既有跨航道橋梁防船撞設施設計及應用研究

李峰幟

(國能朔黃鐵路發展有限公司 河北肅寧 062350)

1 既有橋梁防船撞設施設置現狀

截至2020年底，中國現代橋梁總數已超過100萬座，其建設規模之大、數量之多、速度之快舉世矚目。另外，我國通航河流貨物運輸量猛增，船舶數量越來越多，其噸位和尺寸越來越大，航速越來越快，船隊加長已成為趨勢；與此同時，不少航道等級在提升或規劃提升中，隨之而來船撞橋的幾率也與日俱增。2020年12月16日，交通運輸部辦公廳、國家鐵路局綜合司、國鐵集團辦公廳三部門聯合印發《船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動實施方案》的通知，要求對2019年12月31日前建成投入運行的跨越內河高等級航道的各類橋梁、跨越其他等級內河航道的橋梁由各省級交通運輸主管部門參照本方案組織開展隱患治理。對抗撞性能不足的既有橋梁，采取設置防撞設施、加裝主動預警裝置等措施，以提升防撞能力[1-3，6]。

2 既有鐵路通航橋梁防船撞設施設計原則和流程

2.1 設計原則

橋梁防船撞設施的設計原則應根據橋梁的自身抗撞能力、橋墩水中落墩位置、橋墩承臺結構構造、橋區通航船舶、橋區船舶過橋安全航速、橋區水流速度等因素確定。

(1)橋梁防撞設施對船舶的碰撞能量進行阻尼消能緩沖，其設計要保證在最高和最低通航水位情況下均具有防止船舶直接碰撞橋墩的功能，并能將船舶碰撞力控制在橋墩安全范圍內。

(2)橋梁防撞設施的外部構造形式應為流線型，盡量減少對水流的阻擋面積。船舶與防撞設施發生碰撞時，其外形容易與船舶發生滑動，撥轉船頭，卸載大部分船舶撞力，最大程度減小防撞設施與船舶損傷。

(3)橋梁防撞設施材料要選用強度高、耐腐蝕、環境友好、不污染水體和周圍環境的環保材料。

(4)橋梁防撞設施安裝后，不侵入航道限界，不影響航道正常通航。

(5)橋梁防撞設施在水流及波浪影響下，應保持浮態穩定，對橋墩外表面無損傷。

(6)橋梁防船撞設施結構設計應考慮安裝及后期拆卸維護保養方便，盡量采用模塊化，方便撞損部分單獨拆除更換，其他未被撞擊部分可繼續使用。

(7)橋梁防船撞設施外形、涂裝顏色要與周圍景觀相協調，并應盡量不影響當地原有風貌[4-5]。

2.2 設計流程

跨航道既有橋梁防船撞設施的設計，應遵循一定的設計流程，跨越或遺漏流程中的某一環節，將會影響防船撞設施設計的工作正常開展及反復，嚴重的會造成設計方案推倒重來，設計周期延長，從而導致延誤加工制造工期、安裝工期、增加投資、影響通航、社會經濟損失等后果。以既有跨通航河流大橋浮圍式阻尼消能防船撞設施設計為例，其設計流程如圖1所示。

2.3 橋梁防撞設施特點

以浮圍式阻尼消能防撞設施設計為例，其特點如下:

(1)浮圍式阻尼消能防撞設施以鋼覆復合材料為框架，設計成具有一定高度、寬度、包圍在橋墩周圍的防護結構。浮圍式阻尼消能防撞設施內部設置若干水面艙室，能自浮于水面上，整個防撞設施可隨水位變化而上下浮動。

(2)浮圍式阻尼消能防撞設施除主體框架外，還安裝有高分子阻尼吸能元件、維護檢查設備、警示靠泊設備、專用通道封蓋設備，部分艙室填充高分子閉孔吸能芯材，內外表面進行高分子防腐涂裝等。

(3)浮圍式阻尼消能防撞設施可對橋墩形成全方位防護，保證在任何通航水位下、任何裝載狀態下的通航船舶均不能直接觸及墩壁，從而起到對橋墩和船舶雙向保護功能[6]。

(4)占用航道空間少，拆除后不遺留任何殘積物，環保；撞損件可回收利用，造價較低，模塊化設計，易于制造和維護。

(5)浮圍式阻尼消能防撞設施主要應用在Ⅰ～Ⅴ級通航等級較高的、最高通航水位及最低通航水位落差較大的航道橋墩的防護[7]。

浮圍式阻尼消能防撞設施如圖2、圖3所示。

2.4 設計團隊專業配置

因橋梁防撞設施結構設計復雜，涉及到材料、結構、機械、焊接、船舶、水工、力學、橋梁、航道、海事、水利、漁政等專業和部門，開展橋梁防船撞設施的設計需要組織一個專業的設計團隊，團隊中專業人員配備如表1所示。

表1 設計人員專業配備

3 浮圍式阻尼消能防船撞設施加工制造

浮圍式阻尼消能防船撞系統結構尺寸大，加工精度及質量要求高，為后期部分撞損維護更換方便，浮圍式阻尼消能防船撞設施為模塊化設計，分塊制造，模塊之間采用法蘭螺栓連接的方式組裝[8-9]。

3.1 結構分塊

根據加工制造車間場地大小、起重能力、運輸組裝方案、后期維護更換方便等因素，浮圍式阻尼消能防撞設施可采用多種分塊方案加工制造。浮動式阻尼消能防撞設施分塊方案如圖4所示。

