陈云鹤;朱应欣;黄亚新;王立新
【摘 要】京航运河行船和桥墩相撞的事故时有发生,造成严重的人员生命和财产损失.对运河桥梁实施安全防护势在必行.为了合理设计运河桥墩防船舶碰撞设施,该文在相关研究和应用成果的基础上.分析探讨了防撞设施的设计原则、布局规划、最大撞击力的计算方法和船舶设计碰撞速度、设计碰撞角度以及水动力影响系数等关键问题,可供今后设计运河桥墩的防撞设施参考. 【期刊名称】《现代交通技术》 【年(卷),期】2010(007)006 【总页数】5页(P28-32)
【关键词】桥梁工程;京杭运河;防撞设施;桥墩 【作 者】陈云鹤;朱应欣;黄亚新;王立新
【作者单位】解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007;江苏省交通规划设计院有限公司,江苏南京210016 【正文语种】中 文 【中图分类】U442.59
由于横跨京航运河的桥梁众多，运河行船和桥墩相撞的事故不断发生。特别是随着京杭运河航道通航等级的提高，运河桥梁桥墩更容易受到过往船舶的撞击，且船舶
对桥墩的撞击作用也相应增大，而运河中运输危险品船舶的比重不小，船桥碰撞往往会造成严重的人员生命、财产损失和环境污染的灾难。为此，很有必要研究运河桥梁桥墩的防撞问题。
目前国内外桥墩防撞设施研究主要是保护大型桥梁，涉及内河中小型桥梁的研究很少，因此解决运河桥墩防撞问题，直接采用上述研究成果显然在经济性、适用性、可操作性等方面都是不可行的。比较可行的思路就是在相关研究成果基础上，借鉴国内外先进理论，针对运河桥梁通航条件特点，开展运河桥墩防撞设施问题的研究。 1 桥墩防撞设施设计原则
运河桥梁桥墩防撞设施的设计应根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置和结构型式、通航船舶的类型和碰撞速度、桥区水文地质情况等因素，并要考虑运河航道普遍较窄、桥梁基础老化等特点进行［1-2］，防撞设施设计时应遵循以下原则： （1）桥墩的自身抗撞能力较差，防撞设施不宜与桥墩直接连接；防撞设施要能全部或大部消耗碰撞船舶的能量。
（2）桥墩基础较弱，防撞设施设置尽量少扰动原桥基础。
（3）防撞设施的构造形式和几何形状须使船只损伤较小，以免造成船舶碰撞受损后污染环境。
（4）防撞设施不能影响航道通航，占用航道范围应尽量少，以免造成航道堵塞。 （5）在一定条件下，允许防撞设施受到破坏，但应考虑破坏后能迅速修复。 （6）根据桥墩承台的水平抗撞能力，可以考虑其承受由防撞设施传递来的一定量残余撞击力，以使防撞设施的设计更经济合理。
（7）防撞设施要与周围景观相协调，并应尽量不影响当地原有风貌。 2 桥墩防撞设施布局规划
京杭运河的桥梁结构形式、水文条件等有较多的相同之处，所以防撞墩的设计也是大同小异。但由于不同桥位附近的通航条件不同，防撞墩的布局需要研究，使得在
最优化、最经济的基础上，充分发挥防撞墩对桥墩的保护作用。
防撞墩布局的影响因素主要有3个方面：（1）桥墩的形式；（2）桥墩与岸坡的距离；（3）通航条件与桥梁跨度。由于运河轻型桥墩桥梁是重点设防对象，因此本文也只讨论轻型桥墩的防撞墩布局问题。
防撞墩的布局要求，总体上讲：（1）防撞设施不能影响航道的通航，占用航道范围应尽量少，以免造成航道堵塞。（2）避免防撞墩太靠近桥墩时，由于防撞墩局部失效而造成撞击船撞上桥墩的危险。（3）避免防撞墩太远离桥墩时，撞击船舶会绕过防撞墩直接撞击桥墩。
轻型桥墩的迎水面宽度一般为1.5～3m，设计时需要根据具体桥墩宽度设计防撞墩的尺寸。防撞墩可按照图1所示形式设置。 图1 防撞墩的大致布局
