【摘要】已建橋梁防控設施一般都有以下特點：①橋梁防控部位在墩臺；②水位落差不大；③設防處地勢平緩。而本橋為柔性主拱圈受撞，水位落差高達30m，設防處地勢陡峻，這諸多不利因素給防撞設計帶來極大困難。根據其與眾不同的特點，本橋通過方案比選，設計了適應環境的轉軸支撐浮箱防撞裝置，在此予以交流。
關鍵詞 橋梁 防撞 設計
一、概述
巫峽長江大橋位于巫山縣下游2km的長江巫峽入口處，橋址河岸陡峻，江面狹窄，呈典型的U型河谷。橋型為上承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑400m，矢跨比1／5，橋寬19m，主橋一孔跨過長江，拱腳直接支承在兩岸岸坡基巖上。
本橋位于三峽庫區，受三峽水位控制。測時水位吳凇高程74.27m，300年一遇水位118．00m，而三峽水庫形成后，蓄水最低水位145．0（m），最高水位175．10m，落差30m。
本橋鋼管混凝土主拱起拱線標高155．64m，通航控制水位175．10m，通航凈高18m。即本共腳以上37．46m（靠拱腳40m）范圍內供圈均在通航凈空線以下，著輪船操作失誤或發生機械故障，該部分鋼管混凝土主拱圈就有被撞擊的可能。
二、撞擊力
巫峽長江大橋河段現為 Ⅱ級 航道，三峽工程正常蓄水后，河段將提高為1一（2）級航道，通行的代表性輪船及船隊如表1。
關于輪船撞擊力的計算公式很多，各規范規定也不同。我國公路橋規規定一級航道橫橋向撞擊力900kN，順橋向撞擊力700kN；我國鐵路規范公式計算為橫橋向撞擊力10260kN，順橋向撞擊力5l30kN；而美國公路橋梁設計規范橫橋撞擊力則達34000kN，約為我國公路《橋規》的38倍。所收集到的國內外的部分橋梁的船速、撞擊能、撞擊力也各不相同，相差甚大。
三、防撞方案設計
1．本橋防撞設計的特點
（1）本橋為主拱圈受撞，而本橋拱圈輕盈，抵抗撞擊力較弱，且防撞面大，撞擊力值的選取，將對防撞裝置造價產生巨大影響。
（2）本橋位于三峽庫區，高低水位落差高達30m。為阻擋船舶撞擊拱圈，防撞裝置必須
隨水位變化，始終保持在水面位置。
（3）兩岸岸坡地勢陡峻，要同時兼顧水位和地勢，設置防撞裝置難度很大。
（4）防撞裝置設防線處，水深很大（64．4m)，且水深變化非常大。
（5）河道通航等級較高，輪船撞擊能量較大。
2．防撞設計選擇方向
（1）本橋主拱圈直接受輪船撞擊威脅，主體結構安全受到影響。因此須設計強有力的防撞設施，確保拱圈不受撞擊，或只承受桅桿撞擊。
(2）設置明顯的、較密集的導航標志，加強對航船的引導，避免對橋梁的撞擊。
3．防撞設計方案選擇
（l）方案一：轉軸支撐浮箱方案（圖1）
距拱腳40m（水位175．10m時）處，兩岸各設一八字形鋼浮箱，鋼浮箱通過鋼管桁架支撐于起拱線下方的鋼管混凝土轉軸，隨水位的漲落，浮箱繞轉軸按圓弧軌跡升降。
八字形浮箱兩端，為防止失誤輪船繞道從八字形浮箱背后撞擊拱圈，在八字形端部與河岸間增設一段無撐架浮箱，該浮箱一端用長圓孔套在河岸的鋼管混凝土立柱上，另一端與八字形端部鉸接相連，并支于八字形端頭牛腿上。船舶撞擊時，允許該浮箱比其他部分的浮箱損壞嚴重些，但不得危及拱圖安全。
在浮箱靠航道側，設有V形橡膠緩沖體，浮箱與支撐柱間，用多股鋼絲繩連接。當輪船撞向浮箱時，首先接觸橡膠體，橡膠體緩沖、擴散后，撞擊力和能量再傳到浮箱→桁架→轉軸→支座混凝土體，鋼絲繩防止浮箱在豎直切向分力作用下繞軸翻轉而喪失抵抗力。
鋼絲繩通過設在浮箱和支撐柱上的滑輪組按受力繞成多股，在浮箱上設有鋼絲繩卷盤和卷揚機。當浮箱隨水位上浮（稍超正常淹沒線）時，在浮球作用下，閘閥打開，鋼絲繩放松,增長，水位四至正常淹沒線時，閘間重新將鋼絲卡牢。水位下降時，卷揚機在簡易機械的控制下收緊鋼絲繩，并將其卡住。
浮箱頂面設置航標導航。
(2）方案二 鋼管柱垂直升降浮箱（圖2）
距拱腳40m，設置八字形的鋼浮箱，浮箱靠航道側設有V形緩沖橡膠體，浮箱分三段：中間直段和兩端段。每段浮箱套在三根以上的鋼管柱上，隨水位的漲落，浮箱沿鋼管垂直升
