雷玲香，謝學(xué)欽，李凌偉

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510000）

船舶與橋梁的碰撞問題，直接威脅到交通運輸和人民生命財產(chǎn)的安全。由于地理條件限制，很多地區(qū)的橋位處航道具有狹窄、彎曲、水流湍急等特點，船舶經(jīng)過橋區(qū)河段操控難度大[1]；而且，航運單位為降低營運成本，船型向著大噸位和小馬力的趨勢發(fā)展，使得船舶的操縱性能降低，橋梁船舶碰撞概率大大增加[2]。目前，橋梁防撞措施日益多樣化，但施工難度、工期、投資差別明顯。對于舊橋增加防撞設(shè)施，建橋時的所有設(shè)施和條件已經(jīng)不復(fù)存在，施工環(huán)境更復(fù)雜，施工條件更惡劣，需要深入研究防撞性能、施工便利性。

1 工程概況

隨著北江航道擴能升級的展開，北江沿線上已建成的英德沙口大橋、英德市連江口大橋、清遠市鳳城大橋、肇慶市廣賀公路大橋等多座大橋，因設(shè)計及建設(shè)年限遠久，原設(shè)計建設(shè)標準及目前的運營能力不能滿足北江航道擴能升級的使用要求。為保證北江航道擴能升級后上述橋梁附近水域內(nèi)的航道通航安全，針對上述橋梁通航孔處增設(shè)橋墩防撞設(shè)施，以保證橋梁及航道通行的安全。

2 防撞機理

浮動式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施主要是在橋墩上安裝柔性浮式套箱，發(fā)生船撞作用時，弧形箱體可以改變船舶的行進方向；同時，通過套箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，吸收一定的撞擊能量，減小船舶的撞擊力，達到“四兩撥千斤”的效果[3]。

3 設(shè)計要求

防撞主體結(jié)構(gòu)由上下蓋板、內(nèi)外側(cè)板、導(dǎo)向定位柱等構(gòu)件組成，選用復(fù)合材料外殼+內(nèi)部填充柔性材料形式的套箱。防撞設(shè)施各個構(gòu)件的布置和組成件尺度應(yīng)符合下述要求：（1）受到嚴重碰撞時能通過自身的變形和破壞充分吸收船舶動能，減小船對橋的碰撞力；受到較小的碰撞時能有足夠的強度和抗變形能力，盡可能保持防撞設(shè)施的整體完好性。（2）無事故發(fā)生時具有一定的浮力，靈活、方便地使用壓載水使防撞設(shè)施保持良好的浮態(tài)；受撞破損后，能使破損范圍限制在一定區(qū)域內(nèi)，防撞設(shè)施仍可保持必須的浮力和必要的浮態(tài)，不發(fā)生沉沒，使防撞設(shè)施修復(fù)方便。（3）能夠可靠、方便地安裝各種必要的設(shè)備、裝備。（4）防撞套箱可以有效保護橋墩和船舶，對船舶的損傷較小。該項目柔性浮式防撞套箱總體布置圖如圖1所示。

4 防撞性能仿真分析

為了驗證復(fù)合材料防撞套箱的防撞消能效果，項目組根據(jù)相似準則進行了縮尺模型沖擊試驗。在試驗之前，采用動力計算軟件對試驗梁進行了數(shù)值仿真計算。另外，鑒于柔性浮式防撞套箱在實橋上得到了應(yīng)用，對套箱的實橋防撞性能也進行了仿真分析。主墩模型及防撞套箱整體模型如圖2所示。有套箱和無套箱船舶撞擊橋梁的情況如圖3、圖4所示。

圖1 柔性浮式防撞套箱總體布置圖（單位：cm）

通過實橋應(yīng)用計算，防撞套箱消能超過總撞擊能量的50%，有效起到了緩沖撞擊的作用。通過對套箱箱體結(jié)構(gòu)連接部位進行局部非線性接觸分析和驗算得知，在最不利船撞荷載作用下均不會被拔出或者剪壞，可在保證套箱連接有效的前提下滿足結(jié)構(gòu)的整體受力要求。

圖2 主墩模型及防撞套箱整體模型

圖3 無套箱船舶撞擊模擬

圖4 有套箱船舶撞擊模擬

5 防撞設(shè)施工廠加工

鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施采用在工廠集中分塊加工，分塊大小視整體結(jié)構(gòu)尺寸和運輸條件確定，以方便運輸和易于拼接為原則。單塊加工采用真空導(dǎo)入一次成型，利用真空泵產(chǎn)生的負壓將樹脂從容器中吸出，經(jīng)過導(dǎo)流布將樹脂浸入纖維材料，當樹脂浸滿整個內(nèi)部空間時，空間內(nèi)的樹脂與玻璃纖維材料在固化后形成增強型復(fù)合材料。

工藝流程：大型鋼制模具設(shè)施制作→玻璃纖維材料裁剪或耗能閉孔材料→模具清理→鋪設(shè)輔材→樹脂準備→真空導(dǎo)入→固化成型→脫模→外表面噴射復(fù)合材料防腐層→成品檢驗→包裝待發(fā)。

6 防撞設(shè)施節(jié)段安裝

防撞設(shè)施分塊加工完成后，利用陸路或水路運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場附近，先在岸邊拼裝成U型節(jié)段，通過浮運到橋墩處安裝就位。

工藝流程：節(jié)段運輸→節(jié)段拼裝→節(jié)段浮運→節(jié)段現(xiàn)場安裝→自浮→檢驗→機具、船舶及人員撤離。

7 應(yīng)用效果

沙口大橋、鳳城大橋、連江口大橋、廣賀大橋采用浮動式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施的設(shè)計、生產(chǎn)及安裝，經(jīng)檢驗防撞設(shè)施外形尺寸、性能參數(shù)均達到防撞要求；經(jīng)過汛期及通航驗證，防撞設(shè)施運行情況平穩(wěn)。性能檢測情況如表1所示。

表1 性能檢測結(jié)果

8 結(jié)束語

內(nèi)河航道整治工程作為重大基礎(chǔ)工程，已在全國很多地方實施。內(nèi)河航道的整治帶來的就是航道等級的升級，其勢必需要提高河流沿線橋梁的防撞能力。文章研究成果可用于航道等級提升帶來的橋梁抗撞能力提高，具有巨大的市場空間。