在对防撞墩进行布局时还要依据桥墩至航道边线的距离。当桥墩距航道边线较远时，防撞墩可以设置在靠近岸边一侧，不占用航道；当桥墩距航道边线较近时，设置防撞墩就可能占用极少量的航道，以防止船舶直接撞击桥墩。
防撞墩与桥墩的距离取决于防撞墩的大小、桥墩到航道边线的距离和船舶撞击角度。具体可按照图2进行分析。 图2 船舶撞击的极限位置
图2所示为撞击船舶以最大角度撞击桥墩的极限情况。根据图示极限位置的几何关系，可以求出防撞墩与桥墩之间的最大距离。
式中：l为防撞墩与桥墩之间最大净距；d3为桥墩轴线至航道边缘的距离；d1为桥墩宽度；d2为桥墩长度；θ为撞击角度。
以苏南运河的石塘湾桥为例。该桥通航孔跨径56m，航道宽50m，桥墩轴线至航道边缘的距离为3m；桥墩宽2m，顺水向长10m；防撞墩后部平面长度7m；船
舶撞击角度为11.3°（对此角度取值后文有叙述）。则防撞墩与桥墩之间最大净距为：
即石塘湾桥桥墩设置防撞墩与桥墩之间的净距不应超过5m。但考虑到航道升级造成通航船舶吨位的增加，船舶撞击力提高后有可能造成防撞墩在受撞后移动，因此设置防撞墩时可适当增加其与桥墩间的净距。同时在桥墩位置也可以设置顺桥向缓冲防撞设施。
3 设计最大撞击力的计算方法选择
设计桥墩防护结构，首先要确定能防多大的船舶撞击，这就涉及到碰撞力的计算问题，目前学术界和工程界还没有很精确的计算方法，本文简述几种国内外比较常用的计算方法。
（1）《美国公路桥梁设计规范》（AASHTO1994）有关船舶撞击力的公式 20世纪90年代初最著名的实用性桥梁防撞设计规范是美国于1991年出版的AASHTO指导规范，目前美国桥梁工程师进行公路桥梁防撞设计，主要是以此为依据。该规范规定，对于所有位于水深超过0.6m处的桥墩 （尤其是位于3倍于设计船长以外的桥墩）都应考虑由漂流船舶导致的最小撞击力，该最小撞击力系根据10.7m×59.5m的空载底卸式驳船以年平均水流速度漂移计算撞击载荷。一般地，对于通航桥孔的桥墩，船舶对桥墩的正面撞击力，可按下式计算：
式中，P s是船舶撞击力；DWT是船只载重吨位；v是船只撞击速度。 （2）美国 《公路桥梁船舶撞击指导性规范》（AASHTO）规范公式 1991年，AASHTO在颁布其桥梁船舶撞击设计的指导规范时，综合考虑了Woisin和Dormberg等人的研究成果，船舷正撞时的设计船舶撞击力：
式中：P为等效静态撞击力；DWT是船舶载重吨位；v是船舶撞击速度。 AASHTO规范公式是在船舶正撞刚性墙的基础上提出的，适用于油轮、货轮、散货船类型船舶的船头正撞桥墩的情况。
（3）北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和渡轮的碰撞力公式式中：P是静态等效碰撞力。
（4）挪威公共道路管理局对在公共道路系统桥梁和浮桥的碰撞力公式
式中：P是静态等效碰撞力；DWT是船舶载重量。
（5）Woisin等人根据Minorsky的关系式，给出平均碰撞力计算公式
式中：P0为船舶平均撞击力；v为船舶行驶速度；L为船长。 （6）我国《铁路桥涵设计基本规范》公式
规范将船舶对墩台的撞击力列入特殊荷载的计算中，其计算方法采用静力法，即假定船舶作用于墩台的有效动能全部转化为碰撞力所做的静力功。其公式为：
式中：P是船舶撞击力；γ为动能折减系数，当船舶正向撞击时取为0.3，侧向撞击时取为0.2；v为撞击速度；W为船舶或排筏质量；α为船舶或排筏驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角，如难以确定，可取为20°；C1和C2为船舶或排筏的弹性变形系数以及墩台圬工的弹性变形系数，缺乏资料时可假定C1+C2=0.000 5。
