桥墩防撞设计中对驳船队撞墩研究与处理

1、桥墩防撞设计中对驳船队撞墩研究与处理摘要：驳船队比较宽、比较长，再加上操纵不灵便, 在桥梁设计开始阶段，对桥型、通航宽度和撞上概率等三方 面对它及早考虑是应该的。但是，由于驳船的使用日渐减少, 驳船队一撞就散，撞击力比较小，因此驳船队的撞击力不成 为撞塌桥墩的控制因素。本文从驳船队连接特点出发，求出 两边驳船对被撞驳船的附加力；并从冲击动力学的理论出 发，计算出后面驳船对被撞驳船压力峰值与第一撞击力峰值 的时间差，说明叠加之后远小于该航道上相当载重量的单船 的撞击力。所以，计算航行船舶对桥墩的撞击力时，主要应 该考虑单体船。因此也对我国公路桥梁设计规范源出于驳船 队的规定和美国各州公路和运输工

2、作者协会（aashto）的指 南中关于驳船队的研究，进行了讨论。关键词：驳船队；驳船撞墩；通航宽度；峰值的时间差; 边驳的附加力analysis and countermeasures for barge fleet collision with pier during design of bridge anti-collisionchen guoyu（ shanghai marine steel structure researchinstitute, shanghai 201204 )abstract： a barge fleet has big length and breadth an

3、d it is not easy to operate because of the mono-hull ship and so at the beginning of bridge design stage, the designer would consider these three factors including bridge type, navigable width and probability of the ship collision with pier. however, there are less and less barges and the barge flee

4、t may disperse immediately after collision with bridge happens, because collision force is small and the collision force wou 1 d not be the control factor in the ship collision with bridge pier .this paper discusses the peculiar ity of the link bet ween the barges in the flee t and the append force

5、from the two close barge and the interval time between two peak values of force are calculated and when the two peak values of force are piled up the result is far smaller than the peak value of the mono-hull ship. so, when we calculate the force of the collision we should consider the mono-hull shi

6、p .this paper also discusses the guides about the barge collision with bridge of china and aasht0.key words： barge fleet； barge collision with the bridge； navigable wid th； int erval time bet ween two peak values； appends force from two close barges1驳船队的现状大型驳船队，我国主要在武汉以下的长江中下游从事载 货运输，曾每年为马鞍山钢铁公司、武汉钢

7、铁公司运输矿石 1 000万t以上（上水），为沿江各电厂运输煤炭2 000万t （上、下水）。另外，驳船队为下游的建筑工地运送砂石也 是非常经济的。1x4413 kw （6000hp） +20x2 000 t 的驳船队为载重最 大的驳船队之一，如图1所示，其载重量达到4万t。在河流下游的水网地区，流速比长江低些，往往几百马 力的拖船就可以拉几千吨的货，运输成本比较低。可以看见 一字长蛇形的拖驳船队。如图2所示。驳船队这种运输方式大约风行了几十年。"进入21世 纪，船运公司增多，货源分散；北煤南运，港口建成，水运 煤由江转到海上。大批载重量为5000t30000t的江海联运 浅吃水肥大

8、型散货船投入运输。她们自航，调度方便，靠离 码头不需港作拖船帮助，不花港作规使费。船上防浪防潮设 备好，可载多种货品，适应港口大型化和港口装卸高速化。 因此港口和货主倾向自航货船，大多数货主不再接受2000t 以下驳船。” 1驳船公司为了维持本身的竞争力，采用建造大载重量驳 船的补救办法：批量建造5000t舱口驳，以缩短码头掉靠驳 船的时间，减少使用港作拖船的费用；建造8000tloooot 甲板驳，以承运大件货物。'但由于补救办法仍未能彻底改变驳船队运输'不适 港，不适货'的总趋势，所以驳船队退出江湖是必然趋势。 2009-11-04,国内最大的内河水运企业凤凰公司将

9、106艘 2000t中分节驳退出市场。长江航运进入自航船舶时代。” 1 2驳船队撞墩的实例描述“1998年夏，长江中上游发生特大洪水，全线封航，9 月2日洪水消退恢复通航，就在这天晚上，长22033轮第23 航次，顶推1 000 t1 500 t空驳7艘顺水而下，航速18 km/ho 八时刚过，与黄石长江公路桥3号主墩防撞设施相撞。船队 编结如图3所示。图3被撞散前的船队编结图碰撞发生后，多根系结缆绳断裂，船队分解，分别从防 撞设施两侧漂下，各个驳船损伤程度不一，o ” 2因为是21237号驳船撞3号墩，所以“21237驳，左舷发生 长6 m高2 m凹陷0.25 m的破裂穿孔；甲板拱凸8 m2

