关于老桥防船撞的问题

摘 要：老桥坍塌,有两个主要原因,一是洪水,二是是被船撞塌.广东九江大桥被船撞塌,是我国被撞塌的桥梁中最大的一座,中小桥梁被撞塌的也有不少.桥梁跨过航线,就有机会被船撞,通过桥下的船越来越多、越来越大、越来越快.而建桥时采用的许多规范已经不适应现在的要求.因此需要进行相应的评估.按照新的通航船舶的质量（排水量等）、航速和通过量（频率）,计算出撞击力和估算的撞击概率,决定是拆掉重建还是增加防撞设施.防撞设施有主动的和被动的两大类：主动的有：涂上红白漆450斜纹,显示通航孔、非通航孔和实时净空；灯标、航标和其中有一个雾天黄灯；进入禁航区的警号；航行怎么写作系统（包括雷达和甚高频的VTS系统）等.被动的防撞设施亦称结构防撞设施.分为间接式和直接式,又各有多种.其中,我国的柔性粘滞耗能防撞装置就是一种直接式结构防撞设施,它能降低船撞力一半左右,在保护桥的同时也保护船和环境,从而有助于创建和谐社会.

关 键 词：防船撞；船撞桥；船撞桥墩；撞击；撞击力

Anti-CollisionwithShipforOldBridges

CHENGuoyu

(ShanghaiMarineSteelStructureResearchInstitute.Shanghai201204)

Abstract:Therearetwomainreasonortheoldbridgecollapse.Oneiloodandanotheriscollisionwithship.Nowadaysshipsthoughbridgespanareincreasingbiggerandfaster,sotheywouldnotbeadaptedtotheactivecriterion.Ithastobejudgeagain.Theforceofshipcollisionandtheresistanceofpierarecalculatedaccordingtothemass,velocityandtheamountoftheseshipstodecidethereconstructionofthebridgeortheestablishmentofanti-collisionfacilities.Thispaperintroducestheestablishmentofpassiveandactiveanti-collisionfacilities.

Keywords:Anti-collisionwithship,Ship-bridgecollision,Collisionwithpier,Collision,Collisionforce

1前言

地球的水域和航线是人类千万年来,逐渐形成的,但近百年来,地球人口膨胀,工业发展,使通过原来航道上的船越来越多、越来越大、越来越快.

例如水网地区的河流,百年古桥在2003年被船撞断塌下,见图1.于是在航船频繁的河段,一些桥梁就增加了防撞设施.图2是一座大运河的500年永济桥,位于浙江杭州北面的塘栖镇,桥有5孔,其中4孔分别通行各种航船,包括300t机动驳.于1996年在通航孔两侧的桥墩前后,分别共设置8个人工岛式防撞墩,由于运河的水浅,岛式防撞墩对河床和航船影响都不大,这是行之有效的方法.

上海附近老桥、小桥被撞塌的,年年都有,2005-12,嘉定区一座钢筋混凝土刚构桥被船撞塌,桥上一人落水入院治疗,一年后才得到法院裁定；2007-04,川沙区被撞塌的一座钢筋混凝土刚架桥（没有设计任何的抵御水平力结构）将船压断压沉；2007-07,被撞塌的江苏如东县蔡渡桥是一座双曲拱农桥,宽3.0m,单向通行拖拉机,桥向并列两个跨度为20m的大拱,每个大拱上有两个拱跨1m的横向拱；同一运河段距该桥几千米外,还曾撞塌另一座稍大的宽4.0m的双曲拱桥（两桥都没有设计任何的抵御水平力结构）.

这两种桥被撞塌后去观察,有一个共同点――桥的横向不固结,不能经受任何大小的横桥向水平推力.

将拱脚放在桥墩的光滑斜面上,如图3；或将钢筋混凝土构架放在20cm宽的光滑平面上（相当于牛腿的顶面）,如图4.一旦水平推力克服了它们的摩擦力,桥就位移,位移超过一定量值便倒塌.

应该说,有相当多的老桥对现在通过桥下的船已经不适应.2003年美国土木工程学会对全美30万座桥中的8万座认为有结构缺陷,占27%（1997年美国联邦公路总局的估计也差不多,全美600000座桥中125000座,20.8%,具有结构缺陷）.我国长江三角洲和苏北河网地区有上万座双曲拱农桥和钢筋混凝土刚架桥,已被撞得伤裂累累（参看图7）,急需处理.