3.2 制造工藝

浮圍式阻尼消能防船撞設施的加工制造，要嚴格遵循加工制造工藝流程，上道工序沒有完成或不合格，在沒有經過質檢認定合格前，嚴禁開始下道工序。浮圍式阻尼消能防船撞設施加工制造工藝流程如圖5所示。

3.3 質量控制

浮圍式阻尼消能防船撞設施制造質量控制關系到防船撞設施使用過程能否安全運行、更好發揮阻尼消能功效，關系到其使用壽命長短、維護保養費用的多寡。

(1)原材料采購及驗收質量控制

鋼材、高分子材料等原材料采購嚴格按照設計圖紙要求及國家相關通用技術規范進行采購和驗收。所有材料須有生產廠家的出廠質量證明書，未經設計批準，不得改變其材質或規格；焊接材料焊條型號、焊絲代號及焊劑必須符合施工圖紙規定，當圖紙沒有規定時，應選用與母材強度和焊接工藝相適應的焊接材料；防腐涂裝、耗能芯材等材料應符合圖紙設計文件規定，其性能應符合設計文件中相關要求。

(2)焊接質量控制

根據接頭型式，合理選用高效焊接方法。焊縫在力學性能等方面和母材需相匹配。焊縫的沖擊韌性指標原則上與母材標準值相等，焊接工藝評定經監理工程師認可后，根據評定報告編寫焊接工藝。在保證焊縫質量的前提下，采用焊接收縮變形小的焊接方法。

(3)精度質量控制

浮圍式阻尼消能防船撞設施制造精度允許偏差見表2。

表2 制造精度允許偏差控制

4 浮圍式阻尼消能防船撞設施運輸及安裝

4.1 運輸方案

浮圍式阻尼消能防船撞設施的運輸根據生產地點與施工現場位置關系及運輸路線中的相關限界要求，可選擇陸路運輸和水路兩種運輸方案[10-11]。

4.1.1 陸路運輸方案

浮圍式阻尼消能防船撞設施生產場地與施工現場沒有碼頭和航道過渡連接，只能分塊陸路運輸到施工現場，此運輸方案要求防船撞設施分塊小而多。采用陸路運輸方案，要提前規劃運輸路線，考察運輸路線沿途的道路及橋梁限高、限寬、限重等限界情況，選擇合適的運輸車輛開展防船撞設施模塊的運輸工作。陸路運輸防船撞設施如圖6所示。

4.1.2 水路運輸方案

如果浮圍式阻尼消能防撞設施生產場地與施工現場有航道相連，且靠近裝卸碼頭，便于裝船或下水，此運輸方案可大件運輸，防船撞設施分塊可大而少。

(1)船舶水中拖帶

此方案要求加工制造場地靠近航道，且配有船塢，便于防船撞設施整體組裝后下水，整體水中拖帶。防船撞設施水中拖帶如圖7所示。

(2)船舶水上運輸

此方案要求加工制造場地靠近航道碼頭，便于防船撞設施整體轉場裝船運輸。此方案需要大噸位自帶動力的甲板駁，作為防船撞設施水上運輸的載體。防船撞設施船舶水上運輸如圖8所示。

4.2 安裝方案

(1)模塊橋位拼組安裝方案

浮圍式阻尼消能防撞設施模塊通過陸路運輸到現場后，采用汽車吊等輔助工具吊運至水中拼組成更大組件，利用人工牽拉或其它水上動力牽引裝備把大組件移動到橋墩周圍進行安裝。防撞設施橋位拼組安裝見圖9、圖10所示。

(2)船舶拖帶安裝方案

防船撞設施被整體拖帶到施工現場后，在橋位分拆成兩部分，分別通過船舶拖拽和頂靠，從橋墩的兩側安裝合攏。防船撞設施船舶拖帶橋位安裝如圖11所示。

5 浮圍式阻尼消能防船撞設施維護保養

浮圍式阻尼消能防船撞設施在使用過程中需進行定期維護保養，若有損壞，應進行修復。

(1)定期檢查阻尼消能防撞船設施結構是否出現損壞，若發生損壞，應及時修復。

(2)觀察阻尼消能防船撞設施浮態，檢查是否存在整體吃水不平衡及各水密艙是否密閉(每年兩次)，調整補充壓載水。

(3)檢查阻尼消能防船撞設施的腐蝕及磨損情況，若出現防腐涂層損傷及脫落，應及時進行表面修補。

(4)定期檢查防船撞設施是否存在零件遺失，如護舷、甲板上舾裝件等，缺失后，應補齊。

(5)在承受大型船舶撞擊后，應立即檢查防船撞設施的受損進水情況，采取措施調整浮態，并進行修復。上下結構大范圍破損時，需要將防船撞設施拆卸拖離現場，進廠維修。在遭受小型船舶撞擊后，系統附屬結構變形、局部破損消能，可現場維修。

(6)進行5年一次的中等維護，對整個阻尼消能防船撞設施的油漆、FRP防腐涂裝等進行補涂和修補。

6 結束語

本文通過對既有跨航道橋梁的防船撞設施的設計流程總結及對防船撞設施的加工制造、運輸安裝、維護保養的介紹，全面展示了既有跨航道橋梁加裝防船撞設施的全流程各環節實施過程及方案，以期為后續類似項目的設計、加工制造、運輸安裝、維護保養工作提供參考和借鑒。