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程文挺
（江苏省淮安市航道管理处，江苏淮安223001）
[摘要] 根据洪泽湖南线3级航道最不利船型和碰撞分析，按现有单柱式航标桩基设计抗撞能力110 吨,设计了2种结构形式的航标防撞设施，经实船撞击试验，取得现场实测数据。结果表明安装防护设施能有效吸收船舶撞击能量80%左右；通过建立有限元模型计算,推算出的船舶撞击力大于现有规范参考值20倍左右；采用钢漂护舷防撞设计方案最优，能有效地保护现有航标。
[关键词] 航标 防撞设施 设计
1研究背景
洪泽湖是我国著名的五大淡水湖之一，它位于江苏省的西北部。洪泽湖湖区航道一百多公里，航道规划等级为三级，沿线设置了70余座航标。但是航标经常受到船舶撞击，上世纪八、九十年代建造的水中固定灯桩，有层叠式、钢管桩基、灌注桩基，绝大多数已被撞毁。近几年来投资了1000多万元进行改建,改建成直径2米的灌注桩基，直径2米，桩长20~35米左右，采用高6米的钢质热镀锌标体。
尽管如此，由于水运流量迅速增长、船舶大型化趋势越来越强，船舶撞击力越来越大，标体、桩基航标灯受损事件仍然频发，同时船舶被撞损失也较严重。为此,必须深入分析船舶碰撞情况, 船舶撞击力的大小，研究如何消能,并针对洪泽湖湖区灌注桩基和标体的防撞,研究如何减少误撞船舶的碰撞损失，尤其是在船舶遭遇恶劣气象和大风浪时的紧急避碰航标的新技术、新材料、新工艺。本文对洪泽湖航标防撞设施设计方案进行优化，并通过实船撞击试验验证其防撞性能。
2．防撞设施设计方案的确定与优化
本项目防撞设施设计，在2007年洪泽湖４＃、５＃单柱式航标上安装试验性的防撞钢漂护舷基础上，按照现有洪泽湖南线航标桩基设计110T水平撞击力进行计算，上部标身避碰安全间距以1000吨级、最不利船型空载船舶高度和船舶突出部位进行计算，再进行技术上的综合分析、改进，拟定Ａ、Ｂ方案,对比试验得出最佳方案。
2.1试验方案
淮安市航道管理处几年来对防撞设施进行了一系列调研，并实地考察了相关防撞设施，多次修改图纸，最后，2007年确定采用直径5米，高度1.3米，干舷0.65米、重量7.8吨的钢漂，并已于2007年8月安装到洪泽湖南线4#、5#航标。试运行以来，橡胶护舷磨损严重，主要原因是湖区风浪大，长期处于风浪和运输繁忙的船舶运行波浪冲击、不停地受到拖带船队撞击。
2.2 改进方案[2]
（1）A方案
该方案灯桩的防撞设施原则上承接2007年设计制造的灯桩环形钢漂护舷形体，进行了放大针对性的结构优化,水下呈倒园台型。本次设计的钢漂护舷形体尺寸( 附图 )：外径6.4米，内径2.9米高，高1.4米的圆环形体结构，总重15.2吨，容量30.6立方米，吃水0.73米，舷高0.67米，主体钢漂均分12个水密隔舱，各隔舱水密要求0.15兆帕。厚度10毫米钢管护舷沿内圈上下设置槽钢护舷，安装12只（均布直径400×1200）圆筒形橡胶护舷。为便于运输，安装、维修，钢漂护舷分两个对称部件，在现场采用螺栓拼接成整体。钢漂护舷整体结构强度抗撞能力约为125tf，圆筒体（CY）橡胶护舷在受压50％形变时的反力为240 Kn( 24.5 tf），尤其是船舶撞击时钢漂护舷整体旋转，改变法向撞击速度，防撞消能效果更佳。
（2）B方案
钢管防护架，其基本尺寸与原理与A方案类似，只是上下固定，平时一般静止，撞击后能整体旋转。
（实物及撞击试验）
3．实船撞击试验
3.1试验方案
对安装钢漂护舷的桩基式5#航标、安装钢管防护架的桩基式8#航标、无防护设施的6#裸桩航标，试验测定在实际船舶以最不利的正撞方向、一定的速度撞击作用下航标桩桩顶的动力响应。
试验用撞击船舶排水量为40吨的江苏航政420船，船舶撞击时的实际速度由手持式GPS导航仪测定，逐步加速，采用中国地震局研制的891—Ⅱ型动圈往复式测振仪拾取振动信号，经由DLF型放大器进行信号放大后，接入INV306U智能信号采集处理仪进行振动信号的采集、处理分析及存储等。
3.2实船撞击试验数据、分析
对选定的5#、6#、8#三个航标分别进行了不同船舶速度下的正向撞击试验，共获得十五次有效撞击试验记录。对所取得的数据采用最小二乘法进行拟合，拟合曲线如下[3]：
