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(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

橋梁防船撞設(shè)施對(duì)比分析綜述

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(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

本文介紹了國內(nèi)外近幾十年常采用的防止船舶撞擊航道上的橋梁墩柱的幾種防撞設(shè)施，通過在沖擊動(dòng)力學(xué)、材料特性、耗散能量和經(jīng)濟(jì)環(huán)保幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，并提出更為可靠、更為經(jīng)濟(jì)的防撞方案。

航道；橋梁；船撞；設(shè)施

一、前言

橋梁為跨越人工或者自然障礙而修建的建筑物。伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸也發(fā)展迅猛，跨越江河之上的橋梁也如同雨后春筍般修建起來。水運(yùn)較陸運(yùn)和空運(yùn)來說，運(yùn)費(fèi)相對(duì)較低，因而導(dǎo)致航道中的大型運(yùn)輸船舶較多。這就不得不面臨一個(gè)問題，這些在航道上修建的橋梁因?yàn)榈刭|(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)和人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展等一系列原因，很難做到水中無墩，即一跨越過航道，不侵占通航空間。船舶在航道中航行，由于復(fù)雜的水文條件、天氣、駕駛?cè)藛T的操作水準(zhǔn)以及狹小的通航空間等因素，很難保證船舶不會(huì)撞上橋梁的墩柱，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損害。在近幾十年中，國內(nèi)外發(fā)生了很多次船撞事故，船撞事故的發(fā)生造成了很大的人員傷亡和不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，更有甚者對(duì)環(huán)境造成了破壞。為了防止船撞事故的發(fā)生，國內(nèi)外工程師們采用了很多防止橋梁船撞的設(shè)施，常見的有鋼材、混凝土和柔性防撞設(shè)施。

二、沖擊動(dòng)力學(xué)

沖擊動(dòng)力學(xué)主要分析研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力波效應(yīng)和材料的應(yīng)變率效應(yīng)。根據(jù)爆炸沖擊應(yīng)力波理論，船舶撞擊防撞設(shè)施和橋梁墩柱的過程主要是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程。應(yīng)力波的傳播特性主要受結(jié)構(gòu)形式和材料動(dòng)態(tài)的本構(gòu)關(guān)系的影響。寧波大學(xué)王禮立教授通過對(duì)應(yīng)力波傳播特性的分析，演算出了船舶撞擊橋梁墩柱界面上的應(yīng)力以及指點(diǎn)速度公式[3]：

式中：v-船舶初始速度；(ρ0Cwe)s和(ρ0Cwe)b為船舶和橋梁結(jié)構(gòu)的廣義波阻抗，ρ0為材料密度，Cv為材料應(yīng)力波波速；ns-b為船舶的波阻抗與橋梁的波阻抗之比。

將上式推廣到有防撞設(shè)施的橋梁上，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降低防撞設(shè)施的密度或降低材料的波阻抗可以有效降低船舶撞擊橋梁結(jié)構(gòu)的撞擊力，對(duì)保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全起到積極的作用。

三、材料特性

防撞設(shè)施材料的密度減小的幅度有限，設(shè)施通過減小碰撞時(shí)的應(yīng)力波波速是可行的途徑。柔性防撞設(shè)施以FRP防撞浮箱為代表。FRP復(fù)合材料為各向異性的黏彈性材料，其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)應(yīng)變率的敏感性通常比金屬和混凝土更為敏感[4]。區(qū)別于彈性材料，F(xiàn)RP復(fù)合材料加載與卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線是不重合的，存在一定的應(yīng)力滯后，加載卸載形成的不閉合應(yīng)力應(yīng)變曲線則為滯回曲線，反應(yīng)了材料的黏性耗散性能。下表1列出了三種材料的材料特性。

表1 材料特性表

表中可以看出FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)材料的完全彈性階段的波阻抗分別為鋼材的十分之一和混凝土的二分之一。因此，就材料來說，選用FRP復(fù)合材料防撞浮箱比鋼材防撞設(shè)施和混凝土防撞設(shè)施有更好的防撞效果。與此同時(shí)，波阻抗與防撞結(jié)構(gòu)的柔性系數(shù)成負(fù)相關(guān)。因此，F(xiàn)RP防撞浮箱結(jié)構(gòu)具有更大的柔度，對(duì)比《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》橋梁結(jié)構(gòu)也可以獲得較小的防撞力，F(xiàn)RP防撞浮箱具有更好的耗能特性。

