跨海大桥建设及运营中的致灾因素分析及风险控制.pdf

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1、浙江舟山市大桥建设管理局浙江舟山市交通运输局15:27:38一、大型跨海桥梁建设的发展趋势二、强风/台风对跨海大桥的致灾影响三、船舶撞击对跨海大桥的致灾影响四、波流冲刷对跨海大桥的致灾影响五、工程控制水平及工程装备性能对跨海大桥的致灾影响六、运营期灾害风险控制全面的安全监控管理15:27:3815:27:38 从20世纪30年代开始，美国建造了著名的奥克兰海湾大桥和金门大桥。从此开启了现代跨海大桥建设的序幕，欧洲、日本紧随其后建设了多座跨海大桥。在本世纪的前十年中，我国先后建成了几座特大型跨海工程东海大桥、杭州湾大桥以及舟山大陆连岛工程。后又陆续建成了青岛海湾大桥、厦漳跨海大桥、象山港大桥等，

2、正在建设中的还有港珠澳大桥、浙江沿海高速三座跨海大桥，正在规划建设的有浙江六横跨海大桥、上海东海二桥、广东深中通道、渤海海峡工程、琼州海峡工程等。还有几个跨海湾和跨海峡的公铁两用通道也在规划中。21世纪初中国跨海大桥建设的10年杭州湾大桥东海大桥青岛海湾大桥港珠澳大桥舟山大陆连岛工程15:27:39珠江口规划珠江口规划杭州湾口规划杭州湾口规划渤海湾、长三角、珠三角成为跨海工程建设的热点地区渤海湾、长三角、珠三角成为跨海工程建设的热点地区15:27:39六横岛梅山岛佛渡岛柴桥穿山疏港象山湾疏港 方案路线总长约 31km 31km，其中海上桥梁长约19Km；设计速度：100km/h；投资估算175

3、亿元；两个主通航孔分别由两座特大跨径的悬索桥和斜拉桥组成。六横跨海大桥六横跨海大桥舟山将建的一座世界级跨海工程舟山将建的一座世界级跨海工程 未来的跨海工程建设规划未来的跨海工程建设规划15:27:40一路一带 跨海连通一路一带 跨海连通15:27:40发展趋势二、强风/台风对跨海大桥的致灾影响15:27:4015:27:40 西太平洋是台风多发区域，在我国登陆的台风大约占整个西太平洋台风总数的35%，平均每年有78个台风在我国登陆。2011年超强台风“梅花”登陆前中心风力达16级以上，最强中心虽未直接登陆我国，却给大型桥梁密集的江浙沪等沿海的工程防灾带来巨大挑战。而2013年的强台风“菲特”给

4、而浙江省带来历史罕见的狂风暴雨，在苍南石坪山测得的瞬时风速达76.1米/秒。2 2013年11月，中心风力达17级的超强台风“海燕”袭击菲律宾，成为“世纪风王”，引起大跨桥梁抗风防灾领域的新思考。因此结构的风致灾害仍然是未来跨海大桥建设和运营中的必须重点考虑的制约因素。沿海是台风多发的高风速区15:27:40舟山六横-梅山疏港舟山本岛-岱山岱山-洋山港岱山-秀山-舟山本岛舟山海域将建桥址处风场监测范围嘉绍大桥39.3m/s杭州湾大桥39.0m/s东海大桥42.0m/s金塘大桥40.2m/s甬江口大桥40.5m/s象山港大桥46.5m/s西堠门大桥40.5m/s44.5m/s44.4m/s44.

