAS公约第5章修正案第19条规定:300总t以上所有船舶应配置1台9GHz雷达,3000t级以上所有船舶应配置1台3GHz雷达或第2台9GHz雷达.按照大桥通航船舶等级,应选用X/S双波段短程雷达应答器.而按照IALA无线电管理委员会第21次会议精神,对基于雷达的助航设施政策将进行调整.特别是雷达应答器方面变化更大,有关S波段,X波段雷达应答器的使用将会逐步取消,具体步骤为:2007年以后,现存的雷达应答器将不再对所有新的s波段作出响应.到2012年后.所有的应答器将不再对所有S波段雷达作出响应,2012年之后.X波段雷达应答器也将受到类似的政策调整.因此,雷达应答器可第5期阳建云:东海大桥桥涵标设计-83-选用单波段,或选用双波段,在政策实施前使用2个频段.政策实施后s波段功能关闭.4.2天线的方向性主通航孔的上,下行方向分道通航的中央各设置了1座雷达应答器.应使船舶上行(或下行)时在雷达屏幕上只能看见上行(或下行)方向的雷达应答编码信号,注意避免2个雷应之间的旁瓣干扰.桥梁的钢筋混凝土结构可以起屏蔽作用,为在技术上得到进一步保障,应选用定向水平极化天线的雷应.5结语1)由于海上气象条件恶劣并变化无常,通过大桥的船舶吨位,装载货物,航速,船上的电子导航设备以及船舶自身操纵性能,船长的技术操作水平等各方面差异较大.大桥的助航服务应满足各种船舶在不同通航气象条件下的安全航行需要.必须全方位统筹规划,建立大桥综合的助航服务系统,包括建立相互独立,互补的导助航服务系统.2)桥涵标设计时应根据大桥的实际情况,考虑多方面因素的影响,优化设计方案.东海大桥桥涵标实施后,经技术测定:航标配布合理,设备先进,效能显着,得到了航海用户,海事管理部门和各有关专家的一致肯定.参考文献:1GB586393,内河助航标志【s】.2刘功臣,编译.国际航标协会有关建议汇编【c.北京:人民交通出版社.2000:7781.3JTJ23794,水运工程导标设计规范【s】,4中华人民共和国海事局,译,国际航标协会助航指南(第四版)【M】.北京:人民交通出版社,2003,5日本协理基金事业团,日本海上保安厅.航标教材(海外培训版)(2).周寿椿,译【M】一E京:交通部安全监督局.1996:9193.6TidelandsignalCorporation,Bridge&BargeLights/AidstoMarineNavigationEB/OL,(2ooo-o6)2oo3-2jhttp:/www,tidelandsigna1.corn.7罗思明,苗猛.IALA无线电导航