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1、桥梁通航尺度(2009-05-05 22:38:22) 桥梁通航净空尺度探讨 在所有的临、跨、过航道的建筑设施中,桥梁对航道的影响最大,而且桥梁的通航净空尺度和通航孔的布设直接影响通航能力和航行安全,对桥梁的通航净空尺度的控制将对航道的发展和船舶的航行带来深远的影响。通过对新长铁路、宁启铁路等协调工作,对淮江、宁 杭、宁宿徐等多条高速公路跨航道桥梁的预可、工可、初设审查,对桥梁的通航净空尺度想法阐述如下。 1 桥梁通航尺度的组成 按照《内河通航标准》(GBJ139-90)(以下简称“国标”)的界定,桥梁的通航尺度涉及桥梁的通航净空、桥位、设计通航水位3个主要部分,其中,通航净空由
2、通航净高、净宽、侧高和上底宽组成,并涉及航道中心线、航道宽度等。在上述的3个主要部分中,影响最大的是通航净空尺度。通航净空尺度虽然由4个基本元素组成,但净空尺度却与桥位、通航水位密切相关,如对一些不甚理想的桥位,或对通航影响较大的桥位,在桥梁的设计时,可通过调整桥梁的通航净空尺度来满足船舶航行和航道规划的要求。且由于大、中桥一般都是公路、铁路桥梁,为了优化公路、铁路的线型,减少项目的投资,其桥位一般都难以调整,常常通过调整通航净空及孔跨布设来达到满足通航要求的目的。现在建桥基本摒弃了拱桥这种旧式桥型,且由于变截面梁的桥梁一般都为大跨径,所以,如果满足通航净高和净宽的要求,也同时满足侧高和上底宽
3、的要求,“国标”中也说明对跨径较大的桥梁,可不考虑上底宽等因素。因此,本文将主要讨论桥梁的通航净高和净宽这2个最基本、也是最主要的尺度。 1·1 桥位涉及的通航净空尺度及其要求 按照“国标”的要求,对非1跨过河、中有墩柱的桥梁(大多数的跨航道桥梁),它们应同时符合下述规定。而对1跨过河、中无墩柱的桥梁,其位置与航行无关。 (1)桥址应选择在河床稳定、航道水深充裕、水流条件良好的平顺河段。这是保证船舶在桥梁通航孔中航行的基本条件。“河床稳定”:指桥址必须处于稳定的河段,包括航道的中心线位置(即航道的基本走向)、航宽等在多年内变化甚微,且没有大的淤积、摆动和偏向的。“航道水深充裕”:指桥址处
4、的航道水深能满足目前航道等级要求的水深值。一般地,桥梁设计单位须进行桥址处上下游数百米范围的航道断面的测量,并在桥梁平面图上画出航道的水深等值线,同时在桥梁的立面布置图(桥型方案图)上画出航道断面,以此作为水深值的 校验。 “水流条件良好”:指桥址处的航道水流不应有横流、偏流或较大流速。 (2)桥址应远离浅滩、锚地、弯道、交叉口。其距离桥梁上游方向不得小于顶推船队的4倍或拖带船队的3倍;距离桥梁的下游方向,不得小于顶推船队的2倍或拖带船队的1·5倍。在航道的险滩、弯道、汇流口,船舶航行比较困难,或需要谨慎驾驶的地方,如果桥梁建在此处,必然会增加船舶驾驶难度,影响航行安全。因此,桥址的选择
5、应远离这些地方。而港口作业区和锚地是船舶作业频繁、抛锚编解船队作业的水域,自然不宜增设任何水上设施。由于航道水流的方向,因此,物体位于桥梁上游时,其与桥梁的距离要大于它们位于桥梁下游时的距离。但对于一些特殊的航道,如通江、通海及通湖区的航道中临江、海、湖的某些航段,以及临近大型水利设施的航段,常常存在双向水头,因此,不论已有建筑设施或浅滩等位于待建桥梁的上游或下游,均应取用其位于桥梁上游时的距离测算。 (3)相邻2座桥的轴向间距,Ⅱ~Ⅴ级航道不得小于船队长度加船队下水5min航程之和;Ⅵ~Ⅶ级航道不得小于船队长度加船队下水3min航程之和。这是新建的桥梁距原有桥梁及水上跨河管道之间的最小距离
