核心提要
1. 22日凌晨,“良辉688”集装箱船撞上广州沥心沙大桥桥墩,造成大桥一段桥梁滑落,并导致5人遇难 。桥梁滑落原因是简支挂孔梁由于桥墩被撞移位导致,其中该船碰撞桥墩时动能巨大、受力碰撞点位置合适也是重要因素。
2. 关于船肇事的原因,初步调查显示,轮船在即将抵达沥心沙大桥时,船员没有关注轮船航向,导致航线过度向左侧偏离,临近大桥时船员才向右急打转弯操作,但为时已晚。另外航道也需引发关注。
3. 近年来,珠江水道船撞桥频发。船员安全意识淡薄、船舶操纵技能欠缺、公司管理不善等因素是事故多发的重要原因。通航水域桥梁众多、旧桥建设标准低与船舶日益大型化、船舶数量增加也造成通航环境复杂多变。需要加快船舶碰撞桥梁隐患治理,普遍设置硬防护装置。
作者|唐驳虎 凤凰新闻客户端荣誉主笔
2月22日凌晨5点30分左右,一艘空载集装箱船撞上广州南沙区沥心沙大桥桥墩,导致大桥一段桥梁滑落,桥上4辆汽车、1辆电动摩托车坠落。
其中2辆小汽车落水,其他3辆(公交中巴、中型货车、电动摩托)随桥梁板落到船上船舱内。公交司机、电动摩托驾驶者以及2辆落水汽车上3人均不幸遇难。
唯有落入船上的中型货车上2人幸存,送医院救治,生命体征稳定。而肇事船只的前驾驶楼局部被垮塌桥梁砸塌,1名船员轻伤。事件传开,引发舆论哗然。
虽然近年来珠三角特别是广州南沙区“船撞桥”事件屡屡频发,上一次碰撞就在仅一个多月前,沙湾大桥被撞伤边缘挂梁,封闭边缘车道维修20天。
但是导致桥面垮塌、多人遇难的重大事故,还要追溯到2007年的佛山南海区九江大桥被撞案(8人遇难),时光飞逝,这已经是17年前的往事了。
这件事所涉及的知识面太广,众声喧哗之下哪有真相。所以,还是在这里披露和量化解析“船撞桥”的全部前因后果吧。
大桥基本情况
沥心沙大桥横跨珠江八大出海口之一的洪奇沥水道,连接万顷沙镇较大的万 顷沙岛和西南侧较小的沥心沙岛。沥心沙又名三民岛,因岛上三村民建村、民兴村、民立村而得名。
这里是珠江口近百年来刚刚沉积而出的滩涂,经过围垦成岛。这里土质松软,土层深厚,土壤有机物丰富,适合农作物生长。 岛上居民8000余人,大多从事种植业。
沥心沙四面环水,在大桥建成前居民进出只能依靠轮渡,至今大桥也是居民出岛的唯一交通纽带。洪奇沥水道宽约370米,当时航道等级为四级,设计通过500-1000吨级货轮。
因此要留出足够高的通航高度,岸上两侧要建有引桥,逐步抬升高度、降低坡度 ,因此桥梁全长为787米,跨水道部分长370米。桥面宽度9.8米,双向两车道。
沥心沙大桥1992年开工建设,1994年4月29日建成通车。体现了90年代初的设计水平和特点,主桥主跨采用55米+85米+55米三跨悬臂梁设计,85米的主跨下方为主通航孔,两侧55米次跨的下方为次通航孔。
其中两个主墩支撑延展出去的主梁“悬臂”使用了左右各延展30米的T形预应力混凝土粱,带挂孔结构设计,对接的是25米跨度的预应力混凝土简支T梁——注意,其中之一就是这次滑落的梁段。
因此主跨的85米实际上是由30+25+30的三组梁段组成的,次跨的55米是由30+25的两组梁段组成的。
再往外的桥梁段,使用的则是跨径30米预应力(水上)和16米普通(陆上)的钢筋混凝土简支T梁。