5、9m/s42.2m/s15:27:41桥位区设计基准风速U10=41.12m/s，场地：0.16-0.14。成桥状态颤振检验风速为78.74m/s，（略高于明石海峡大桥）。施工状态颤振检验风速为67.1m/s。0102030405060708090100404550556065707580859095100 对称施工颤振临界风速 非对称施工颤振临界风速 颤振检验风速67.1m/s颤振临界风速颤振临界风速（m/s）梁段拼装率梁段拼装率（）对非对称、对称施工，共进行了80个工况的气弹模型风洞试验。对称施工：4595、非对称施工：15354595结构颤振临界风速均小于施工颤振检验风速67.1m/s。

6、对非对称、对称施工，共进行了80个工况的气弹模型风洞试验。对称施工：4595、非对称施工：15354595结构颤振临界风速均小于施工颤振检验风速67.1m/s。采取的措施是分时段考虑，在台风期主要进行塔区、锚区梁段安装，中跨采用对称施工，跨中的梁段安装数量(39段)严格限制；季风间歇期间，伺机作业；并制定了严密的台风预报、抗风措施以及抗风预案。07年架设期间经历三个台风，桥面实测最大风速近40m/s。15:27:42台风期台风期台风期台风期季风期季风期季风期季风期西堠门大桥加劲梁安装施工阶段抗风对策15:27:42 2012年第11号热带风暴“海葵”于8月3日在西北太平洋洋面上生成，2012年

7、8月5日17时进入我国东海海面，并加强为强热带风暴，“海葵”以每小时20-25公里的速度向西偏北方向移动，强度逐渐加强，8月6日升级为台风，8月7日7时“海葵”在象山东南方向320公里，近中心最 大 风 力 12 级（35m/s），8月8日凌晨3时，“海葵”在浙江象山县鹤浦镇登陆，登陆时最大风力14级。西堠门大桥运营期经受台风考验 台风产生的主缆最大横向位移1.426米，加劲梁最大横向位移1.494米，完全处于设计的安全范围之内。15:27:42项目加劲梁设计基准风速加劲梁设计阵风风速桥梁颤振检验风速桥梁颤振临界风速“海葵”台风实测结果桥面高度10min平均风速最大值桥面高度阵风风速最大值风速

8、(m/s)55.1463.9678.748824.233.9“海葵海葵”台风实测结果与西堠门大桥抗风设计标准的比较台风实测结果与西堠门大桥抗风设计标准的比较三、船舶撞击对跨海大桥的致灾影响15:27:42 跨海越江桥梁的建设和海洋运输业的发展形成了一个矛盾体，桥梁如何防撞是今后更为突出的问题。特别是近十年来，我国航运业进入高速发展期。根据十一五期间的统计，我国沿海港口建成深水泊位661个，新增加通过能力30亿吨，内河通航里程也达12.4万公里，2010年仅沿海港口完成的货物吞吐量就是2005年的1.8倍。随着国家实施一路一带和江海联运战略，航道通过能力和航运船舶数量也会逐年增加。面对复杂的水上

9、交通形势，跨航道桥梁面临船撞桥这种严峻的偶然荷载致灾的风险。据统计，国外平均每年均有一座大型桥梁因船撞桥致灾，国内船撞桥事故也屡见不鲜，有报道称，这个破坏因素发生的概率甚至超过了地震。15:27:4215:27:43我国船撞桥事故趋势我国船撞桥事故趋势15:27:4315:27:43序号发生事故的主要原因百分数备注1驾驶粗心52%事故发生原因复杂，且有时多种因素导致事故发生，统计分类数据仅作参考。2机件故障21%3气候恶劣37%4缆绳断裂、走锚等16%根据IABSE发表的资料，对典型的船舶碰撞事故进行初步分析，船舶碰撞事故原因如下：国外自从20世纪60年代就开始了船桥碰撞的研究。IABSE在1

10、983年召开了第一次关于船桥碰撞研究的国际研讨会，随后国内外学者针对船撞桥的风险分析和船桥撞击力领域开展了大量研究，提出了用于设计的桥梁防撞风险评估方法、撞击力的取值及防撞的结构性措施，并制定了相关设计规范。1991年，美国道路工程师协会（AASHTO）发表了第一部桥梁船撞设计指南，我国也在公路和铁路规范中给出了设计船撞力的计算方法。关于船桥碰撞领域的研究按问题的阶段主要集中在以下三个方面：（1）事故预防事故预防，即船舶碰撞桥梁的风险研究及与航道关系。（2）事故应对事故应对，即桥梁防撞的结构措施研究及防撞结构理论。（3）事故后评估事故后评估，即船撞桥后的损伤力学机理和灾后结构安全评估研究。15

