长株潭城际铁路湘江特大桥船舶撞击力及桥区船舶安全航速确定

向友诚,范宁阳，林积大，李 明，李 帆

(1.湖南城际铁路有限公司，长沙 410000；2.长沙理工大学水利工程学院,长沙 410000)

1 问题的提出

拟建工程长株潭城际铁路湘潭湘江特大桥位于湘潭市市区,横跨湘江,桥区所在河段船只往来频繁。大桥选址于湘潭三桥下游600 m处,桥址处上游42 m处紧邻已建2座铁路桥,分别为沪昆上行线钢筋混凝土连续梁桥和沪昆下行线钢桁梁桥。三桥轴线基本平行,与河道基本正交,相邻边缘间距30 m,两桥均是11孔跨过湘江,桥孔对应布置,通航孔跨径75 m,净宽70.5 m(图1)。

图1 湘江湘潭铁路桥模型试验布置示意

工程所在河段有船舶通航要求,桥梁在计算设计荷载时需要验算船舶撞击荷载。根据《铁路桥梁设计基本规范》(TB 2010002.1—2005)[1]桥梁墩台承受船舶或排筏的撞击力P可按下式计算

(1)

式中，r为动能折减系数；α为船只或排筏驶进方向与墩台撞击点处切线所成的夹角；W为船舶或排筏重力,kN；V为船只或排筏撞击墩台的速度,m/s；并指出V应当采用航运部门提供的数据。在设计过程中,查阅了相关文件资料,也到相关部门调查咨询,但都无法明确的得到船只撞击桥梁墩台的允许速度,这给船舶撞击力计算带来困难。

2 国内外研究概况

船舶撞击速度的合理选取对确定船舶撞击力的意义重大。国外一些学者对此进行了研究,其中具有代表性的有：美国(AASHTO)指南中的三角碰撞冲击速度法、日本学者藤井(Y.Fujii)提出的几何模型概率方法,以及欧洲统一规范(BS EN1991—1—7)结构设计指导方法等。《美国高速公路桥梁设计规范(AASHTO)》中提出船舶撞击速度应为在正常环境条件下,航道内典型船只的航速[2]。“典型船速”在该规范中被定义为能反映诸如风、水流、能见度、迎面来船以及航道的几何尺度等典型航行条件下,体现设计船舶“年平均”航行状况的船舶航行速度。日本学者藤井(Y.Fujii)则提出采用通过船撞桥墩的几何概率模型来确定船舶撞击速度[3],据此日本桥梁防撞设计中,对于船舶撞击速度的选取各不相同。例如1988年4月建成的濑户跨海大桥依据日本学者岩井.聪(Akira Iwai)提出的当船通过桥下时,船速应为流速2倍的理论,选取船舶撞击速度为7～8 m/s[4],远远超过其他方法所得出的速度。欧洲规范则采用单一速度作为指导船撞速度的选择标准,2006年颁布的欧洲(包括英国)BS EN1991—1—7结构规范中,制定出了指导船撞速度的选择标准：内河船舶3 m/s ,港湾区1.5 m/s ；海船5 m/s ,港湾区采用2.5 m/s[5]。

上述选取船舶撞击速度的方法具有一定的背景和地域性特点,例如欧洲规范中统一速度标准是依据欧洲发达水运体系情况而制定的,这些地区的一些河流,如莱茵河,其渠化程度高,船舶标准化建设比较全面,在这样的河流上采用统一的速度标准是可行的。又例如美国(AASHTO)指南方法则是要求航行的船舶要代表反映典型航行条件(能见度、风等)的“年平均”状况,这必须对工程所在河流的典型情况观测记录到具有足够多能反映“年平均”状况的实测资料。由于国内外水运发展情况不同,并且我国地域复杂,许多地区的河流资料中尚且还没有积累出诸如风、能见度等观测资料来确定船舶在航道内“年平均”情况下的典型船速,因此我国大部分河流不能简单搬用国外标准,还应依据所在河流的实际情况合理地处理桥梁设计与对船舶安全通航的关系。