10、。 21169驳，首尖舱水线（2.4 m）以下全部破损，5根 钢丝绳（50 mm 4根。75 mm 1根）断裂。81058驳，首尖舱左舷近第一空仓处破损凹进2处，各为1000x50mm, 第一舱左舷侧板破裂12 000x600 mm,系结钢丝绳断损3 根。” 2从上面描述可以看出，驳船队是用钢丝绳系结起来的， 撞墩之后钢丝绳断裂，驳船散队。而且空驳船的惯性力就足以拉断连接钢丝绳，致驳船队 散队。这个概念要从船舶流体阻力出发去理解，驳船之间的连 接钢丝绳是为了推船（从前俗称拖头、推轮）推带驳船前进、 转弯和靠泊之用的，而船舶在低速度时，基本没有兴波阻力, 要使驳船前进只需比克服摩擦阻力大一点的力

11、便可以了，驳 船队选择的运行速度比较低，使用的连接钢丝绳比较细就够 to3驳船队系缚驳船的方式驳船之间的力传递驳船队对撞击桥墩的影响，大致有两个方面：是驳船 队的宽度，影响到通航净宽的选定7,是驳船队对桥墩 撞击力的大小，而要决定撞击力的大小就必须弄清楚旁边的 驳船是怎样对撞上的驳船传递作用力的。研究发生撞击时驳船之间力的传递，必须了解驳船之间 是如何连接的。驳船有拖带和顶推两种走法，因为顶推的效 率比较高，多艘驳船的大编队多用顶推。窄小河流用前拖， 一字形编队。单只驳船用前拖和侧面绑拖都可以。两只驳船 可以用左右绑拖或前拖。顶推驳船编队常用的有：梭形、燕 形和梅花型。如图4所示。图4三种常用

12、的顶推驳船编队方式驳船队中推船与驳船和驳船与驳船之间大多数是用钢 丝绳连接的3,个别曾用过钢搭扣，现已不多见了。驳船 队联接的钢丝绳，按其作用和位置，常用的有8种称呼： 包头缆，横缆，拖缆，倒缆，连接缆，尾缆， 操纵缆和过江缆。其中“8过江缆”示于图4,其余7 种如图5所示。包头缆横缆拖缆倒缆连接缆 尾缆操纵缆图5用钢丝绳联接驳船队的典型例子钢丝绳是不能传递推力的，凡是受推力的地方钢丝绳是 的，它能够传递拉力；每根系结钢丝绳所能传递的最大拉 力，是该钢丝绳的破断拉力。前后驳船之间是能够传递推力 的，当前面的驳船速度低于后面的驳船时，后面的驳船便通 过缓冲垫（通常是橡胶材料制成）给予推力。下面将

13、讨论这 两种力的传递。4应力波在钢质驳船内的传递一一峰值判断4. 1从冲击动力学理论分析冲击载荷使构件受载后产生的变形有局域性，即变形和 损坏集中在受力区附近。当第一艘驳船受桥墩撞击时（例如 桥墩撞击船头）撞击点附近即受载、变形，形成损坏，这时 有两个后果：1）被撞的一艘驳船减慢，其他驳船继续前进，在这一 瞬间动作中，其他驳船通过受拉力的钢缆给第一艘驳船加载 直至钢缆拉断为止撞散。这是大多驳船被撞后发生的情 况。2）后面的一艘驳船将两船间的空隙压缩，在惯性力的 作用下后一艘船将撞击前一艘船的尾部，这种载荷需要时 间，这样与第一艘船撞力产生的峰值便会不同时产生，可能 出现第二个撞击峰值。第二艘船

14、压向第一艘船尾部的时候， 会引致两船接触部分的损伤（局域性），这儿也会消耗能量。 因在第二艘船的头部和第一艘船的尾部存在橡胶垫块，橡胶 垫块延长了撞击过程的时间也减低了撞击力，同时也延缓了 在接触处的第二次撞击力的时间。对第一艘驳船与桥之间的撞击力，应考虑两项直接的作 用：其一是第一艘驳船的速度、自重和船头刚度等等；其二 是通过钢索在撞击瞬间能够加上去的载荷。4. 2通过钢索在撞击瞬间能够加上去的载荷由于第一艘船被撞受阻，和其他各船之间产生速度差， 使受拉的钢丝绳载荷增加，导致这些钢丝绳拉断，驳船队散 开。按照图示的几种绑扎方式，例如实例燕式加边，当撞到21237驳时，有4处钢丝绳受拉,每处两

15、根钢丝绳，共8根。通常用2英寸（即圆周50. 8 mm,相当于国标中直径16 mm）：3英寸钢丝绳（即圆周75 mm,直径24 mm),若按gb/t8918-1996, 6x37+fc结构，1 670 mpa强度级的钢丝绳，则 其主参数如表lo这个数量级相当于满载驳船撞击力的20%左右，（在上述 实例中，连接钢丝绳被空载驳船拉断，也说明是这个数量 级），如果考虑到钢丝绳拉断有先后，这个系数还要折减。 粗略地说，首驳撞墩侧驳通过钢丝绳加上去的力，相对当于 首驳“船撞力”的20%,因此建议在以后的计算中，用将驳 船质量（dpt）乘上一个系数（1.2）的办法处理。4.2二次撞击的撞击力叠加的时间差后

