沈自力

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

橋梁防船撞措施研究進(jìn)展綜述

沈自力

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要近年來(lái)出現(xiàn)了一些光電預(yù)警主動(dòng)防撞系統(tǒng)，以及復(fù)合材料的新型防撞裝置。文中根據(jù)橋梁防撞裝置的最新研究進(jìn)展，介紹了主動(dòng)防船撞系統(tǒng)的研究概況，重點(diǎn)對(duì)被動(dòng)防撞裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的分類和評(píng)述，分析了不同類型防撞裝置的性能特點(diǎn)以及適用環(huán)境，提出了不同通航等級(jí)下，如何選擇橋梁防撞裝置的一些思路。

關(guān)鍵詞橋梁船舶防撞裝置

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展以及跨海、跨江大橋越來(lái)越多，橋區(qū)通航船舶噸位和通航密度也不斷上升，受船舶撞擊而誘發(fā)的橋梁垮塌事故正在日益增多，因此開(kāi)展橋梁防撞設(shè)施的研究，加強(qiáng)橋梁的防撞保護(hù)具有重要的意義。根據(jù)1847～1975年間世界各地的143例橋梁垮塌事故原因的統(tǒng)計(jì)，由于船舶撞擊導(dǎo)致的各大類型橋梁垮塌事故占據(jù)了垮塌總數(shù)的第三位。在國(guó)內(nèi)橋梁船舶撞擊事故也是時(shí)有發(fā)生，比如，廣東九江大橋“6·15”事件。碰撞事故不僅降低橋梁的使用壽命、安全性、抗震能力,甚至?xí)斐蓸驓送龅闹卮髴K劇。鑒于船橋碰撞問(wèn)題的嚴(yán)重性，目前世界各國(guó)和地區(qū)已針對(duì)該課題進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)有的船橋碰撞問(wèn)題研究方法主要有經(jīng)典的Minorsky方法、漢斯-德魯徹理論、沃辛理論、各種簡(jiǎn)化解析方法、簡(jiǎn)化內(nèi)部機(jī)理的數(shù)值解法、實(shí)驗(yàn)方法和有限元法。除了對(duì)船橋碰撞機(jī)理的研究，針對(duì)船橋碰撞這種特殊情況的研究也體現(xiàn)在橋梁防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)研究上,其主要根據(jù)橋墩的自身抵抗能力、橋墩的外形、水流的速度、通航船舶類型等多方面因素綜合考慮。橋梁防撞裝置的分類方法有很多種[1]，本文從主動(dòng)防撞、被動(dòng)防撞的角度對(duì)橋梁防撞設(shè)施進(jìn)行分類，并介紹了幾種國(guó)內(nèi)常用的主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞設(shè)施，分析其性能特點(diǎn)和適用條件，以期對(duì)如何選擇合適的橋梁防撞裝置提出一些思路和建議。

1光電預(yù)警系統(tǒng)橋梁主動(dòng)防船撞系統(tǒng)

在早期，對(duì)橋梁的防撞都是著眼于如何降低船撞的威脅或者是減小船橋相撞對(duì)橋墩和船舶的損害，是屬于被動(dòng)防撞范疇，其設(shè)計(jì)理念是通過(guò)對(duì)橋墩自身的加強(qiáng)或防護(hù)設(shè)施來(lái)降低船舶撞擊的威脅和損害。通過(guò)對(duì)歷年船撞橋事故的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致船撞橋事故主要有3方面因素[2]：①人為因素導(dǎo)致的事故率為64%；②機(jī)械故障導(dǎo)致的事故率為21%；③自然環(huán)境因素導(dǎo)致的事故率為15%。人為因素是導(dǎo)致船橋相撞的罪魁禍?zhǔn)?，而橋梁主?dòng)防撞系統(tǒng)可以很好地降低人為因素所導(dǎo)致的船橋相撞事故率。因此，有必要對(duì)船舶的航行管理和航行軌跡進(jìn)行干預(yù)，減小船舶撞擊橋梁的概率，避免惡性船撞橋事故發(fā)生，這就是橋梁主動(dòng)防撞概念。隨著特大橋梁的建設(shè)以及國(guó)家對(duì)橋梁防撞的重視，光電預(yù)警系統(tǒng)的橋梁主動(dòng)防撞研究得到了迅猛發(fā)展。