11、:27:4315:27:43要充分考虑航道与跨海通道的关系，降低船撞风险15:27:44设立防撞墩防撞套箱防撞套箱静态拦截防撞防撞措施：主动防撞（导航标志及管理制度、建设主动型危险船舶自动识别和警示专家系统）和被动防撞。高速撞击：航速7节，船体没有损坏 柔性防撞设施的船撞试验 15:27:45四、波流冲刷对跨海大桥的致灾影响15:27:45 近10年来由于人类活动导致了海域冲淤条件的剧烈改变，跨海大桥附近海域及桥墩附近容易发生较大的冲刷，给桥梁安全带来隐患。浙江的杭州湾跨海大桥、金塘大桥等多座桥梁的下部结构都长期面临冲刷的威胁影响。金塘大桥建设及运营期开展了桥墩冲刷跟踪观测及分析研究，对桥轴线

12、附近水下地形、断面、潮位海流水文条件进行观测，并进行桥墩冲刷变化分析。由于长江口入海泥沙的显著减少、周边围垦及其它大规模人类活动等，导致工程海域床面冲刷，其影响往往滞后于工程建设，其影响还将在今后持续一段时间。这一点在很多桥梁运营中都有所发现，因此冲刷问题在建设中和运营期应该引起足够的重视。15:27:4515:27:452003年年4月月2010年年11月冲淤分布图月冲淤分布图 金塘大桥设计阶段的桥轴线附近地形测量在经过10年多之后，随着工程海域的自然演变、水沙条件变化及周边大规模围垦等人类活动的影响，大桥两侧海床地形、水流及泥沙条件已出现较大的变化，虽然桥位工程海域滩槽格局基本稳定，但局部

13、海域海床冲刷剧烈，主通航孔以西海域床面普遍冲刷3m左右。整体安全。通过对近三年的实测各桥墩最深局部冲刷高程及其与设计冲刷高程的对比分析可知，金塘大桥各桥墩平均冲刷高程有继续刷深的趋势，说明桥墩冲刷还在发展过程中。长江口入海泥沙的显著减少、周边围垦及其它大规模人类活动等，导致工程海域床面冲刷，其影响往往滞后于工程建设。15:27:45五、工程控制水平及工程装备性能对跨海大桥的致灾影响15:27:46 大型跨海桥梁这样的复杂项目建设过程，就是一个开放的复杂巨系统，涉及面广，影响工程顺利进展的内外部因素多，需要人、设备、技术的高度融合，需要有效科学的工程控制措施。很多工程事故，如施工落梁、塔倾覆、架

14、桥机坍塌、构件起火、梁体拼装精度失控等都是由此引起的。15:27:46 以舟山连岛工程金塘大桥东通航孔西侧海上60米箱梁段的施工为例，整个施工过程主要内容如下图所示。15:27:466060米箱梁出运米箱梁出运15:27:46箱梁运输、安装采用“架运分离”模式，提高效率。15:27:47 在大型装备作业的跨海工程建设中，集成化的工程控制至关重要。减小各种内部致灾因素的影响，提高工程装备的作业性能，需要科学有效的工程控制方法，即基于信息融合集成化控制决策。充分利用平潮期，缆载吊机吊具设计采用软联结，最大限度缩短作业时间。动力定位结合天吊钢绳，运梁船实现水平就位。通过验证，可在40min左右完成定位作业，完全能满足安装精度和安全需要。运输船动力定位定位示意图直升机起飞直升机在南塔顶悬停牵引先导索飞向北塔北塔接收锚固先导索15:27:49目前健康监测正在规范化、数据分析方法也多样化目前健康监测正在规范化、数据分析方法也多样化建立跨海大桥健康监测系统及安全监控管理系统2015-5-12舟山跨海大桥监控中心完善桥梁助航设施建设完善桥梁助航设施建设监控中心实时监控大桥安全监控中心实时监控大桥安全大桥监控中心(bridge monitoring center)15:27:5115:27:51