16、一艘驳船撞击前一艘驳船的尾部的二次撞击力为橡胶垫所传递的力，根据试验，橡胶一般在0.1-0. 14 s （100 ms140 ms）左右才能达到峰值；再加上应力波传递的时间： 在惯性力的作用下，从第二艘船的中部质心传到第二艘船的 船头有半个船长，第一艘船的船尾传到第一艘船的船头，有 一个船长，因此与第一次撞击相比，延后了 1.5 l/c （l =一艘驳船的长度，c =船中的应力波传递速度）。设驳船长l = 100 m,应力波传递速度应算为c=5000 m/s,所以应力波 传递时间为：1. 5l/c = 30 mso （延后总共130 ms170ms）。在船撞力的时程曲线中，过了峰值一百多毫秒（

17、下面讨论用平均值150 ms）后叠加的二次力对峰值影响已经不大了，下面用曲线讨论两个因素对峰值的共同影响。4. 3峰值判断以燕式绑结方式（图5不加边）为例，6艘载重量为3 000 t的驳船（在长江现在还有使用）连接成驳船队。总载重量 约20 000 t,航速为每秒4 m,最前面的一艘驳船撞墩，该 桥墩已装有柔性耗能防撞装置。在驳船队各次撞击力的叠加的示意图中，撞墩首驳船撞 击力时程曲线为0号，两边都有钢丝绳附加值（1.2x2）, 故乘以1. 4,得到1号曲线；约150ms后叠加后面驳船的力得到2号曲线，得到峰值5；再过150 ms后叠加推船的力3号曲线，由于拖船的质量不大，约looodpt得到

18、峰值6。4号曲线是载重约25 000 dwt的自航单体货船以每秒4m的速度撞墩力的时程曲线。可以看出，4号曲线的峰值（约52 mn）远大于驳船撞击力叠加后的峰值。船队例图和峰值示意图6、图7。图6峰值判断图例 图7驳船队各次撞击力的叠加的示意图5对我国桥梁设计规范中桥跨净宽、净高的讨论我国两个桥梁设计规范中对桥跨的净高有一些规定，对净宽则要求符合jtj311-97通航海轮桥梁通航标准10和gb50139-2004内河通航标准9的规定。后者对桥跨的宽度主要是考虑驳船队，而且仅考虑了矩 形的驳船队。根据现在的发展，驳船队少了，宽度小了，“撞 上”的概率就小了。但单艘自航的船大了、快了，船撞力变 大

19、；船的上层建筑大了高了，风流压偏角变大一一都要求桥 跨加宽。船撞因素对桥梁开始阶段的选型，越来越重要。6结论经过研究认为：由于驳船队撞击桥墩的力叠加后的峰值 远小于同样载重量的自航货船（或集装箱船）的撞击力的峰 值。而且发展的方向是自航的货船取代驳船队。单体货船载 重量较大，速度较快，撞击力较大，对船撞墩起决定性的影 响。应选择自航货船作为设计防御船撞桥时船撞力的代表船 型。在桥梁设计的开始阶段，考虑桥型、通航宽度和船撞上 桥墩的概率时，可对现在仍有的驳船队的宽度加以考虑（虽 然船撞力已经不起控制作用）。7对美国船撞桥设计指南中关于驳船两则条文的讨论美国船撞桥设计指南4中关于考虑驳船的意见见于

20、 3. 12节和3. 13节。"3. 12驳船对桥墩的撞击力驳船正面撞击桥墩时，撞击力可以按以下方法计算：这里：pb二驳船撞击等效静力（千磅），胡二驳船宽度（英 尺），ab二驳船船头损坏深度（英尺）”。指南中，对于4艘以内的运泥驳船队，有计算好的线图。 一般的驳船如欲根据船头损坏深度计算驳船对墩的撞击力， 则有：“3. 13驳船船头损坏深度驳船船头的损坏深度应当按如下公式进行计算：这里：ab二驳船船头损坏深度（英尺），ke二驳船撞击能 量（千磅-英尺），为驳船宽度（英尺）。”对此，讨论几点：1）有了驳船宽度并计算出驳船撞击能量之后，代人公 式（3. 13-1）计算出驳船船头损坏深度，

21、看计算出驳船船头损 坏深度是大于还是小于0.34,然后再用公式（3. 12-la）或 （3. 12lb）计算出驳船对墩的撞击力。 这种用冲击能去 计算冲击力的理念，由于不符合牛顿力学的基本原理（冲击 力与物体质量、速度和刚度有关，不是冲击能的单变量函 数），在26年前我国铁路规范8的冲击力公式中已经表明, 并提出了不同的处理分法。因为撞击力不是冲击能的单变量 函数，它还受撞击过程时间（牛顿力学的冲量公式）、撞击系 统刚度等因素的影响5,怎能用冲击能加一个驳船头的宽 度就决定了呢？该协会指南也许对特定种类的驳船有用（不 是普适的）。2）在该协会船撞桥设计的补充指南中，对驳船头被撞 深度给予足够重视，我认为可以预防驳船头破损而致的环境 受污染，这是很好的。但是，在桥梁设计的开始阶段，桥梁 设计人首先关心的是选择桥位和桥型。他们首先想知道在航 道中航行的船舶万一撞上时会有多大的力，他选