徐言明等[3]利用船舶操縱理論和與船間水動(dòng)力干擾相關(guān)理論建立了船間臨界失控水動(dòng)力干擾模型，并據(jù)此建立了橋墩主動(dòng)防撞系統(tǒng)，將橋墩由被動(dòng)結(jié)構(gòu)防船撞轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)非結(jié)構(gòu)防船撞。張慧哲等[4]在2011年提出了基于視頻監(jiān)控技術(shù)的橋梁防撞系統(tǒng)，通過(guò)攝像機(jī)的遞次架設(shè)及視頻分析技術(shù)對(duì)目標(biāo)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控。王淑等[5]提出了航道橋梁主動(dòng)防船撞預(yù)警系統(tǒng)，利用光電復(fù)合獲得航道船舶信息后，利用基于EMD的時(shí)序分析和ARMA時(shí)序建模技術(shù)建立實(shí)時(shí)修正的船舶航跡數(shù)學(xué)模型。云霄等[6]提出了紅外/可見(jiàn)光圖像序列開(kāi)展自適應(yīng)融合船舶跟蹤算法，克服了基于單傳感器主動(dòng)監(jiān)視受限于氣候等觀測(cè)條件的局限性，得到了較好的跟蹤結(jié)果。之后，力拓橋科利用成像系統(tǒng)采集的圖像技術(shù)自動(dòng)地提取和識(shí)別相應(yīng)目標(biāo)，它模擬人眼和大腦對(duì)景物環(huán)境進(jìn)行感知、解釋和理解[7]，開(kāi)發(fā)了橋梁光電式預(yù)警系統(tǒng)主動(dòng)防撞裝置。該方法突破了橋梁防撞在船舶和土木、橋梁工程方面的局限性，充分利用了光電探測(cè)和信息融合領(lǐng)域的全新技術(shù)手段，以圖像處理的方式進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，完成了從發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視到報(bào)警的三級(jí)立體監(jiān)控預(yù)警體系，具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。因此對(duì)于比較重要、通航量非常大的橋梁有必要安裝光電式預(yù)警系統(tǒng)防撞裝置，以大量減少橋船碰撞事故的發(fā)生。

2橋梁被動(dòng)防船撞設(shè)施

由于主動(dòng)防船撞裝置無(wú)法完全避免船舶撞擊的發(fā)生，故被動(dòng)防撞系統(tǒng)在橋梁防撞領(lǐng)域有著不可替代的作用。被動(dòng)防撞裝置有護(hù)舷方式，繩索方式，木結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)，新材料，重力式，樁方式，沉箱式，人工島方式等，目前在國(guó)內(nèi)使用得較多的防撞裝置有護(hù)舷方式、防撞套箱和群樁式。以下重點(diǎn)對(duì)這3種方式進(jìn)行介紹和分析。

2.1　防撞護(hù)舷

橡膠護(hù)舷是使用得比較多的一種護(hù)舷防撞方式，目前世界各國(guó)采用的橡膠護(hù)舷主要有：壓縮型、充氣型、剪切型、轉(zhuǎn)動(dòng)型及水壓型5大類。我國(guó)各港口采用的護(hù)舷大部分為壓縮型和橡膠浮筒。但橡膠護(hù)舷存在著高溫易老化的缺點(diǎn)，在安裝上也存在諸多不便，如果采用預(yù)安裝，容易造成安裝不精準(zhǔn)，如果在橋墩完成之后進(jìn)行打孔安裝，則容易損傷橋墩墩體。隨著新型材料的開(kāi)發(fā)，力拓橋科開(kāi)發(fā)出了纖維復(fù)合材料(KFR)護(hù)舷，通過(guò)“自適應(yīng)”曲面的施工工藝，避免預(yù)埋件帶來(lái)的安裝不便以及橡膠容易高溫老化的問(wèn)題。

防撞護(hù)舷的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修費(fèi)用低，作為直接抵御船舶撞擊的防撞設(shè)施，在受到小噸位船舶撞擊時(shí)防護(hù)效果不錯(cuò)。但對(duì)于大噸位船舶的撞擊卻無(wú)法滿足吸能要求，如鼓型H800護(hù)舷，所能承受的最大撞擊力為460 kN，如果撞擊船舶噸位為1 000 t，撞擊速度為1.85 m/s，所產(chǎn)生的撞擊力可以達(dá)到7 MN左右，橡膠護(hù)舷不能抵御這種噸位船舶的撞擊。此外，當(dāng)水位落差比較大的情況下，橋墩上需要安裝的護(hù)舷就比較多，費(fèi)用較高。