那么,有了对老桥防船撞的想法或要求后,应该做那些工作呢?首先,通过对现在桥下航线通航论证,求出该桥最合理的设防水平力――外载；其次,求出该桥墩目前能承受的水平力――抵抗力.对两者进行比较分析,综合考虑是增设防撞装置,还是拆掉重建.

2桥下航线通航论证

桥下通过的船越来越大,航速也提高了,因此对此桥受撞击时耐受的水平力是否适应,应作适时的讨论,首先应计算出船舶增大和提速后船撞力的大小,通常有几个步骤.

2.1求出计算水平撞击力用的代表船舶（大小、质量、速度、能量等）

首先要统计最近几年通过桥下全部船舶的数量和大小,并计及未来几年的发展,前者通常可以到该桥位所在航道的海事部门调查得到,而未来的发展通常是航运规划部门的事情.

统计来的数值先绘制直方图,用统计学方法求出平均值和标准偏差,然后选取代表船型.这样求出来的船型可以是一种典型的船,也可以是一个代表性的质量（大小）.

如图5所示,是通过某桥位处最近6年的全部船的质量,算出其平均值Xcp等于29380t,标准偏差σ等于4740t（由于这个桥位通过的大船只只有散货船一种,所以用载重量乘一个系数代表质量可计算出能量）则Xcp+3σ等于43600t,作为代表船进行计算,其保证率为99.85%.

对于多船种和航速各异的航线,例子复杂一些,先计算出它们各自的能量,也可以考虑通过的密度,加权处理,再作直方图,可参考：《船撞桥及其防御》一书中的举例[1].

2.2航线的发展

通常到海事部门统计来的数据代表现有的情况,未来几年的发展要去交通规划部门进行调查,将调查得到的发展统计值与统计数值相结合,绘出未来若干年航线通过船舶的直方图,请参看[1]中,对长江中游航线所通过船舶的计算.

2.3偏航的估计[8]

每个桥位有不同的风和流,风对每种船的上层建筑的影响也不相同,因而就产生了航船通过桥位时的风、流压偏角,这是船舶失控时自然力对船舶航线的影响.有了这些个自然力,船偏离航线撞向通航孔两边的桥墩,甚至撞向非通航孔的桥墩.

求出“风、流压偏角”的方法很多现在列举几例.

航行中实测我国在上世纪80年代,对全国各主要港口的进出航道进行过实测,载于规范编制说明中,范围为2°～20°,最大值为上海港进口航道,6级风,空船情况.为了建新桥或对重要桥梁的加固决策论证,可以进行实测.作者曾请湛江海事局测定20000t～50000t的散货船在各种风力进出港的代表性风、流压偏角.测定的方法是在航线的正前方有航标的航段,对准航标作直线航行,看这时的舵角就是风流压偏角.

实验室测定我国现在已有几个“风、浪、流”水池,在水池中设置桥墩,模仿桥位附近的流场,造不同上层建筑的自航船模,驶过桥位附近,测定它们的风流压偏角.

仅用横流粗略计算法此法检测设风的影响为0,只算横流,测定（或由航道规划院、所提供）横流速度,计算风流压偏角

α等于tg-1（横向流速/船速）

此公式被国际海运协会第二次油轮会议（伦敦）接受.

航运规划部门对桥位附近的重要航线,有时有水流路线图.从图上可以测出桥位处的横流速度.这时要注意,水流路线图在建桥墩后会局部改变（例如南京长江一桥）,但对距桥墩较远的地方的船舶偏航仍有计算参考价值.《港口工程技术规范》亦承认用横流计算流压偏角.只是要加入风压因素,便构成风、流压偏角.

偏航计算对老桥最有价值的地方在于可计算出：航船在多远处开始失控（或结合航速可计算出失控时间）后,船会撞上航道边墩,还是撞上非通航孔的墩.由于非通航孔的桥墩抵御水平力的能力非常低,所以这种估算很有实际意义（例如广东九江公路桥）.