四、耗散能力

船舶碰撞橋梁過程，其本質(zhì)源于沖量和動(dòng)量定理，通過設(shè)置防撞設(shè)施，延長碰撞時(shí)間，使其碰撞力傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)上大大減少。碰撞過程主要涉及到能量的轉(zhuǎn)換，主要涉及到的能量為動(dòng)能、內(nèi)能、摩擦滑移能和沙漏能。能量交換過程又分為船舶與防撞設(shè)施的能量交換以及防撞設(shè)施與橋梁墩柱的能量交換。

如若不考慮水體的動(dòng)能，則系統(tǒng)的初始能量為船舶的動(dòng)能，在與防撞設(shè)施碰撞過程中對(duì)防撞設(shè)施做正功，船舶保留一部分動(dòng)能，同時(shí)自身產(chǎn)生內(nèi)能，這個(gè)內(nèi)能包括船舶的變形能與摩擦能，剩下的能量傳遞給防撞設(shè)施，使防撞設(shè)施具備動(dòng)能以及內(nèi)能，內(nèi)能同樣包括防撞設(shè)施的變形能和摩擦能。如同船舶撞擊浮箱一樣，防撞浮箱在保留一部分動(dòng)能的同時(shí)，將剩余動(dòng)能傳遞給橋墩。這部分橋墩獲得的能量為整個(gè)過程的有效功，系統(tǒng)的總能量與有效功的差值則為浮箱的耗能，數(shù)值上等于系統(tǒng)的摩擦滑移能與防撞設(shè)施總能量之和，理解為在防撞設(shè)施的作用下整個(gè)系統(tǒng)的防撞耗能。

船橋碰撞的過程是一個(gè)船舶與橋梁在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行能量交換和轉(zhuǎn)換的動(dòng)力學(xué)過程。而應(yīng)力波的船舶則是導(dǎo)致能量交換和轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)力。在應(yīng)力波的傳播過程中船舶與橋梁結(jié)構(gòu)并不是立即整體地進(jìn)行能量交換，而是各自在波陣面后方的那部分質(zhì)量參與了能量交換，應(yīng)力波尚未達(dá)到的部分仍保持原始狀態(tài)。隨著應(yīng)力波向更遠(yuǎn)的范圍傳播，涉及到的質(zhì)量也不斷增加。故應(yīng)力波波速越快，參與能量交換的質(zhì)量范圍也就越大。

五、經(jīng)濟(jì)環(huán)保

鋼材和混凝土等剛性防撞設(shè)施，當(dāng)船舶撞上時(shí)，很容易將其撞壞，也會(huì)使船舶受損較為嚴(yán)重。即便設(shè)置較大的抗力，隨之而來將是防撞設(shè)施體積和質(zhì)量的增大，使原本有限的航道空間變得更為狹小。同時(shí)，由于剛性材料彈性模量較大，變形后自恢復(fù)能力較差。在經(jīng)受第二次撞擊時(shí)，抗力大大減少。當(dāng)造成破壞時(shí)，會(huì)侵占航道，造成航運(yùn)堵塞，對(duì)環(huán)境不利，經(jīng)濟(jì)損失較大，不可循環(huán)使用；FRP防撞浮箱等一系列柔性防撞設(shè)施，可循環(huán)使用，不僅對(duì)環(huán)境影響較小，更能增加橋梁美感，并且在同等條件下，船舶受損較小，船身所受的破環(huán)性得到盡可能大的削弱，柔性防撞更為環(huán)保，更為經(jīng)濟(jì)。更符合和諧社會(huì)的發(fā)展需要。

六、結(jié)論

本文就鋼材、混凝土以及以FRP防撞浮箱為代表的柔性防撞設(shè)施在以上幾個(gè)方面做了對(duì)比分析。經(jīng)分析，柔性防撞設(shè)施，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，更為符合和諧社會(huì)的發(fā)展。符合“三不壞”的防撞設(shè)計(jì)理念。因此，柔性防撞設(shè)施應(yīng)作為橋梁船撞防撞設(shè)施的主流。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004

[2]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.TB10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[3]王禮立，陳國虞，楊黎明.船橋碰撞過程引發(fā)的沖擊動(dòng)力學(xué)論題[J].振動(dòng)與沖擊.2015，34(3)：14-22

[4]張錫祥，巫祖烈，楊忠，等.高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的研究與實(shí)踐[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào).2011，30(2)：1224-1232