6、这是为了保证船舶航行和桥梁的安全,不致降低桥址段航道的通过能力。与(2)中论述相同,该尺度应按Ⅵ级航道船队尺度或主要船队尺度取用。值得一提的是,对江苏省比较狭窄的航道而言,因为都为限制性航道,根据“国标”第4·1·4条的规定“桥梁宜1跨过河”,在桥梁设计时应在航道等级标准净空尺度的基础上,1跨过河,水中不设墩柱。对此,桥址可不受上述(2)、(3)的限制。要注意的是,设计最高通航水位时的水面宽度为“1跨过河”时要控制的宽度。在某些情况下,水面宽度难以确定时,一般可采用2个步骤计算:①取用等级标准航宽和常水位时的水面宽度两者中的大值;②如果有航道整治规划设计航宽,可直接取用航道设计驳岸间的宽度,
7、或者采用航道养护疏浚工程使用的维护航宽与①中所得航宽对比,取其大值。 1·2 桥梁通航净宽尺度及要求 如果确定了桥位,就相应确定了桥梁的通航净宽及桥梁的平面布置。如果桥梁非1跨过河时,桥梁平面布置涉及的通航尺度有以下2个方面: (1)桥梁轴线的法线方向应尽可能与水流方向一致,其偏角不得大于5°,若超过5°,净宽必须相应加大,应满足垂直于水流方向上的净宽投影值,不小于等级航道标准要求的最小净宽值。在桥梁设计时,为了保证公路或铁路线型的经济、流畅,以及桥梁接线的经济等,对跨河桥梁轴法线与航道的水流的夹角常常设计得过大。对于这种超过5°交角的桥梁,可以按2种方案来优化桥孔布设:①在尽可能的情况
8、 下,重新局部调整公路或铁路的线型。②加大桥梁的通航净宽值,加大到垂直水流方向上的投影值不小于等级航道标准要求的最小净宽值,即满足实际的通航净宽值。船舶航行时,是以桥孔下的直线通道来作为航行通道的,因此,为了避免航行事故的发生,必须避免在桥梁的上下游变换航行方向,这对拖带船队和顶推船队尤为重要。不论上述2种方案中的哪1种,都必须调整桥墩(或墩柱)的方向,尽量做到“斜桥斜做”。若受桥梁的桥型或施工难度等因素限制,难以做到“斜桥斜做”,可采用错孔布设,即桥梁左、右半幅的墩柱按航道中心线或航槽线方向错开布设,并在净宽满足投影值的基础上,适当加大净宽值,以保证船舶航行的安全。 (2)桥梁通航孔的布
9、设是否与航道中心线一致,否则应调整通航孔中心线或航道中心线。对于有规划中心线的航道,在条件许可的情况下,通航孔布设尚应同时满足规划中心线的要求。目前江苏省绝大多数航道尚无规划设计方案,航道中心线为航道深泓线。因此桥梁设计过程中,应对桥位进行勘测,对桥梁上下游约500m的范围内的航道进行断 面测量,标示测量范围内的等深线和航道深槽,并勾画出航道深泓线,用以确定航道走向。如果某些航道经过了规划论证,有了明确的规划中心线,桥梁的孔跨布设应同时满足现有的和规划的中心线要求,即桥梁的通航孔净宽值必须能涵盖现有航道和规划航道。此时,可采取1跨包含的方式,或者桥位处规划的航段是航道改线段,如裁弯取直等。现
10、有航道与规划航道距离较远,可分别设置2个通航孔,以满足现有航道和规划航道的通航需要。如改建的邳州大桥,设置了2个主通航孔,1个通航孔是规划通航孔,为旱桥,另1个通航孔为供目前船舶航行的通航孔。 1·3 桥梁的立面布置对通航净空尺度及要求 桥梁的立面布置中涉及航道通航水位、净高、净宽、侧高、上底宽等尺度及承台设置等,它应同时遵循以下3个方面: (1)桥址段航道设计最高、最低通航水位应经论证。航道设计最高通航水位是确定桥梁通航净高,以及桥梁承台顶高程的控制水位;最低通航水位是校核桥下水深值的控制水位,也是桥址选择的依据之一。架设桥梁处的航道最高、最低通航水位应由有关部门提供或论证。随江苏航道