3船撞桥墩的力

通常决定船撞桥墩的力的大小有三种方法：半经验公式估算法,有限元数值计算法和实验法.通常在研究设计的初期用半经验公式进行估算；设计新桥时（有完整的图纸）或比较大的老桥的决策,用有限元数值计算；而实验法通常是验证计算程序或大的决策参考用的.

老桥则前两种都适用的.半经验公式（或线图）国际上曾发表过多种,能将船的质量和速度作为变量同时代入的公式有5个,我国铁路规范和公路规范各有一个,由于公路规范公式中的撞击时间不易确定,推荐建议先采用铁路规范公式：

我国铁路规范[2]第3.4.6条墩台承受船只或排筏的撞击力可按下式计算：

F等于γVsinα[w/（C1+C2）]0.5

式中：F――撞击力,kN；

γ――动能折减系数,s／m0.5．当船只或排筏斜向撞击墩台(指船只或排筏驶近方向与撞击点处墩台面法线方向不一致)时可采用0.2,正向撞击(指船只或排筏驶近方向与撞击点墩台面处法线方向一致）时可用0.3；

V――船只或排筏撞击墩台时的速度,m/s.此项速度对于船只采用航运部门提供的数据,对于排筏可采用筏运期的水流速度；

α――船只或排筏驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角,应根据具体情况确定,如有困难,可采用α等于20o；

W――船只重或排筏重,kN；

C1、C2――船只或排筏的弹性变形系数和墩台圬工的弹件变形系数.缺乏资料时可检测定Cl+C2等于0.0005m／kN．

不同的人计算出的船撞力可能相差很大.这一般是由于各人所选的、代入的参数不一样,要适当地选用参数.[1]书所附“指南”中有参数dwt、C1,C2的表,如有防撞装置时公式中还有一个系数C3可供选用[9].

4桥墩能抵受的水平力

常见的桥墩型式有多种,下面讨论混凝土墩、砌石墩和高桩承台墩等3种型式.

4.1混凝土墩

放在基岩上的钢筋混凝土墩、素混凝土墩（有时是空心墩）校核其控制截面处的抗弯和抗剪强度.

4.2砌石墩

砌石墩也主要是校核其控制截面的抗弯和抗剪强度.砌石礅的抗剪强度关键在砂浆强度.砌石墩的中心多用毛石混浆后填充（例如凤凰桥）,充填得好的情况可以按全截面进行计算.在海边的砌石桥墩水不深时抗剪是控制因素,老桥如长满了牡蛎后,强度可以稍微算高一些.如果砌石桥墩是阶梯形砌石,抗剪强度可提高.

4.3高桩承台式桥墩

地处软地质（粘土、砂石等）的高桩承台式桥墩,按规范[7]可以用m法和张有龄氏法计算水平力对应的位移,但规范中没有给出允许位移的衡准值,如用m法：受船撞时允许位移值大,水平力就正比地高；允许位移量少,能承受的水平力就小.对桥墩进行核算的人,应该先论证该桥墩允许水平位移量是多少.老桥的允许位移量可以放宽,按照“只要能恢复,不掉下来”为准则,则此允许位移量较大.

5加固还是重建

将上述2个力计算出来进行比较之后,如果船撞力大于桥墩能抵受的水平力,就要进行加固、加防撞装置或是重建.

一般在水比较深,航道比较窄的地方,用浮式（直接式）防撞装置.浮式防撞装置中,柔性粘滞耗能防撞装置能够将船撞力减少一半左右（精心设计,还可以将船撞力多降低一些）；水比较浅,航道比较宽的地方,可以用间接式防撞装置（如图2）,但对阻塞航道、破坏自然条件的设计,要慎重考虑.

被撞很严重的桥和经过检查很有可能被撞塌的桥,是采取加固还是重建?这个问题看似难定,实际上到了具体的桥还是比较容易定的[10],举几个例子说明之：

像广东九江大桥这样的桥,不但有可能被撞塌,而且是已经被撞塌,死了9个人,但是多数的意见不会是拆掉,而是修复后采取一些防撞措施,最可能被采纳的措施是非结构防撞,即涂红白漆,加装雾天灯,装设声讯警号等因为这些措施省钱,也许上了这些措施后,几十年不会发生船撞桥了,这是对付小概率事件的有效办法；然后是对航道旁边的几个桥墩装设能降低船撞力的柔性防撞设施.