3 桥区安全航速的确定

3.1 影响桥区安全航速的因素

船舶在桥区的安全航速应为：在保证船舶安全航行的基础上,不会对桥梁结构产生破坏影响的安全航速。桥区船舶安全航行速度受多种因素的影响,如水域航道和水流条件、桥梁布置、船舶类型、桥墩结构尺寸等。现以长株潭城际铁路湘潭湘江特大桥为例,分析影响该桥区船舶安全航速的因素。

(1)航道和水流条件：该河段基本顺直,水流平顺。但该河段航道是根据枯水期河道深槽所确定,所以航线在桥区河段中部偏向右岸,并不顺直(图1)。这对船舶的行驶速度造成影响,如果船速过快,船舶来不及按航线调整船舶的航向；但如果船速过慢,又有可能因为船舶操纵性不足增加船舶通过桥区时的危险。

(2)桥梁布置：该河段上游的湘潭三桥为公路桥,通航孔基本居河中,跨径为258 m,为大跨径桥梁；下游的几座铁路桥修建年代不一,通航孔布置在河中偏右岸,跨径为75 m。由于通航孔的限制,船舶在桥区有一段斜穿水流,曲线航行的过程,船舶需用一定的舵角抵抗斜流的作用,保证按航线航行。

(3)船舶类型：湘江在该河段目前为三级航道,设计标准船型是4×1 000 t级驳船队,而航行较多的是1 000 t级以下的自航船；湘江在该河段即将实施的规划是二级航道,设计标准船型是2×2 000 t级驳船和2 000 t自航船,船舶的大型化对航行条件提出了更高的要求。

(4) 桥墩结构尺寸：受已建桥梁的限制,拟建桥梁通航净宽已偏小,所以靠牺牲通航净宽增大桥墩结构尺寸,提高桥墩防撞能力的措施有限。此外,船舶要连续通过3座相邻的铁路桥,需保证在航行过程中漂距不能过大,保持与桥墩的安全距离。

从以上分析可知,影响桥区安全航速的因素较多,要得到桥区船舶安全航速的确定值还是比较复杂的,本文采用通航水工模型试验和船舶模型试验相结合的方法进行试验研究。

3.2 模型设计与试验方案

(1)模型的建立

长株潭城际铁路特大桥河工模型采用1∶100正态定床水工模型,模型试验范围选取如图1所示。根据获取的水文与地形资料,对工程所在河段建立起满足几何相似、水流运动相似、动力相似及阻力相似准则的水工物理模型,模型比尺见表1。

表1 模型设计比尺

(2)试验标准

参考相关规范及《通航建筑物应用基础研究》[6]中船舶安全航行衡量标准,本次试验做出如下规定：如果船舶操纵试验中用过大的舵角(25°以上)、船舶出现过大的漂角(20°以上)、或船舶航行过程中产生了过大的漂距(25 m),则认为航行是不安全的。

(3)试验方案拟定

根据上述船舶安全航行的衡量标准与《内河通航标准》[7]及《长株潭城际铁路湘潭湘江特大桥通航技术要求论证》选取了典型船型并拟定试验方案如表2所示。为确定船舶航行对桥墩撞击的最不利情况,试验流量采用湘江最大通航流量20 000 m3/s。

表2 试验方案

3.3 模型试验结果分析

分别对3种船型进行了多级流量的试验,详细测定不同条件下船模的航态和操纵指标,并通过这些数据对船舶的安全航行状态进行判定。

现以2 000 t自航船为例进行分析。图2为2 000 t自航船在速度分别为V=4.7 m/s和速度V=5.1 m/s时舵角随时间的变化曲线。从舵角随时间的变化曲线可以看出：

(1)当船舶速度较慢时(V=4.7 m/s),船舶沿程舵角的操纵有+17°～-21°的幅度,说明船舶动航向稳定性较差,需要靠较大幅度的舵角变化来维持船舶沿航线航行。