11、定级发布的水位基准点,苏南地区为吴淞零点,苏北地区为废黄河零点。 (2)通航孔内不得有突出净空范围的任何构件,特别应该注意的是,对水中设有墩台的桥梁,其承台应设置在设计最高通航水位以上或航道设计底高程以下,如现有航道底高程低于航道设计底高程,以现有航道底高程计。桥梁通航净空是指通航净空范围内的立体空间值,以桥梁与航道正交而言,其竖向范围(Z轴)是从位于梁底附近的上底宽线到规划的航道设计底高程,横向(X轴)范围为左右桥墩、或承台间的最小净距离,纵向范围(Y轴)为桥梁宽度,在此空间范围内不得有任何突出构件存在。如果桥梁设有承台(墩台),且承台设置在最高通航水位以下,淹没在水中,这样极易造成海损事
12、故。如原邳州大桥,其水下承台被船舶和船队撞击过108次,使得该桥过早地成为危桥,不仅给船舶航行安全带来极大的隐患,也影响到桥梁自身安全。桥梁承台顶部应设置在航道设计最高通航水位以上或航道设计底高程以下,以保证桥梁和船舶航行安全的需要。若现有航道底高程低于设计底高程,自然以现有航道底高程为准。目前,江苏尚有相当部分的桥梁,承台在最高通航水位以下,因此,不得不采用钢护筒将通航孔的承台内侧保护起来。钢护筒的高度应超出设计最高通航水位以上1m左右,同时注意对桥涵标的养护,使之夜间发光引航。采用钢护筒的方法只是权益之策。 (3)桥梁不应过于缩小航道的过水断面,不得使通航 孔附近产生危害船舶航行安全的
13、不良水流。 对于航宽较大,水运较繁忙的航道,在条件允许的情 况下,应设多孔通航,或加大通航孔的净宽,且桥墩的外 部形状在迎水面和背水面要设计成孤形,不影响通航孔 附近水流流态。对于江苏绝大部分列入省干线航道网中 的航道。 (4)桥梁的通航尺度应不小于国家规定的等级航道 通航净空标准和有关的技术要求。 2 一些桥梁通航净空尺度的认识误区 综上所述,在设计桥梁的通航净空时应考虑到桥位、 航道中心线、航道通过量、航道现有宽度、桥梁与航道的 交角、通航水位、承台设置等。但在桥梁的设计中常存在 一些错误的认识,给桥梁的设计和施工进度、桥梁和航行 安全带来一些不利影响。概括有以下
14、几点: (1)通航净宽只要满足航道等级标准就可以。“国 标”中的通航净宽值是指最小的净宽值,即设计的桥梁净 宽不得小于该值。应“满足通航要求”才行。通航要求涵 盖了通航净空尺度,而桥梁与航道之间的关系,不是一个 通航净空尺度,如Ⅴ级航道的38m×5m就可以解决的。 (2)较宽、较高的桥梁,不能只画标准通航净空图。 因为通航净空应该是同时满足通航孔内的最大净高和净 宽。因此,此时净空图应按最大净高和净宽标示。 (3)有的桥梁设计,将承台设置在最高和最低通航水 位之间,形成了水下障碍,这种设计是相当危险的。 (4)有时考虑航道的航运实际情况,设置多孔通航 (如2孔通航),但