像上海市苏州河的乌镇路桥,一年之内撞了45次,我们为它作了深入而仔细的防撞方案,但是主管部门采用的是拆掉重建,一跨过江――这是一个彻底的解决办法,桥在闹市区,垮不起,河道窄一跨过江花钱不多.当然这个办法也得到我们这些防撞工作者的拥护.见图6.

像图7的例子,这座桥在江苏如东城西,跨过运河,比较重要,行人和农用车都比较多,但运河的船也比较多,桥的上部结构已被撞得伤裂累累,交通部门已挂牌对航船作出警示,我们认为此桥应该拆掉重建,由于通航净宽的要求（河窄）,最好新桥不用拱式,应设计桥墩建在两岸,一跨过江的下承式桥梁.

6防撞设施简介

防撞设施分主动防撞设施和被动防撞设施.

6.1主动防撞设施

主动防撞装置即不接触式防撞装置,一般采用声波或光波提醒驾驶员,当航向偏离或进入危险区域时给于强烈警示,见图8、图9、图10.

一是按照JT376-1998《内河通航水域桥梁警示标志》[6]标准的规定,在桥梁的桥墩或桥梁的上部结构,用红白45o斜线,显示桥墩或通航净空.这样,船舶便不易误入非通航孔.

二是在符合JT376-1998的基础上,增设航向偏离闪灯,在航向正中设黄灯,左右设绿灯和红灯,偏离越大时,红、绿灯闪动越快,类似机场和航空母舰降落指示灯,对准不闪的大黄灯即对准航道.

三例如广州大坦沙东西两座铁路珠江大桥的西桥安装了48盏雾天黄灯.

四是桥梁水域的船舶通航怎么写作系统（VTS）,它以监测雷达和甚高频（VHF)为通航船舶校正航线,在桥的中间设雷达应答器.（有4种情况下“船舶通航怎么写作系统”会失效：①当驾驶员疲劳过度,晕厥,醉酒等；②船上仪器待修；③值班员不会使用（例如广东九江公路桥所遇到的）；④个别的船未装监测雷达和甚高频.）

五是报警声号,以激光或红外传感对进入非通航孔一定距离（例如100m,200m等350m等）的船只,发出紧急警示声号,不但引起该船的注意,也引起周围船舶的注意,以便帮助失去动力的船.可在桥墩正前方设置被动（只接收,不发射）红外接收仪,达到一定的门槛值即鸣号,以实现警示.

有人认为灯号、声号这些都不必要.（可以类比想一下,有人行道斑马线,而马路边的交通协管员有必要吗?）但,这是一种对小船的关怀和照顾,同时也是对于桥梁通航孔的边墩、非通航孔墩的保护――桥梁工程师已经说过,这些墩不可能作得很强.所以设计完善这些主动防撞装置是很有意义的,是必要的.

6.2被动防撞设施

被动防撞设施亦称结构性防撞装置,有直接式和间接式两种.在墩外阻拦船舶防止船撞上桥墩的称间接式,它的拦阻力不传到桥墩上.直接式指撞击力传到桥墩上的、船撞上桥后为了减轻毁伤而设的结构[1].木或橡胶作的护舷、钢浮箱和浮式柔性耗能防撞装置是直接式的,用于桥墩位于深水区的场合；人工岛、大围堰、桩群等是间接式,用于浅水桥墩.见图10.

我国的柔性耗能防撞元件具有粘滞性、高耗能等特点,能降低船舶撞击力,是由沪、甬、湛、穗、武等五地多个单位联合创制,2007年6月在广东湛江海湾大桥上建造完成.预定对5万t船做到“小撞不坏,中撞能修,大撞不倒”的效果.

7结论

上面这些论述,仅是原理性的、一般性的论述.亡羊补牢未为晚也,因此笔者建议交通管理部门对我国跨航线的（即桥下有船通过的）约几万座桥梁进行防撞普查.我认为需要拆除重建和增加结构性防撞装置的将会是少数,而大多数应该是尽快增补主动（非结构性）的防撞设施,至少要限时限刻的贯彻执行中华人民共和国交通部行业标准JT376-1998《内河通航水域桥梁警示标志》.

本文得到浙江大学城市学院桥梁博士廖娟女士初校,特此鸣谢.