在下部结构方面,沥心沙大桥使用桩柱式桥墩,主桥墩(17、18号桥墩、主通航孔左右桥墩)的横截面尺寸为7.2米×5.6米。但边墩(包括16、19号桥墩,左右副通航孔桥墩)的柱状桥墩直径就只有1.8米。
近年来,该大桥曾经分别在2008-2009年、2019-2020年进行过维修加固和验收,以确保桥梁的稳固性和耐久性。而桥墩编号的顺序是从左岸到右岸,也就是从东向西,从万顷沙一侧到沥心沙一侧。
这里的左右是指顺着水流往下游看,对于南流的珠江来说,左岸就是东岸,右岸就是西岸。北半球河流的侵蚀作用一般主要发生在河流的右岸。
这是因为北半球受到向右的地转偏向力影响,导致河流中的水流向右偏转,因此右岸受到的水流冲刷作用更为严重。而左岸由于水流速度较慢,泥沙容易沉积,相对平缓。
因此船只行驶也遵循靠右的原则,所以整体航道靠右岸沥心沙一侧。南下使用右侧的副通航孔,北上使用主通航孔。左侧的副通航孔备而不用。这就是行船法则。
船舶基本信息
该集装箱船为“良辉688”,挂靠在佛山良辉船务服务有限公司。船长60米,宽18米,吃水最低1.5米,平均4.3米,最高7.9米,2016年4月建成。
该轮主要业务是在珠江内河港口与南沙等远洋海港之间接驳转运集装箱。2月22日凌晨,正空载从佛山南海开往广州南沙途中,为南下行驶。
这里又要说到一个AIS系统,即船舶自动识别系统(Automatic Identification System), 船只统一配备的这个系统,全天通过12.5瓦的电台自动广播数字电文。
AIS设备自动播报的是本船的基本信息和行驶状态等相关信息,低速行驶时每10秒一次。这样让所有船舶掌握附近水域的船舶情况,为船员在规划航线、维护安全提供保障。
把船舶广播的AIS收录起来,就构成了船讯网络。查询“良辉688”号2月22日5时29分53秒最后一次发送了AIS,航速为4.6节(海里/小时),航向170度(接近正南),即将穿过沥心沙大桥。
由于“良辉688”的前驾驶楼特别是天线被垮塌桥梁砸塌,因此广播中断。由此可以确认,碰撞及桥梁滑塌时间就是5时29分53秒再过几秒,基本上就是凌晨5点30分整。
这里就可以计算“良辉688”碰撞大桥桥墩的动能了,这是初二物理的内容,K = ½ mv²。½和具体量纲可以先省略,我们来比较一下大船碰撞与大货碰撞的能量大小。
关键是先确认大船的重量和速度。“良辉688”平面尺度是长60米,宽18米,等效长方形面积为1080平方米。由于船型非常方正,因此实际截面积可算作1000平方米。
AIS还播报了一个重要信息,当时“良辉688”的吃水深度是2.6米。所以立刻可知排水量2600立方米,当时轮船吨位为2600吨。(该船吃水最低1.5米、平均4.3米、最高7.9米,满载排水量接近8000吨)
速度为每小时4.6海里,折合8.5公里。因此质量×速度的平方 = 2600×72.25 = 187850。而重卡的合法限重是49吨,按跑到时速62公里计算,就是 49×3844 = 188356。
拼动能,汽车靠速度的平方,轮船靠巨大的吨位。因此“良辉688”碰撞大桥桥墩时的动能相当于一辆时速62公里的重卡。这时很多人就要问了:时速62公里的重卡失事也不是没有过,为何这次桥就垮了?