图1 安装钢漂护舷的5#航标试验数据拟合曲线
图2 安装钢管防护架的8#航标试验数据拟合曲线
图3 6#裸桩航标撞击试验数据拟合结果曲线
由此可见，尽管每次撞击时的速度不同，但随着船速的增加，各桩的振动位移与加速度加大；而安装的防护设施在航标桩受到船舶撞击作用后具有明显的吸能效果，对混凝土灌注桩起到保护作用。
3.3撞击力计算
实船撞击试验结果表明：三种情况下的桩基在受到船舶撞击后达到最大位移峰值点的时间与防护设施有关。安装钢漂护舷的5#航标桩的撞击时间为2.266s，安装钢管防护架的8#航标桩的撞击时间为0.956s，而无防护设施的6#裸桩航标桩撞击时间仅为0.258s。
考虑到安装钢漂护舷的5#航标桩撞击时，船前端附加保护设施，延缓了撞击时间，实际计算时，应参考安装钢管防护架的8#航标桩的撞击时间，同时，考虑到钢漂护舷的旋转作用，实际计算时，取撞击时间为2.266/2=1.133s。
[4] 根据《公路桥涵设计通用规范》附录四，漂流物撞击力可按下式估算：
（1）
式中：F为漂流物撞击力（kN）；W为漂流物重力（kN）；V为水流速度（m/s）；T为撞击时间（s）；g为重力加速度， ，经计算结果见表1
表1 裸桩和安装防护装置时的航标撞击力 水位：12.71m
|
撞击船速（km/h） |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
6.0 |
7.0 |
|
裸桩撞击力（KN） |
125.11 |
166.82 |
208.53 |
250.23 |
291.94 |
|
安装钢管防护架时的撞击力（KN） |
33.77 |
45.02 |
56.28 |
67.53 |
78.79 |
|
安装钢漂护舷时的撞击力（KN） |
28.49 |
37.99 |
47.48 |
56.98 |
66.48 |
从表1可见，安装钢管防护架时，航标撞击力仅仅为裸桩撞击力的27％，安装钢飘护舷时，航标撞击力仅仅为裸桩撞击力的23％，所以说防护设施在航标桩基受到船舶撞击作用后具有明显的吸能效果，对混凝土灌注桩起到较大的保护作用。
4．建模分析，推算三级航道船舶撞击力值，验算桩基稳定性
4.1 建模分析、计算
本项目建模采用哈定—德涅维契(Hardin B.C－Drnevich V.P)模型 。该模型用等效剪切模量 和等效阻力比来反映土体动应力～动应变关系的非线性与滞后性的基本特性。经计算,用于动力计算的模型见图4:
a 裸桩 b 含钢飘护舷 c 含钢管防护架
图4 动力计算模型
本项目建模分析统一采用ABAQUS软件,单元选择了8结点六面体等参单元, 计算工况为4种船舶速度下承受排水量1000吨(漂流物重量取为1200吨)的船舶撞击时的动力响应（包括桩身应力、应变、加速度、速度、位移）:
工况一：船速为15km/h、正撞； 工况二：船速为15km/h、30º斜撞；
工况三：船速为12km/h、正撞； 工况四：船速为12km/h、30º斜撞。经计算结果[3]：
表2 6＃裸桩各种工况计算结果
|
工况 |
撞击力
（kN） |
最大应力
（MPa） |
最大应变 |
最大位移（m） |
最大速度(m/s) |
最大加速度（g） |
|
一 |
19755 |
195.80 |
6.742×10－3 |
1.288 |
12.89 |
18.77 |
|
二 |
17108 |
169.56 |
5.839×10－3 |
1.115 |
11.16 |
16.25 |
|
三 |
15804 |
156.64 |
5.394×10－3 |
1.030 |
10.31 |
15.02 |
|
四 |
13686 |
135.65 |
4.671×10－3 |
0.892 |
8.928 |
13.01 |
表3 8# 钢管防护架各种工况计算结果
|
工况 |
撞击力
（kN） |
最大应力
（MPa） |
最大应变 |
最大位移（m） |
最大速度(m/s) |
最大加速度（g） |
|
一 |
5331 |
52.01 |
1.855×10－3 |
0.751 |
1.963 |
1.20 |
|
二 |
4617 |