显然，该规范的船撞击力计算公式是基于能量理论推导的，动能折减系数γ表明船舶的动能在碰撞过程中只有一部分转化为系统的内能。但公式中的C1和C2等参数难以准确确定，实际应用中往往因为取值过大而使计算出的撞击力偏小。
（7）我国《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2004）公式 规范中规定的桥梁承受撞击力：
式中：P为漂流物撞击力；M为船舶或漂流物重力；v为水流速度；T为撞击时间，无资料时取为1 s；g为重力加速度。该规范的船撞力计算公式就是经典力学的冲量公式，理论清楚而直接，但其中的撞击时间T因缺少实际资料，一般都选为1 s，按此值计算的船撞力与按国外规范的计算值相比较小。
在该规范中，将船舶撞击当作一种偶然荷载。当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用标准值可按表选用。
综上所述，就目前国内外船桥碰撞力的计算方法而言，各国对于船桥碰撞过程中船撞力的计算规范以及经验公式比较多，其理论基础各有不同。国内的规范将船舶撞击力处理为偶然荷载，将动力作用等效为一个水平静力作用，主要作为设计桥梁时考虑桥梁防撞击能力的最低参考依据；国外规范和经验公式较多地依据碰撞试验和对船舶碰撞事故的研究，部分经验公式来源于解决具体工程问题的过程，具有一定的针对性和实用性。但是所有的规范和经验公式都是建立在经典理论基础上的，其适用性都有很大的局限性，只有在特定船型和撞击速度下其计算结果和实际撞击力接近。本文作者以1 000 t单船以速度3m/s正向撞击桥墩为例，对采用各种规范以及经验公式计算的船舶撞击力进行比较，结果如表1所示。单船的主要参数为：载重吨位（DWT）1 000 t；船体总长63m；型宽为10.8m；型深为5.4m；满载吃水4.4m；船首宽5.4m；空载重200 t，并以目前苏南运河中较多的V型船首船舶作为计算船型（其余相关计算参数已在介绍计算公式时提及）。
从计算结果看，不同规范公式计算出的船撞力差别较大。从规范公式的计算原理看，项海帆、范立础两位院士在2002年对国内外船撞力计算经验公式做了比较，认为国内一般桥梁参照欧美专门规范的设计船撞力较为可行。如：AASHTO适用于小
吨位低速碰撞，而修正的Woisin公式适用于大吨位高速度碰撞，其中前者的计算假定与运河船舶撞击桥梁工况最为接近，因此，对运河桥墩防碰撞问题宜采用《美国公路桥梁设计规范》（AASHTO1994）作为理论计算验证基础。
表1 规范及经验公式计算船撞力计算方法 撞击力/MN Woisin公式 23.43修正的Woisin公式 8.12《美国公路桥梁设计规范》（AASHT01994） 12.78美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》（AASHTO） 13.04北欧公共道路系统公式 15.81挪威桥梁载荷规范 37.80我国《铁路桥涵设计基本规范》公式 1.43我国《公路桥涵设计通用规范》公式 3.86（查表值为0.8） 4 几个撞击设计参数的选择确定 4.1 设计碰撞速度
船舶碰撞桥墩的原因，主要按2种方式考虑，一种是航行中由于误操作、或气候恶劣等原因碰撞桥墩，另一种是船舶在桥梁上游完全失控，漂流而下撞击桥墩，因此应分别进行计算。 （1）船舶航行时碰撞桥墩
根据《美国公路桥梁设计规范》（AASHTO1994）的规定，设计撞击速度取值如下：航道边缘处取限制通航速度，距航道边缘3倍船长处取年平均水流速度，二者之间按直线过渡。
大量统计和调查资料显示，苏南运河上行船速度在3m/s以下，因此取船舶航行时碰撞速度为3m/s。 （2）船舶漂流撞击桥墩