其实还是简支挂孔梁由于桥墩被撞移位导致掉梁——对很多人来说,这里的汉字都认识,就是读不懂。所以要解释一下。
大桥垮塌原因
大桥大桥,竖的是墩,横的是梁。梁上面才是公众认知的桥面结构。桥梁不是想象中的那种刚性整体,而是一段一段的“梁”连接起来的,连续梁和简支梁是两种常见的梁结构形式。
连续梁具有三个或更多个支撑点,除了两端外,在中间还有支座连接。多个支承处共同承担荷载,可适应复杂的受力状况,主要用在大跨径桥梁建设中。
简支梁,全名就是简单支撑梁,只在梁两端有支撑。简支梁设计施工相对简单,经济合理,适用于中小跨度的梁式桥以及一般的土木工程结构中。
但是简支梁一旦有一端失去支撑,立刻就会两端先后垮塌滑落。而连续梁失去一个支撑,剩下的其他支撑和梁结构本身仍可以保持整体结构不垮。
这就是简支梁的一大弱点,也可以说简支梁就不是为了应对支柱被撞击所设计的。但即使是很长的大桥,除了中间的主跨用连续钢结构,两侧的多跨几乎都是简支梁结构。成本约束在那里摆着。
另外由于热胀冷缩的受力特性,如果把桥面与桥墩完全固定死,不允许一点点的相对位移,那是不行的。简支梁一般是一端固定约束,另一端铰接约束,或者两头都为铰接约束。
这不是硬性连接,桥梁实际上是“搭”在桥墩上的。从力学上来说,这与老式的木制积木没有区别,因为它不是有卡扣固定的乐高积木。
简支挂孔梁,意思就是一端是简支梁,另一端是搭配悬臂梁(主梁)挂钩的挂孔梁。这样的结构本身主要承载垂直压力,本来就扛不住猛烈的水平冲击。
问题是船不讲武德,它撞到了细腿的柱撑。实际上不是船撞断了桥,而是船撞歪了“桥腿”。这是其一。
其二,重卡以时速62公里撞上立柱也是很强大的。实际上,小汽车以62公里的碰撞时速撞墙也已经可怕了。问题49吨的重卡重量是1.8吨的小汽车的27倍,破坏力超出普通人想象,足以造成严重后果。
但要把直径1.8米的柱子撞歪,甚至撞歪几米,还需要恰巧的受力碰撞点。 不幸的是,这次事故就满足了这一点。由于“良辉688”是空载,吃水浅干舷高,船艏外檐也就是碰撞点高出水面7米左右。
以往珠三角的几次船撞桥事故,一般轮船都是满载状态。吃水很深,干舷很低,与桥墩的碰撞点也很低。即使把一根桥墩柱子在根部切掉,也因为撞击点低,非常万幸地没有把桥墩撞歪乃至撞倒。
上图是2021年7月13日清晨6点5分,“新谷 333”集装箱轮撞裂南沙-番禺北斗大桥桥墩,当时船重约3000吨,航速4.6节。北斗大桥紧急封闭停用,抢修了半年。
下图是2017年1月8日傍晚18点30分,“惠丰年 298”船碎石船撞断洪奇沥一桥(沥心沙大桥上游7公里)桥墩,当时船重约4100吨,航速5.7节。洪奇沥大桥抢修了8个月。
但这次空载的2600吨“良辉688”直接撞到了沥心沙大桥19号桥墩柱近40%高的位置,巨大动能没有切断钢筋,而是直接把桥墩柱上端推歪了4米!而桥墩上部承台,撑托容纳每段梁的纵深只有70厘米。
这一下19号桥墩被猛地推开,25米长的混凝土简支T梁一端立刻失去支撑垮塌,另一端也是只是简单“挂”在主梁悬臂的一个小小端头上,随后也一并滑落,主体砸到肇事的“良辉688”船舱里。
生死时刻,扼腕叹息
简单来说,桥梁不是被撞断的,而是立柱被撞歪后桥梁失去支撑掉下来了。简支梁桥就是这个样子,这是物理学的必然。学名不叫垮塌,叫掉梁。
但是,这里还有一个非常非常遗憾的生命之痛:以这条乡村之路凌晨5点半的车流量,不可能在短短25米的桥段上就有4辆汽车、1辆电动摩托,此时正处梁上,恰巧一起坠落。