(2)当船舶速度较快时(V=5.10 m/s),用舵曲线比较平滑,没有出现过大舵角和突然用舵现象。说明随着船舶速度的增加,船舶舵效也随之增加,船舶的操纵性增强。

图2 2 000 t自航船典型航速时行船舵角随时间变化对比

表3为2 000 t自航船在几种不同速度时的舵角、漂角以及漂距等航行参数的最大值。

表3 2 000 t自航机动驳典型速度时的航行参数

据表3分析,当船舶在以较高航速航行时(V>5.10 m/s),船舶最大舵角、最大漂角和最大漂距都满足船舶安全航行衡量标准。而当船舶航速下降到4.70 m/s时,船舶最大舵角(21°)、最大漂角(20.95°)和最大漂距(26.68 m)分别达到或超过了衡量标准极限值,说明船舶航速低于该速度时,船舶操纵比较困难,存在一定的安全隐患。由以上试验结果可确定V=5.10 m/s即为2 000 t自航机动驳在该桥区的船舶最低安全航速。

桥区船舶安全航速最大值一般由以下几方面因素决定：桥墩结构尺寸、视野及能见度、来往船只密度及错船方式、船舶有效制动距离等[8],本桥区安全航速的最大值根据桥墩结构尺寸进行推算。根据工程可行性研究初步确定的墩台尺寸及设计控制工况,复核该桥梁墩台所能承受的最大侧向撞击力为5 500 kN,据此可利用公式(1)反算得2 000 t自航机动驳船舶最大安全航速为10.4 m/s。同理可确定其他船型的安全航速最大值(表4)。

表4 各典型船舶安全航速 m/s

4 结论与建议

(1)目前湘江船舶静水航速一般为18 km/h(即5 m/s)左右,考虑最大通航流量时桥区水流速度约为2.3 m/s,则船舶在桥区正常航行速度约为7.3 m/s。对于2 000 t自航船舶该航速位于安全航速范围以内,且有一定的安全富裕,安全航行没有问题；但对于2×2 000 t级驳船队与4×1 000 t级驳船队两种质量较大的船舶,该航速则超出了安全航速范围,建议航运部门对于大吨位船舶通过该桥区时,其航行速度应限制在该桥区相应的安全航速范围内,以确保桥梁和船舶的安全。

(2)船舶通过桥区的航速和船舶撞击力是相互关联,又分别对桥梁设计及通航安全产生较大影响的重要参数,设计中既不能一味地强调某一方的重要性而增加另一方的设计困难,也不能忽视安全因素而降低

设计标准。在保证船舶安全航行和碰撞不会对桥梁结构产生破坏影响的前提条件下,通过水工模型和船舶航行模型试验确定桥区船舶安全航速是一种较为科学合理的方法,其方法和试验结果可为类似工程设计提供参考。

(3)桥区船舶安全航行及桥梁结构的安全不仅是技术问题,也是管理问题,所以应从设计、维护、运行管理各个方面予以高度重视。建议航运部门以正式文件规定通过桥区船舶的航速必须限制在相应的安全航速范围内,以确保船舶航行和桥梁的安全。这些规定也可为桥梁设计提供了有据可依的重要参数。

(4)桥梁的布置与设计,特别是连续桥梁的布置与设计要充分考虑桥区船舶航行的特点与安全,并从长远的建设发展考虑,为航运的建设留有余地。

[1] 铁道第三勘察设计院.TB 2010002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] American Association of State Highway and Transportation Officials. Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges[S]. Washingtong D.C： 2009.

[3] Fujii Y. Some factors affecting the frequency of accidents in marine traffic[J]. Journal of nacigation, 1974(27)： 29-235.

[4] 岩井.聪.关于船舶对桥梁的安全措施[J].中国航海,1986(12)．

[5] 欧洲标准委员会.BS EN 1991—1—7—2006,欧洲规范1—结构行为[S].2006.

[6] 须清华,等.通航建筑物应用基础研究[M].北京：中国水利水电出版社,1999．

[7] 中华人民共和国交通部.GB50139—2004 内河通航标准[S].北京:中国计划出版社,2004.

[8] 中华人民共和国交通部.交通部第30号令,中华人民共和国内河碰壁规则[S].北京：中华人民共和国交通部，1991.

[9] 陈国虞,王礼立.船撞桥及其防御技术[M].北京:中国铁道出版社,2006.

[10] 陈国虞,陈明栋,郑 丹.计算船撞力选择撞击速度时考虑墩位流速的方法[J].广东造船,2010(3)．

[11] 陈国虞,有防撞装置时计算船撞桥的力——铁路桥梁规范中船撞力公式的延伸修订[J].铁道标准设计,2004(1).