【摘要】已建桥梁防控设施一般都有以下特点：①桥梁防控部位在墩台；②水位落差不大；③设防处地势平缓。而本桥为柔性主拱圈受撞，水位落差高达30m，设防处地势陡峻，这诸多不利因素给防撞设计带来极大困难。根据其与众不同的特点，本桥通过方案比选，设计了适应环境的转轴支撑浮箱防撞装置，在此予以交流。
关键词 桥梁 防撞 设计
一、概述
巫峡长江大桥位于巫山县下游2km的长江巫峡入口处，桥址河岸陡峻，江面狭窄，呈典型的U型河谷。桥型为上承式钢管混凝土拱桥，净跨径400m，矢跨比1／5，桥宽19m，主桥一孔跨过长江，拱脚直接支承在两岸岸坡基岩上。
本桥位于三峡库区，受三峡水位控制。测时水位吴凇高程74.27m，300年一遇水位118．00m，而三峡水库形成后，蓄水最低水位145．0（m），最高水位175．10m，落差30m。
本桥钢管混凝土主拱起拱线标高155．64m，通航控制水位175．10m，通航净高18m。即本共脚以上37．46m（靠拱脚40m）范围内供圈均在通航净空线以下，着轮船操作失误或发生机械故障，该部分钢管混凝土主拱圈就有被撞击的可能。
二、撞击力
巫峡长江大桥河段现为 Ⅱ级 航道，三峡工程正常蓄水后，河段将提高为1一（2）级航道，通行的代表性轮船及船队如表1。
关于轮船撞击力的计算公式很多，各规范规定也不同。我国公路桥规规定一级航道横桥向撞击力900kN，顺桥向撞击力700kN；我国铁路规范公式计算为横桥向撞击力10260kN，顺桥向撞击力5l30kN；而美国公路桥梁设计规范横桥撞击力则达34000kN，约为我国公路《桥规》的38倍。所收集到的国内外的部分桥梁的船速、撞击能、撞击力也各不相同，相差甚大。
三、防撞方案设计
1．本桥防撞设计的特点
（1）本桥为主拱圈受撞，而本桥拱圈轻盈，抵抗撞击力较弱，且防撞面大，撞击力值的选取，将对防撞装置造价产生巨大影响。
（2）本桥位于三峡库区，高低水位落差高达30m。为阻挡船舶撞击拱圈，防撞装置必须
随水位变化，始终保持在水面位置。
（3）两岸岸坡地势陡峻，要同时兼顾水位和地势，设置防撞装置难度很大。
（4）防撞装置设防线处，水深很大（64．4m)，且水深变化非常大。
（5）河道通航等级较高，轮船撞击能量较大。
2．防撞设计选择方向
（1）本桥主拱圈直接受轮船撞击威胁，主体结构安全受到影响。因此须设计强有力的防撞设施，确保拱圈不受撞击，或只承受桅杆撞击。
(2）设置明显的、较密集的导航标志，加强对航船的引导，避免对桥梁的撞击。
3．防撞设计方案选择
（l）方案一：转轴支撑浮箱方案（图1）
距拱脚40m（水位175．10m时）处，两岸各设一八字形钢浮箱，钢浮箱通过钢管桁架支撑于起拱线下方的钢管混凝土转轴，随水位的涨落，浮箱绕转轴按圆弧轨迹升降。
八字形浮箱两端，为防止失误轮船绕道从八字形浮箱背后撞击拱圈，在八字形端部与河岸间增设一段无撑架浮箱，该浮箱一端用长圆孔套在河岸的钢管混凝土立柱上，另一端与八字形端部铰接相连，并支于八字形端头牛腿上。船舶撞击时，允许该浮箱比其他部分的浮箱损坏严重些，但不得危及拱图安全。
在浮箱靠航道侧，设有V形橡胶缓冲体，浮箱与支撑柱间，用多股钢丝绳连接。当轮船撞向浮箱时，首先接触橡胶体，橡胶体缓冲、扩散后，撞击力和能量再传到浮箱→桁架→转轴→支座混凝土体，钢丝绳防止浮箱在竖直切向分力作用下绕轴翻转而丧失抵抗力。
钢丝绳通过设在浮箱和支撑柱上的滑轮组按受力绕成多股，在浮箱上设有钢丝绳卷盘和卷扬机。当浮箱随水位上浮（稍超正常淹没线）时，在浮球作用下，闸阀打开，钢丝绳放松,增长，水位四至正常淹没线时，闸间重新将钢丝卡牢。水位下降时，卷扬机在简易机械的控制下收紧钢丝绳，并将其卡住。
浮箱顶面设置航标导航。
(2）方案二 钢管柱垂直升降浮箱（图2）
距拱脚40m，设置八字形的钢浮箱，浮箱靠航道侧设有V形缓冲橡胶体，浮箱分三段：中间直段和两端段。每段浮箱套在三根以上的钢管柱上，随水位的涨落，浮箱沿钢管垂直升