所以,梁师傅的头班城市公交(失联时间5点31分,比撞击时间晚1分钟)、随后掉落在公交车之上的中型货车、其他2辆落水小货车和电动摩托,都是在之后的正常行驶时突然遭遇了猝不及防的断崖。
也就是说,5位逝者原本都还有生的希望。只是这条黑漆漆的县道太令人意外了。而且连锁事故的结束,恐怕也是有机警的行驶者得以幸运悬崖勒马之后,才能够发出警报的……不得不扼腕、叹息……
至于已经安装的防护工程,只能说工程量太小了,没起到作用。 按公布的防护方案,设计采用了一种由钢面板、波折钢板、复合芯材垫块组成的吸能缓冲装置,厚度0.6-1米,尺寸为2.5米×3~4米。
以此吸收并缓冲撞击能量,保护桥墩安全。但是防护的重点完全放在主通航孔17、18号主桥墩上:桥墩底部承台安装护舷包围,桥墩侧面再放置4块1米厚护板,加起来高5米。
被撞的副通航孔16、19号桥墩除了底部承台小护舷包围外,只有正面一块高4米、厚0.55米的防护,低于这次船只干舷撞击高度——6.5米,因此没有起到防护作用。
而且以吸能的思路,即使这次被撞击的点位安装了吸能板,恐怕也很难完全避免墩柱被撞歪、支撑面只有70厘米的简支梁掉落的可怕局面。
而且要知道货船乱开出事时,可不止只会乖乖地冲着主通航孔、副通航孔来。所有水中的桥墩都可能是受威胁对象。
所以说,还是在距离大桥一定距离,都安装上硬防护桩才是简单正道!
船只肇事原因
再来分析还原“良辉688”船肇事的原因, 初步调查显示,“良辉688”轮在即将抵达沥心沙大桥时,船员没有关注轮船航向,导致航线过度向左侧偏离。
临近大桥时船员才向右急打转弯操作,但为时已晚。 在左舷船身触碰大桥18号桥墩水线防护后,随后船头撞击下行通航孔19号桥墩,导致桥墩歪斜,并致使墩上的25米简支梁滑落。
用AIS记录来看就更直观:从最后一次AIS播报往前倒推90秒,5时28分23秒。“良辉688”轮在上游距离大桥200米处, 已经划出了一个弧形,对这种慢吞吞、比人步行快不了多少的驳轮来说堪称急弯。
再倒推三分钟180秒,5时25分23秒,这时“良辉688”轮在上游距离大桥约600米处,从航迹图上看,船只已经严重偏航,几乎都快贴到左岸去了。 这只能说明一件事——掌舵的值班水手之前困得都快睡着了。
像2021年的“新谷333”集装箱轮就是这样,操船一通宵、前两天也没怎么睡的的年轻二副犯困打盹,船自己开到了对向侧(左岸),撞上了引桥。
根据内河船舶的航行方法,一般都要顺航道靠右行驶,航行至距离大桥约500米水域时,对准右侧己方航行孔,穿通大桥。
根据内河航运规则,大桥的通航孔在上游一侧都设有桥涵标志和夜间灯光。通航孔顶部(桥梁)显示1盏红色灯光,两侧桥墩各显示3盏绿色灯光。
事故发生时天气能见度良好,水域通航环境良好。桥涵灯光清晰可见,事后依然闪亮(挂在主梁悬臂一侧上) 。这都说明船员没有集中注意力关注航行安全。
在临近大桥只有600米时几乎都开到了左岸,这已经不只是开到对向,是完全开出了航道。如果不改航向,不是撞岸就是撞垮左侧引桥。这时才着急忙慌地调整航向。
从136°急转到171°,试图对准斜角35°、600米外、宽度只有50米的次通航孔,并且要带角度斜穿。对于船舶这种笨拙的惯性物体,最终失败。 以刁钻的斜角度、少有的高干舷撞倒了次通航孔桥墩。
现在复盘,如果当时能够AIS确认对向无船,把航向对准78米宽的主通航孔可能还好些,可以摆得顺直,通过也更有把握,而且主通航孔有防护也更结实,即使撞上也无大碍。可惜,晚了!
