陸明龍

摘要：船舶與通航橋梁的碰撞事故在世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，有可能造成巨大的人員傷亡和嚴(yán)重的環(huán)境污染。為橋墩設(shè)置一種物理保護(hù)系統(tǒng)是減輕事故破壞的可行性方案。針對(duì)船撞橋的問(wèn)題，簡(jiǎn)述了橋墩防撞的目的和意義，總結(jié)了橋墩防撞設(shè)施的分類，并探討了新型的防撞裝置。

關(guān)鍵詞：橋墩；船只；碰撞；防撞設(shè)施；新型防撞裝置

1前言

跨越沿?；騼?nèi)河繁忙航道的橋梁結(jié)構(gòu)，由于氣候、駕駛員操作失誤、機(jī)械故障等不利因素，容易被船舶碰撞。在被船舶碰撞的情況下，橋梁受到巨大的能量，難免會(huì)損壞甚至倒塌。根據(jù)美國(guó)國(guó)有公路運(yùn)輸管理員協(xié)會(huì)（AASHTO）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在1960年至2002年間，全球共有31座主要橋梁因船只的碰撞而倒塌，造成342人死亡。橋梁由于船舶碰撞造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失則更加嚴(yán)重了。

我國(guó)最早建成的長(zhǎng)江大橋武漢大橋，據(jù)統(tǒng)計(jì)，武漢大橋自建成到2000年，共被船只碰撞70余次，其中橋墩受撞的次數(shù)高達(dá)67次。武漢大橋由于被橋梁碰撞留下的風(fēng)險(xiǎn)是十分巨大的。2007年，廣東九江大橋橋墩因受船只碰撞，倒塌長(zhǎng)度200余米，8人在事故中死亡。我國(guó)建成的橋梁眾多，因受船只碰撞造成的威脅十分巨大。橋梁防撞的意識(shí)必須引起工程人員的重視，設(shè)計(jì)出能承受船舶碰撞產(chǎn)生的沖擊荷載的橋梁結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。另外，給橋墩提供一種保護(hù)裝置，將船舶施加在橋墩的沖擊荷載降低到非破壞性水平，使暴露在外的橋墩的損傷最小化，是橋墩防撞的主要研究?jī)?nèi)容。

2防撞設(shè)施的分類

目前，防撞設(shè)施可分為主動(dòng)防撞設(shè)施和被動(dòng)防撞設(shè)施兩大類。主動(dòng)防撞設(shè)施是指通過(guò)航標(biāo)、橋涵標(biāo)及相關(guān)警示標(biāo)志、導(dǎo)航系統(tǒng)等引導(dǎo)船舶沿正確航道行駛的設(shè)施，如航標(biāo)燈、霧天黃燈、閃燈系統(tǒng)、雷達(dá)靶、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)、激光預(yù)警系統(tǒng)、VTS監(jiān)控系統(tǒng)等預(yù)警式設(shè)施。主動(dòng)防撞裝置在船舶撞上橋墩之前就發(fā)出信號(hào)讓駕駛員注意，保持警惕，及時(shí)調(diào)離前進(jìn)的方向，是一種非接觸式防撞設(shè)施。由于主動(dòng)防撞設(shè)施并不能完全保證船舶不會(huì)撞上橋墩，故需增加在發(fā)生碰撞時(shí)減輕破壞和損失的防護(hù)裝置，這種防護(hù)設(shè)施就稱為被動(dòng)防撞設(shè)施。

上世紀(jì)80年代，日本學(xué)者按照設(shè)施設(shè)置的地點(diǎn)，把被動(dòng)防撞設(shè)施分為直接構(gòu)造和間接構(gòu)造。直接構(gòu)造的原理是通過(guò)削弱船撞力和加強(qiáng)橋墩等措施，利用橋墩的抵抗力承受船的撞擊而不發(fā)生破壞。間接構(gòu)造的基本原理是：船在撞上橋墩時(shí)，先撞到橋墩外的防護(hù)裝置，吸收船舶的一部分或全部能量，“御敵于國(guó)門之外”，船只撞不到橋墩，使橋墩免受損傷和破壞。

1991年，國(guó)際橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)將防撞結(jié)構(gòu)分為以下5種：1）擋板系統(tǒng)；2）支撐樁系統(tǒng)；3）系纜樁系統(tǒng)；4）人工島系統(tǒng)；5）浮動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。每個(gè)保護(hù)系統(tǒng)都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域，通常可根據(jù)橋梁所處的環(huán)境及通航情況設(shè)置防撞設(shè)施。

我國(guó)學(xué)者在1995年，根據(jù)船撞橋后的損傷結(jié)果把防撞設(shè)施分為以下三種：①保護(hù)橋墩，防撞設(shè)施不損壞的設(shè)施；②但保護(hù)橋墩，防撞設(shè)施損壞的設(shè)施；③能同時(shí)保護(hù)橋墩、船和防撞設(shè)施，也稱“三不壞”防撞設(shè)施。