降。钢管柱由两段构成，下段内浇混凝土，形成钢管混凝土；上段为空钢箱，其内径比下段外径稍大，套在下段钢管外面。在浮箱升降的带动下，钢管桩可伸长缩短，从而降低低水位时钢管柱的柱顶标高，减小钢管桩对主拱圈的干扰和遮挡，改善视觉效果。
浮箱顶面设置航标导航。
上、下游八字墙端部与岸坡锚固点（标高175．10m）间用钢丝绳连接，钢丝绳上等距布置航标船，以防轮船从八字形浮背后绕行。航标船设置定位锚索，以保持航标船的准确位置，形成弧形导航曲线。
(3)方案三 ，强化导航标志（图三）
在航道边缘（距起拱线40m外）的桥轴线和上、下游各设一根与方案二相似的双节钢管桩，每桩顶设一个圆形浮箱；在浮箱上下游标高为175．lm处的岸上设两钢缆锚固点，用钢缆将上游锚点一上游浮箱一桥轴浮箱一下游浮箱一下游锚点相连，形成椭圆形。在钢缆上较密集地固定航标船，并用定位锚索控制其位置，使其醒目地勾划出航道边界，从而避免和减少船只对桥梁的碰撞。
4．各防撞方案的利弊及方案选择
方案一：撞击的抵抗能力最强，能有效避免拱圈受撞，碰撞时轮船和防撞设施破损均不严重，易于修复。此方案施工难度较大，造价最高，对景观影响较小。
方案二：撞击抵抗能力较弱，只能减弱轮船的撞击能量，减小对拱圈威胁。撞击时自身（桩柱）的损伤较严重，修复难度大。造型简洁，施工较第一方案容易，造价比第一方案低，但外套钢管桩始终没入水中，养护维修较困难。
方案三：仅起导航警示作用，对撞击无阻挡作用，但其施工简单，造价省，对桥梁美观的影响也小。
从抗撞能力和对拱圈的有效保护考虑，选择转轴支撑浮箱方案（第一方案）作为设计方案。
四、抗撞能力检校
据现有资料查得的国内外桥梁防撞装置，均为墩台承受撞击，且不乏桥梁损毁事例。本桥为柔性拱圈，且为上部构造受撞，这是尚无先例的。何况桥位处水位落差巨大，岸坡陡峻，防撞装置设置十分艰难。撞击力的取值，将对防撞设施的设置和造价产生巨大影响。
为了安全、合理、经济地设计防撞装置，本桥的防撞设计委托上海船舶研究所进行了模拟撞击计算。
模拟计算的代表船型如表2。
按以上客货轮代表船型和碰撞速度，及可能的最不利的撞击角度（45o），模拟撞击计算结果如表⒊。
从表中结果可知，在最大撞击力的作用下，本设计能阻挡住失控的轮船，保护拱圈安全。在最大力撞击下受撞击浮箱局部破损严重，船舶也有一定程度损伤，两者均无重大伤害，修复难度和费用不高，此防撞设计是成功的，但局部细节还可进一步优化。
对于拱圈，在防撞装置受损的状况下，有可能受到轮船桅杆的撞击，按《美国公路桥梁设计规范--荷载与抗力系数设计法SI单位第一版1994年》规定：桅杆撞击力为船舶撞击力的 1／10。
本桥将此力作用在距拱脚水平距离40m处拱圈侧面，进行了仿真分析，其结构应力如表4。
在船舶（桅杆）撞击力作用下，碰撞处局部撑杆钢管应力达251．31MPa，小于16锰（Q345）钢容许应力（200 XI． 3＝ 260MPa），满足设计强度要求，但已无更大的抗撞储备。除撞击处外，其余杆件受力均很小。
五、防撞的经济代价
本防船舶碰撞装置规模十分庞大：顺河向长 155m，顺桥向 2 X 42． 5m，浮箱长 2 X 229m。除影响桥区景观，压缩航道宽度外，工程数量十分巨大，直接工程费2171．03万元，占桥梁主体直接造价（ 8795． 09万元）的 1／4或总造价的 1／5如表5。
六、结语
在岸坡陡峻，水位变幅大的条件下怎么设计防撞装置？在没有类似工程事例的情况下，巫峡长江大桥通过自己的探索，设计了转轴支撑浮箱防撞装置，适应了防撞需要，基本是成功的。同行在类似情况下进行桥型比选和防碰撞设计时，有一定参考价值。
如何根据航道情况确定碰撞速度和碰撞不利角度，如何确定船舶队在撞击过程中的相互作用，是决定碰撞能量和碰撞力的关键，是决定防撞装置尺寸的关键。我们应当认真研究以上问题，认真研究防撞方法及其细部构造，设计出安全可靠、经济合理、美观轻巧的防撞装置。
参考文献
【1】美国各州公路和运输工作协会（AASHTO） ．美国公路桥梁设计规范--荷载与抗力系数设计法SI单位第一版 1994年