仅仅一个半月前的1月8日,“良辉 688”刚刚因为违反《海上交通安全法》(船舶进出港口、锚地、海峡、船舶密集等区域时未加强瞭望),被海事部门罚款人民币三万元整。
▎ 撞击后次通航孔的红绿指示灯依然亮着,从万顷沙向沥心沙供水的管道被撞断。
这也说明该船船长和水手,不遵守正规航法,存在超劳超时工作隐患,在被处罚后仍不矫正,最终在凌晨5点半,有了手忙脚乱的四分半钟270秒,最终未能挽回,酿成大祸。
尽管已经导致无辜遇难5人,但不幸中的万幸,还好事故发生在凌晨5点半,否则后果不堪设想。再晚一些就是小孩上学时间了。这路公交车首班车开往三民岛,也是为了去接学生上学的。
航道也需引发关注
说完了船,最后还得回头讲一点桥。沥心沙大桥修建已经是32年前的事,南沙还没从番禺分出来。更关键的,那时的洪奇沥水道航道等级只有四级,设计是通过载重吨(DWT)500吨级货轮。
单线直线航道宽度30-45米即可达标。沥心沙大桥就是按这个标准设计的,并留有余量。2006年,《全国内河航道与港口布局规划(~2020)》把洪奇沥水道纳入珠三角“三纵三横三线”三级航道网。
随后洪奇沥水道整治航道,从四级航道升级为三级航道,标准是可通行载重1000吨级以上船只。单线直线航道宽度需要达到30-55米。
2020年12月《广东省航道发展规划(~2035年)》把洪奇沥水道的发展规划技术等级定为一级,随之而来的就是沥心沙大桥的防撞能力加固提升工程。
但是,航道等级的提升不只是水深、曲线半径的提升,通行载重3000吨级船最低只需要水深3.5-4米,曲线半径670-1200米,这些洪奇沥等珠江水道早就达标,像水深可达13米。
▎ 宽度18米的船只通过沥心沙大桥主副通航孔示意图
真正制约的是通行限界尺寸。真正的一级航道要求单线直线航道宽度70-125米。这大幅超出了沥心沙大桥的通航孔宽,尤其是南下的次通航孔(51米)。
但事实上,载运3000吨级、宽18米的船只早就频繁往来珠江各条水道了。航道升级被认为是广东发展的必行之路。 “亟需充分发挥水运占地少、运能大、污染小等优势,增强全省社会经济可持续发展的后劲”。
珠江三角洲河网密集,水运繁忙,桥梁也数不胜数。近年来,珠江几条水道船撞桥愈加频发。尤其是珠江口入海水道密集的南沙区。连接南沙与番禺的北斗大桥、西樵大桥、沙湾大桥接连被撞,堪称邪门。
船员安全意识淡薄、船舶操纵技能欠缺、公司管理不善等因素,是导致船舶碰撞桥梁事故多发的重要原因。通航水域桥梁众多、旧桥建设标准低与船舶日益大型化、船舶数量增加也造成通航环境复杂多变。
近年的实践已经说明,面对疲劳驾驶、困倦懈怠、操作失误等不可控的人为因素,主墩、边跨、引桥,凡是架在水上的桥墩都有可能受到威胁,进而制造悲剧事故,威胁民众生命安全。
面对众多不可能全部拆除重建的老桥,需要加快船舶碰撞桥梁隐患治理,无论通行孔还是非通行墩,都需要普遍设置硬防护装置。
从距离桥墩几百米开始,从软引导设施开始,过渡到硬防护桩。尽管需要一笔建设费用,但不这样做,珠江航道水道上数不胜数的桥梁还会遭遇巨大的威胁。
哪怕不计算重大事故的生命风险,桥梁被船只事故撞一下,维修工费、封闭停运的社会效益损失就远远大于这一点工程费用。
沥心沙大桥事故,无疑是一次悲剧,也是对水运发展与桥梁结构安全的一次警示。迫使我们深入反思现有的设施标准是否足以应对日益复杂的交通环境。
因此,我们必须以此为契机,强化桥梁防护设施的安全性,实现航行安全与桥梁安全的深度融合和高效联动,从而避免类似悲剧再次上演,确保民众生命安全和社会和谐稳定。
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