15、将2孔之间的墩柱设置在航道中心,认 为与公路上一样,船舶可按左、右边分别通航。这是一种 十分错误和危险的认识。船舶在航行到桥梁时,如果附 近没有其他待过桥的船舶,将沿航道中心过桥;而且根据 船舶特性,为减小水流阻力,船舶一般都是航行在内河 (特别是等级较低的)航道中心,因此,不可能在过桥时主 动地偏到航道一侧(除非在桥下交会);况且正常情况下, 航道中心的流速应该是最大的,此时,位于航道中心的墩 柱对水流流态的影响较大,易形成不良水流。 (5)在桥梁的设计中,存在下述净宽计算上的误区, 现举例说明。 1座跨Ⅳ级航道的高速公路桥梁通航孔的设 计平面布置示意。通航孔净跨L=
16、 60m,承台长A= 20·0m,桥梁轴法线与航道中心线交角α=40°。 图1 高速公路桥梁通航孔的设计平面布置示意 虽然通航孔净跨为60m,如果折算为垂直于航道中心 线方向的投影宽度为60×cos40°=45·96m,大于“国标”要 求的45m,似乎满足45m的净宽标准,但是由于船舶在桥 下是直线航行,其实际可航行宽度是两承台之间的最小 宽度B,即实际的通航净宽,B=L×cosα-A×sinα=60× cos40°-20×sin40°=45·96-12·86=33·10m<45m。 现在大多数斜交桥梁的设计,一般都以航道等级标 准净宽再除以交角的余弦值得出通航孔净跨值。本
17、例 中,桥梁设计净跨值L≥45/cos40°=58·74m,取60m。此时 有两种情况:①桥梁为“斜桥斜做”,即桥梁承台按航道走 向布设,其边线平行于航道中心线,一般来说,此时桥梁 通航孔的净跨值应满足其在桥梁轴法线方向的投影值不 小于“国标”规定的通航净宽,即L≥45/cosα,可取60m;② 桥梁为“斜桥正做”,即如图1所示,此时,若仍取60m的 净跨值,则实际通航净宽比标准净宽小,由于高速公路桥 梁宽度一般与公路同宽,所以本例中的承台20m的长度 是固定的,因此实际需要的净跨值可以通过解下述一元 一次方程得出: 设需要的实际净跨值为y,则 y×cos40°-20×
18、sin40°≥45m 解得: y≥75·53m 所以,相同条件下,“斜桥正做”需要的净跨值 (75·53m)比“斜桥斜做”采用的净跨值(60m)大了不少。 上述算式也可用来校核桥梁中孔通航净空的设计尺度。 3 值得考虑的问题 3·1 桥涵标的设置问题 由于桥梁的设置增加船舶航行困难度,因此,为了保 证桥梁及过往船舶的安全,在桥梁设计时,应同时设置发 光桥涵标。笔者认为,对于所有的桥梁都应设置桥涵标。 有一种看法认为1跨过河、水中无墩柱的桥梁可不设置 桥涵标,其理由是这类桥梁除净高外,对航道无任何影 响。但正是由于有桥梁净高的因素,在高水位时,大吨位 船舶高度超过或接近
19、等级标准净高,极有可能撞桥,给桥 梁和船舶都带来危险。 3·2 管道桥的设计问题 管道桥作为1种跨河建筑物,它对航道的影响与其 他桥梁是一样的。因此,管道桥同样应该考虑上述因素, 在设计危险品、煤气等管道桥的通航净高时,要高于现有 的标准净高值。通常是在现有标准的基础上,加上0·5m, 以保证管道和船舶的安全。 3·3 有关在航道弯道上设置桥梁的问题 弯道是航道的弯曲段,对航行的影响有:①弯道段水 流流态比直线段复杂;②弯道会影响船舶驾驶的视线;③ 弯道会给航行驾驶带来“转弯”上的困难。因此,一般在 桥梁选址时,应尽量避免将桥梁设置在弯道上(1跨过河、 水中无墩柱的桥梁可设置在弯道上)。因种种原因无法 避让的,需加大桥梁的通航净宽,同时,要注意弯道段的 航道中心线位置。对于具体加宽值,需根据实际情况详 细分析。如弯道的弯曲半径较大,则加宽值须相应加大。
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