2.2　消能防撞套箱

消能防撞套箱是目前國(guó)內(nèi)使用的最多的一種橋梁防撞裝置，主要依靠套箱的塑性和彈性變形來(lái)吸收船舶撞擊能量，因?yàn)樘紫渚哂幸欢ǖ膭偠?，從而延長(zhǎng)了撞擊時(shí)間，減小了傳遞到橋墩上的撞擊力。從結(jié)構(gòu)形式上，可以分為固定式消能防撞套箱和浮式消能防撞套箱。固定式消能防撞套箱適用于橋區(qū)水位變化不大的橋梁，浮式消能防撞套箱則適用于橋區(qū)水位變化幅度較大的情況。從材料組成上，可以分為鋼套箱、KFR復(fù)合材料防撞套箱和LTPU復(fù)合材料防撞套箱。下面將從材料組成上對(duì)以上3類套箱進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.2.1鋼套箱

普通鋼套箱主要由加筋板、舾裝件和阻尼元件組成，普通鋼套箱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)和安裝便利、撞擊后易于修復(fù)，適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理優(yōu)化鋼套箱結(jié)構(gòu)，選擇最佳的板厚和尺寸以及吸能阻尼元件設(shè)計(jì)，可以很好地吸收船舶撞擊動(dòng)能、延緩撞擊時(shí)間，減小使橋墩受到的撞擊力，極大地提高鋼套箱的吸能效果和防護(hù)性能[8]。

2.2.2纖維復(fù)合材料消能防撞套箱

由于單純鋼材單位材料吸能率較低,隨著復(fù)合材料在橋梁防撞工程的應(yīng)用推廣，力拓橋科開(kāi)發(fā)了高分子緩沖吸能材料和KFR復(fù)合材料組成的自浮式復(fù)合材料消能防撞套箱。該新型復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、易于加工和成型的特點(diǎn)。其吸能效果可以達(dá)到60%～80%，最大程度地減小船舶對(duì)橋墩的撞擊力并保護(hù)船舶。與玻璃鋼相比，在相同的防護(hù)情況下，用KFR復(fù)合材料時(shí)重量可以減少一半，并且KFR復(fù)合材料層壓薄板的韌性是鋼的3倍，經(jīng)得起反復(fù)撞擊。但由于KFR復(fù)合材料防撞套箱的整體剛度較小，在受到較大的船舶撞擊力時(shí)自身破壞嚴(yán)重，使后期維護(hù)成本較高，因此一般用于撞擊船舶載重噸在500 t以下橋墩防撞。

2.2.3LTPU復(fù)合材料消能防撞套箱

為了解決鋼結(jié)構(gòu)單位吸能率低和KFR材料剛度低的問(wèn)題，力拓橋科研發(fā)LTPU復(fù)合材料效能防撞裝置。該結(jié)構(gòu)是把吸能彈性體心注入2層鋼板之間并與鋼板內(nèi)表層粘接而成的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。由于LTPU復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、減振、抗銹蝕能力強(qiáng)、抗沖擊性、抗破損性和局部抗彎曲能力優(yōu)異等特點(diǎn)[9]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶和海洋平臺(tái)耐撞性結(jié)構(gòu)上，在各船級(jí)社(如CCS，LR，ABS，DNV等)均有相關(guān)規(guī)定和審批認(rèn)證。

LTPU復(fù)合材料夾層系統(tǒng)和傳統(tǒng)的單一使用鋼板制作的防撞套箱相比，夾層板套箱由于其更輕質(zhì)、更耐撞擊而具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以大量預(yù)制，不需要太多的桁架支撐，從而大大減少焊接工作量，極大程度增強(qiáng)了抗疲勞性能。并且由于更大的彎曲剛度，減少了板的局部彈性屈曲。夾層板類似于傳統(tǒng)的正交異性板方法，但是大大減少了中間的加勁肋；而聚氨酯核心為鋼板提供了連續(xù)支撐，從而起到了和加勁肋相同的作用[10]。聚氨酯彈性體夾層在受到碰撞沖擊載荷時(shí)能充分緩沖，吸收能量，提高了防撞設(shè)施的耐撞性和吸能效果，能抵抗較大噸位通航船舶的撞擊，而且結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)安裝和維護(hù)，雖然相較于其他的防撞裝置初始造價(jià)較高，但是后續(xù)的維修簡(jiǎn)單，而且能抵御大噸位船舶的撞擊，甚至是上萬(wàn)噸的船舶撞擊，適合跨海大橋的防撞設(shè)計(jì)。見(jiàn)圖1。此外，針對(duì)變截面的橋墩形式，武漢力拓橋科開(kāi)發(fā)出了一種自適應(yīng)機(jī)構(gòu)浮式消能防撞套箱，并應(yīng)用于貴廣鐵路思賢窖特大橋和北江特大橋的雙向變截面橋墩。內(nèi)置的自適應(yīng)伸縮機(jī)構(gòu)使防撞裝置能夠滿足水位變化上下浮動(dòng)時(shí)橋墩的截面變化，見(jiàn)圖2。

a)　普通加筋板

b)　LTPU復(fù)合材料夾層系統(tǒng)