设计资料也表明运河正常情况下水流流速为0.8m/s。这种情况下的速度较前一种情况小。且因为运河航道较窄，故一般不考虑船舶横向撞向桥墩。所以，对于苏南运河取设计船舶碰撞速度为3m/s。 4.2 设计碰撞角度
文献认为：“船只行驶速度可分解为计算纵向动能平行于船轴线的分量和计算横向动能垂直于船轴线的分量”、“如果船只完全停止，其碰撞总动能将耗尽；如果船只仅仅转向，碰撞能量可以碰撞前后船只动能的矢量分析来确定”。这一点，共识者较多，但具体分析时可能有些差异。
根据陈国虞先生在《船撞桥及其防御》中对船撞桥墩情况的论述，分析运河船撞桥墩（防撞设施）的各种可能情况：
第1种情况：1种极端情况，即船正对桥墩开过来，相撞后顶住不动，船与墩交换全部船舶动能。这时船舶与桥墩的碰撞作用最大，所以此种状态是防撞设计时考虑的主要工况，如图3所示。 图3 正撞示意图
第2种情况：船舶头部以一定角度碰撞桥墩，如图4所示。实际上，直航前进的船大都是船头部位以一定夹角碰撞桥墩，其分速度夹角为γ。γ决定于船的B/L，通常速度较高的船设计成B/L≤1/2，这时夹角为8.1°；速度较慢的船、货驳等，设计成B/ L≈1/5，这时夹角为11.3°；拖船、渡船设计成B/L≈1/4，这时夹角为14°。设计防撞设施时要考虑船舶（队）横向速度可能造成防撞设施的倾覆。 图4 侧撞示意图
第3种情况：行船除有前进速度外，还有横漂和转弯，所以桥墩有可能碰撞到行船的中段，类似船靠码头的情况。如图5所示此时船不能维持轴向前进，但由于船的横向速度比前进的速度小得多，算出的撞击能比直航速度所导致的撞击能小得多。
图5 船中侧撞示意图
第4种情况：也是一种极端情况，横漂的船在桥墩处正好顶在船的重心上（如果不是顶在重心，则船的惯性力会使船转动，变为第3种情况），这时两者的碰撞能是以全部横漂速度vH计算，如图6所示。由于水流合力与船的重心不重合，船
头始终会旋转，实现“船到桥头自然直”，变为顺流而下，且运河航道较窄，所以此种状态的几率极小，置于保证率之外。 图6 横撞示意图
鉴于上述分析并考虑到运河中船速较慢的特点，因此设计运河中船与桥墩（防撞设施）碰撞角度应为：对于最不利工况为正撞；对于考虑防撞设施的侧倾则取碰撞角为11.3°。
4.3 水动力影响系数
船舶在撞击桥墩时，船体周围水的影响相对于撞击力来说比较小，在一般计算过程中普遍简化水动力影响，具体反映在附连水质量上。附连水质量是指船在波浪中运动时，刚性船体带动液体的作用，看作相当于船体质量的增加。水在无速时对船舶纵摇、横摇和垂摇都有影响，有航速时，通常以一定的系数计入船的质量中。 我国《港口工程荷载规范》（JTJ215—98）附录中规定了计算撞击船舶载重量20 000 t以上时附连水质量系数CH取1.05～1.5；日本横跨本洲四国的大桥桥墩防撞设计说明书中关于CH对行船取为1.1，对没有速度（横漂）的船取1.4；德国G.Woisin试验对CH取1.05。
比较以上CH的取值，德国G.Woisin试验与本文的碰撞工况较为相近。且根据我国《公路桥涵设计手册》中对附连水质量系数的阐述，CH与碰撞船舶的尺寸、载重吨位有关，撞击船舶载重吨位越大，CH值越大。运河船舶载重吨位小，航速低，故可取附连水质量系数CH为1.05。 5 结论
为了合理设计运河桥墩防船舶碰撞设施，本文在相关研究和应用成果的基础上，分析探讨了防撞设施的设计原则、布局规划、最大撞击力的计算方法和船舶设计碰撞速度、设计碰撞角度以及水动力影响系数等关键问题，提出了一些意见和参考指标，可供今后设计运河桥墩的防撞设施参考。
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