45.04 |
1.606×10－3 |
0.650 |
1.700 |
1.04 |
|
三 |
4265 |
41.61 |
1.484×10－3 |
0.601 |
1.570 |
0.96 |
|
四 |
3694 |
36.03 |
1.285×10－3 |
0.520 |
1.360 |
0.83 |
表4 5# 钢飘护舷各种工况计算结果
|
工况 |
撞击力
（kN） |
最大应力
（MPa） |
最大应变 |
最大位移（m） |
最大速度(m/s) |
最大加速度（g） |
|
一 |
4499 |
49.10 |
1.756×10－3 |
0.016 |
1.11 |
0.84 |
|
二 |
3896 |
42.52 |
1.521×10－3 |
0.014 |
0.96 |
0.73 |
|
三 |
3599 |
39.28 |
1.405×10－3 |
0.013 |
0.89 |
0.67 |
|
四 |
3117 |
34.02 |
1.217×10－3 |
0.011 |
0.77 |
0.58 |
4.2 结果分析[3]
（1）、工况1到工况4裸桩受撞击均发生断裂；
（2）、工况1到工况4对安装钢管防护架的桩进行撞击，钢管防护架可以降低撞击响应达73.56％，但桩均会出现裂纹，由于桩顶位移偏大，也不能正常工作。
（3）、工况1到工况4对安装钢飘护舷的桩进行撞击，钢飘护舷可以降低撞击响应达78.29％，但桩均会出现少量裂纹，但考虑到桩顶最大位移为1.6cm，可以继续工作。
（4）、采用钢飘护舷最优，为首选。
（5） 桩基设计时采用的船舶撞击力规范参考值误差较大
[4]《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2004），当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击力可按下表采用：
|
内河航道等级 |
船舶吨级DWT(t) |
横桥向撞击作用（KN） |
顺桥向撞击作用（KN） |
|
一 |
3000 |
1400 |
1100 |
|
二 |
2000 |
1100 |
900 |
|
三 |
1000 |
800 |
650 |
|
四 |
500 |
550 |
450 |
|
五 |
300 |
400 |
350 |
|
六 |
100 |
250 |
200 |
|
七 |
50 |
150 |
125 |
内河船舶的撞击作用点，假定为计算通航水位以上2m的桥墩宽度或长度的中点，由于根据规范理论计算冰荷载推力远大于船舶撞击力，故最后以冰荷载推力1100 KN为水平撞击力。
对比表6可以看出，根据实测数据建模计算的撞击力与采用规范所取得撞击力相差20倍左右。（三级航道排水量1000吨船舶的重载航行速度一般在10——15km/h）
5．结语
本项目针对江苏省内河航道船舶大型化趋势，根据船舶撞击航标导致航标与船舶损毁的现状，依托洪泽湖湖区航标改建工程进行了航标防撞研究，研制了单柱式航标防撞设施，并进行了现场实船撞击试验，建模分析研究。结果表明，钢漂护舷防撞设施效果最优，可以进一步向国内外内河航标推广应用，具有重要经济价值和社会价值。
参考文献
[1]江苏省淮安市航道管理处.《江苏省内河单柱式航标防撞研究》,2009
[2]上海市海上安全技术咨询工程公司.《上海市海上安全技术咨询工程公司施工图设计》2008
[3]江苏省淮安市航道管理处.《江苏省内河单柱式航标防撞研究—实船撞击试验》,2009
[4]JTGD60-2004.《公路桥涵设计通用规范》[s]
[5]邱驹.港工建筑物[M].天津大学出版社，2002
[6]杨克己，韩理安.桩基工程[M]，北京：人民交通出版社，1997
作者简介：
程文挺（1965—），男，汉族，镇江，本科，高级工程师，主要从事航道、航标建设工作
研究方向：港航工程新技术、新工艺和新设备
联系地址：淮安市漕运西路96号 邮编：223001，
电话：办0517—83996887， 手机15601408077， 传真：0517-83946959, E-mail：905867923@qq.com |