3新型防撞裝置

對(duì)于傳統(tǒng)的防撞裝置，雖在一定程度上能保護(hù)橋墩免受破壞，但不能保證碰撞后防護(hù)裝置和船只不會(huì)受到損害。防護(hù)裝置如果碰撞后毀壞了，那么事故之后就要更換防護(hù)裝置，防護(hù)裝置由于其性能要求高，其成本往往是很大的，更換一次裝置需要花費(fèi)很多的人力和財(cái)力，甚至?xí)绊懞降赖耐ㄐ?，較長(zhǎng)時(shí)間阻止航道暢通。同理，船只如果在碰撞后發(fā)生破壞，不僅造成船上的人員傷害，大范圍漏油還會(huì)導(dǎo)致下游水環(huán)境污染，給人用水造成威脅。因此，我們需要研究前己敘述的“三不壞”防護(hù)裝置。以下主要探討最近我國(guó)學(xué)者和專家們研究并應(yīng)用于實(shí)際工程中的新型防撞裝置。

3.1雙壁鋼圍堰自旋浮筒

雙壁鋼圍堰主體結(jié)構(gòu)由兩層鋼圍堰，鋼圍堰之間設(shè)w型鋼折板組成。w型鋼折板可以起緩沖作用，延長(zhǎng)碰撞的時(shí)間。外層鋼圍堰設(shè)置自旋浮筒，自旋浮筒環(huán)繞著橡膠層，浮筒內(nèi)部設(shè)置橫隔板。在碰撞的過(guò)程中，自旋浮筒由于接觸面的摩擦力帶動(dòng)浮筒自旋，同時(shí)撥動(dòng)船頭，改變船體行駛的方向，減小船只的損傷。自旋浮筒和雙層鋼圍堰兩者的變形可以抵抗沖擊力，消耗能量，從而達(dá)到減小橋墩的損傷程度。雙壁鋼圍堰自旋浮筒是一種改進(jìn)后的新型橋墩防撞裝置，生產(chǎn)成本低，施工方便，對(duì)于中小型橋梁通航較小的具有良好的防撞效果，應(yīng)用前景好。

3.2 FRP防撞浮箱

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是指經(jīng)一定工藝程序復(fù)合形成的新型高性能材料，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、可工廠預(yù)制等優(yōu)點(diǎn)。FRP防撞浮箱總體結(jié)構(gòu)形式是由外圍箱體結(jié)構(gòu)、附在外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁板上的薄壁消能簡(jiǎn)體和掛在外圍箱體結(jié)構(gòu)外壁上的薄壁消能簡(jiǎn)體組成。其中，外圍箱體結(jié)構(gòu)的材料是FRP，主要承受外來(lái)荷載的撞擊。箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上的消能簡(jiǎn)體，能減小箱體結(jié)構(gòu)與橋墩的接觸，發(fā)生撞擊時(shí)可消耗能量。箱體結(jié)構(gòu)外壁上的消能簡(jiǎn)體在碰撞時(shí)，可通過(guò)自身的變形將傳遞的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，作為緩沖結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)撞擊的時(shí)間。

FRP防撞浮箱應(yīng)用于我國(guó)重慶的黃花園嘉陵江大橋，具有高性能的耗能能力，結(jié)構(gòu)新穎，更換方便，顯著降低了碰撞力，延長(zhǎng)碰撞持續(xù)時(shí)間，具有很好的應(yīng)用前景。

3.3 SPS夾層板（聚氨酯鋼夾層結(jié)構(gòu)板）防撞套箱

防撞套箱整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，形狀為曲面圓環(huán)形，套箱由里到外材料為鋼板+聚氨酯芯層+鋼板。SPS夾層板是指在兩層鋼板件澆注聚氨酯彈性體而形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。構(gòu)件里的鋼板主要承受沖擊力，聚氨酯層可以吸收能量，傳遞分散應(yīng)力，減小對(duì)橋墩的沖擊。SPS夾層板具有質(zhì)輕高強(qiáng)、加工方便、減震緩沖性能好、抗沖擊性能好、修理方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。SPS夾層板屬于浮動(dòng)式裝置，可以隨水面高度變化而上下浮動(dòng)。SPS夾層板防撞套箱與普通的防撞裝置相比，表面光滑，且能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)船撞到套箱時(shí)，SPS夾層板防撞套箱能撥開(kāi)船頭，改變船的前進(jìn)方向，大大降低了船舶的損傷程度，是屬于“三不壞”裝置。目前，我國(guó)廣東江門市小岡大橋20#橋墩的防撞裝置應(yīng)用了SPS夾層板防撞套箱。SPS夾層板防撞套箱是一種新型的防撞裝置，在很多方面有創(chuàng)新，具有良好的應(yīng)用前景和參考意義。

4結(jié)語(yǔ)

船舶與橋墩碰撞的事故影響到橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，帶來(lái)極大的破壞成本和嚴(yán)重環(huán)境后果。橋梁防撞裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)工程實(shí)際情況，安裝耗能能力強(qiáng)且“三不壞”的新型橋墩防船撞裝置，對(duì)橋墩和船的安全運(yùn)行至關(guān)重要。