降。鋼管柱由兩段構成，下段內澆混凝土，形成鋼管混凝土；上段為空鋼箱，其內徑比下段外徑稍大，套在下段鋼管外面。在浮箱升降的帶動下，鋼管樁可伸長縮短，從而降低低水位時鋼管柱的柱頂標高，減小鋼管樁對主拱圈的干擾和遮擋，改善視覺效果。
浮箱頂面設置航標導航。
上、下游八字墻端部與岸坡錨固點（標高175．10m）間用鋼絲繩連接，鋼絲繩上等距布置航標船，以防輪船從八字形浮背后繞行。航標船設置定位錨索，以保持航標船的準確位置，形成弧形導航曲線。
(3)方案三 ，強化導航標志（圖三）
在航道邊緣（距起拱線40m外）的橋軸線和上、下游各設一根與方案二相似的雙節鋼管樁，每樁頂設一個圓形浮箱；在浮箱上下游標高為175．lm處的岸上設兩鋼纜錨固點，用鋼纜將上游錨點一上游浮箱一橋軸浮箱一下游浮箱一下游錨點相連，形成橢圓形。在鋼纜上較密集地固定航標船，并用定位錨索控制其位置，使其醒目地勾劃出航道邊界，從而避免和減少船只對橋梁的碰撞。
4．各防撞方案的利弊及方案選擇
方案一：撞擊的抵抗能力最強，能有效避免拱圈受撞，碰撞時輪船和防撞設施破損均不嚴重，易于修復。此方案施工難度較大，造價最高，對景觀影響較小。
方案二：撞擊抵抗能力較弱，只能減弱輪船的撞擊能量，減小對拱圈威脅。撞擊時自身（樁柱）的損傷較嚴重，修復難度大。造型簡潔，施工較第一方案容易，造價比第一方案低，但外套鋼管樁始終沒入水中，養護維修較困難。
方案三：僅起導航警示作用，對撞擊無阻擋作用，但其施工簡單，造價省，對橋梁美觀的影響也小。
從抗撞能力和對拱圈的有效保護考慮，選擇轉軸支撐浮箱方案（第一方案）作為設計方案。
四、抗撞能力檢校
據現有資料查得的國內外橋梁防撞裝置，均為墩臺承受撞擊，且不乏橋梁損毀事例。本橋為柔性拱圈，且為上部構造受撞，這是尚無先例的。何況橋位處水位落差巨大，岸坡陡峻，防撞裝置設置十分艱難。撞擊力的取值，將對防撞設施的設置和造價產生巨大影響。
為了安全、合理、經濟地設計防撞裝置，本橋的防撞設計委托上海船舶研究所進行了模擬撞擊計算。
模擬計算的代表船型如表2。
按以上客貨輪代表船型和碰撞速度，及可能的最不利的撞擊角度（45o），模擬撞擊計算結果如表⒊。
從表中結果可知，在最大撞擊力的作用下，本設計能阻擋住失控的輪船，保護拱圈安全。在最大力撞擊下受撞擊浮箱局部破損嚴重，船舶也有一定程度損傷，兩者均無重大傷害，修復難度和費用不高，此防撞設計是成功的，但局部細節還可進一步優化。
對于拱圈，在防撞裝置受損的狀況下，有可能受到輪船桅桿的撞擊，按《美國公路橋梁設計規范--荷載與抗力系數設計法SI單位第一版1994年》規定：桅桿撞擊力為船舶撞擊力的 1／10。
本橋將此力作用在距拱腳水平距離40m處拱圈側面，進行了仿真分析，其結構應力如表4。
在船舶（桅桿）撞擊力作用下，碰撞處局部撐桿鋼管應力達251．31MPa，小于16錳（Q345）鋼容許應力（200 XI． 3＝ 260MPa），滿足設計強度要求，但已無更大的抗撞儲備。除撞擊處外，其余桿件受力均很小。
五、防撞的經濟代價
本防船舶碰撞裝置規模十分龐大：順河向長 155m，順橋向 2 X 42． 5m，浮箱長 2 X 229m。除影響橋區景觀，壓縮航道寬度外，工程數量十分巨大，直接工程費2171．03萬元，占橋梁主體直接造價（ 8795． 09萬元）的 1／4或總造價的 1／5如表5。
六、結語
在岸坡陡峻，水位變幅大的條件下怎么設計防撞裝置？在沒有類似工程事例的情況下，巫峽長江大橋通過自己的探索，設計了轉軸支撐浮箱防撞裝置，適應了防撞需要，基本是成功的。同行在類似情況下進行橋型比選和防碰撞設計時，有一定參考價值。
如何根據航道情況確定碰撞速度和碰撞不利角度，如何確定船舶隊在撞擊過程中的相互作用，是決定碰撞能量和碰撞力的關鍵，是決定防撞裝置尺寸的關鍵。我們應當認真研究以上問題，認真研究防撞方法及其細部構造，設計出安全可靠、經濟合理、美觀輕巧的防撞裝置。
參考文獻
【1】美國各州公路和運輸工作協會（AASHTO） ．美國公路橋梁設計規范--荷載與抗力系數設計法SI單位第一版 1994年