圖2　自適應(yīng)機(jī)構(gòu)浮式防撞裝置

2.3　樁式防撞裝置

對(duì)于部分舊橋，特別是薄壁式橋墩，其水平抗力設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于船撞力，必須采用間接防撞結(jié)構(gòu)將船撞危險(xiǎn)抵御在橋墩之外。因此，以前一般是通過(guò)在距離橋墩一定距離的地方設(shè)置幾個(gè)混凝土墩來(lái)抵御船撞風(fēng)險(xiǎn)，但是此類防撞墩不能有效抵御船舶的側(cè)撞，而且對(duì)船的損害極大甚至沉船，如果船只裝的是油料或者其他有害化學(xué)品，將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的環(huán)保事故[11]。針對(duì)此類情況，可以采用柔性群樁式防撞裝置,見(jiàn)圖3。該結(jié)構(gòu)不僅可以極大降低橋墩受撞擊的風(fēng)險(xiǎn)，還能極大程度地保護(hù)受撞擊船舶。而且對(duì)于上部結(jié)構(gòu)容易遭受船舶撞擊的拱橋，具有極佳的防護(hù)作用。防撞裝置在受到船舶撞擊的整個(gè)過(guò)程中不會(huì)接觸到橋墩，可以保護(hù)橋墩不受任何損傷，特別適合于橋墩設(shè)計(jì)撞擊力較低的舊橋加固工程。由于防撞裝置本身具有很好的柔性，對(duì)撞擊船舶也可以提供很好的保護(hù)，適用于所有類型橋墩和防撞船舶噸級(jí)，特別是橋墩自身水平抗力較小的橋梁；但是群樁式防撞裝置的缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴且施工難度較大,而且對(duì)通航凈空影響較大。

圖3　群樁式防撞裝置

3結(jié)語(yǔ)

防撞裝置的選擇要兼顧橋梁、水運(yùn)、航道幾方面的利益，對(duì)應(yīng)不同航道等級(jí)，通航船舶噸位也不一樣，通航船舶噸位是選擇防撞裝置的一個(gè)重要參考因素。近年來(lái)出現(xiàn)了光電預(yù)警主動(dòng)防撞系統(tǒng)以及多種復(fù)合材料防撞裝置，本文從通航船舶噸位和橋墩防撞需求出發(fā)，通過(guò)對(duì)上述幾種國(guó)內(nèi)主要的防撞裝置性能特點(diǎn)的分析，提出以下建議。

對(duì)于通航等級(jí)較低的航道，考慮成本問(wèn)題可以采用KFR復(fù)合材料防撞裝置。而對(duì)于重要的特大橋梁，由于撞擊船舶噸位較大，為了能夠吸收船舶動(dòng)能建議采用LTPU復(fù)合材料夾層系統(tǒng)防撞裝置。而且可以考慮采用光電預(yù)警系統(tǒng)主動(dòng)防撞措施，避免人為失誤造成的撞擊，進(jìn)一步保護(hù)被動(dòng)防撞設(shè)施和橋梁。對(duì)于橋墩自身抗撞能力非常弱的橋梁，如舊橋或薄壁墩，即使防撞設(shè)施吸能80%以上仍無(wú)法滿足抗撞要求，需要考慮間接構(gòu)造的防撞裝置(如柔性群樁)。對(duì)于異型橋墩可以采用自適應(yīng)伸縮機(jī)構(gòu)防撞裝置，滿足水位變化上下浮動(dòng)引起的橋墩變截面變化的問(wèn)題。

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Review on Research Progress of Anti-collision Equipment for Bridge Protection

ShengZili

(School of Science,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract：In recently, actively photoelectric early-warning system and composite material have been developed for bridge piers against ship collision. The present paper introduced the reseach work according to the latest reseach progress of anti-collision equipment. The paper mainly classified and reviewed for passive anti-collision equipment , analyzed the performance characteristics and application conditions of different types of anti-collision equipment, and put forward some ideas for how to chose the anti-collision equipments according to the level of waterway.

Key words:bridge; ship; anti-collision equipment

收稿日期：2015-03-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.024