摘要：近年來，隨著我國交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，橫跨通航水道的大橋日益增加，由于各種因素干擾，船只碰撞大橋的可能性日益增大，且事故頻發(fā)。為克服傳統(tǒng)防撞裝置的不足，需要提供一種能解決其問題的新型技術(shù)方案。文章首先對折紙型蜂窩鋁板的結(jié)構(gòu)特性及制作工藝進(jìn)行了簡要介紹，再通過有限元分析對其防撞性能做了研究，給橋梁防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有益參考，最后提供了一種兼顧實用性與經(jīng)濟(jì)性的橋梁防撞設(shè)施。

關(guān)鍵詞：蜂窩鋁；橋梁防撞；船舶撞擊

中圖分類號：U448.14" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

由于交通工程的蓬勃發(fā)展，橫跨河流、湖泊、海面的橋梁種類日漸增加，同時航運(yùn)業(yè)的迅速增長也使得船只規(guī)模與船種日益提高和擴(kuò)大。在此背景下，船舶碰撞橋墩的情況時有發(fā)生。2007年6月，一艘運(yùn)砂船通過佛山九江大橋時撞上橋墩，橋墩當(dāng)場被撞斷，共造成8人死亡。2010年11月，一艘船撞擊福州烏龍江大橋致使18人受傷。2019年1月，廣深高速的東洲河大橋B2～B3通用航空孔，遭到一貨船船艏傳遞帶的撞擊，造成大橋上承重梁體的支撐柱嚴(yán)重?fù)p毀。

事實上，船只碰撞橋梁事故遠(yuǎn)不止于此，事故多發(fā)問題始終無法得到有效的控制。事故發(fā)生后將對經(jīng)濟(jì)社會各方面造成巨大損失，這種損失不止局限于船舶和橋梁擁有者，同時還會對交通、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及民眾身心造成重大沖擊。所以，隨著人們關(guān)于船橋事故問題的深入研究，關(guān)于橋梁防撞措施的選擇問題已經(jīng)成為國際上船舶設(shè)計組織、橋梁建設(shè)機(jī)構(gòu)，以及我國航道保障部門所關(guān)注的重要課題。所以橋梁防撞措施的選擇，就必須要考慮適用性、耐久性、維護(hù)性、可維修性，還有經(jīng)濟(jì)性等多方面因素。

1 橋梁防撞裝置介紹

1.1 防撞措施現(xiàn)狀

目前，我國最常用的防撞措施，可歸納為主動防撞和被動防撞措施兩種。考慮到主動防撞措施是一項相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此目前我國在實際工程中應(yīng)用比較多的是被動防撞措施。

對于被動防撞措施來說，當(dāng)前采用最多的防護(hù)措施形式為鋼套箱，其自身具有優(yōu)越的特性，通過塑性變形來消耗能量，適合在各類型橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，防護(hù)效果更佳。然而，由于鋼材自身的特性，在實際使用期間依然存在一些問題。鋼材屬于硬質(zhì)材料，其彈性模量較大，與船舶發(fā)生撞擊時，不僅會對船舶造成很大的損害，還會威脅到船員的生命安全。此外，由于鋼材耐腐蝕性能較差，在水中浸泡時間過長會對鋼材產(chǎn)生腐蝕作用，極大降低防護(hù)效果。通過分析及總結(jié)往年多起船橋事故的經(jīng)驗，防撞裝置也逐步發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原來剛性的防撞措施過渡到柔性的防撞裝置。與剛性體系不同，柔性防撞體系多采用橡膠、高密度聚乙烯、聚氨酯、FRP、泡沫鋁、蜂窩鋁等作為吸能材料填充在防撞體系中，其剛度小于船艏剛度，在撞擊過程中能夠綜合橡膠護(hù)舷和鋼套箱的優(yōu)點(diǎn)，降低船撞力的同時減小對船的傷害。柔性體系的核心在于吸能材料的設(shè)計，當(dāng)前多采用泡沫鋁或蜂窩鋁材料進(jìn)行設(shè)計，此類結(jié)構(gòu)是以防撞圈為主的柔性防撞裝置。雖然現(xiàn)有橋梁防撞裝置采用了多種不同的結(jié)構(gòu)及材料，但仍不可避免地存在著諸多不足。

（1）吸能材料的性能有限。當(dāng)前，采用的防撞裝置中采用的多孔材料在承受擠壓時易發(fā)生局部屈曲，塑性發(fā)展不足，耗能水平有限。

（2）設(shè)計指標(biāo)不完備。當(dāng)前，針對橋梁抗撞的設(shè)計規(guī)范中，將動力荷載等效為靜力荷載，適用于橋梁的工程設(shè)計，但當(dāng)采用防撞體系時，船體自身剛度、材料塑性等都會對防撞體系的性能有影響，規(guī)范未能給出完備的適用于防撞體系的設(shè)計指標(biāo)。

（3）難以修復(fù)，不易更換。當(dāng)前，防撞體系多采用一體化設(shè)計，裝置具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在撞擊后修復(fù)成本高，在生銹后難以達(dá)到設(shè)計時的緩沖目的。橡膠類耗能材料的老化時間在10年左右，需定期整體更換。

因此，開展新型橋梁防撞體系研究，對改善橋梁防撞特性、提高橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠性具有重要意義。

1.2 折紙型蜂窩材料結(jié)構(gòu)介紹

蜂窩材料是多孔材料的3種經(jīng)典形式之一，另外兩種為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，良好的隔熱、隔震、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到航空航天、航海和高速列車等領(lǐng)域。

折紙作為一門古老的美術(shù)，早已滲入各個領(lǐng)域之中。折紙的材料類型豐富多樣，同時折紙設(shè)計本身還具備了一些超材料的設(shè)計功能，能夠把傳統(tǒng)折紙設(shè)計方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷崿F(xiàn)各種功能的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)設(shè)計模式。把折紙設(shè)計融入超材料的設(shè)計中，就可以打破傳統(tǒng)天然材料類型單一和設(shè)計功能不具備可控性的局限。本研究就是將折紙型蜂窩材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橋梁防撞裝置，如圖1所示。鋁合金蜂窩面板的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

1.3 材料制作工藝

考慮到該結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境及耐久性要求，防撞系統(tǒng)的鋁合金蜂窩面板統(tǒng)一采用釬焊工藝進(jìn)行制作，嚴(yán)禁膠粘。

1.3.1 工藝原理

鋁蜂窩板釬焊釬料的選用，一般采用比母材熔點(diǎn)低的鋁合金材料，對釬料、焊件加熱至比釬料熔點(diǎn)高，而比母材熔化溫度低，之后母材可以使用液態(tài)釬料進(jìn)行潤濕，使焊件與母材之間填充接頭間隙并互相擴(kuò)散以達(dá)到接合。

焊接鋁蜂窩板是以焊接鋁蜂窩為芯材，兩面敷鋁面板，組合后在專用工裝夾緊下置于釬焊爐中，在600 ℃左右的溫度場中一次性釬焊焊接而成的金屬結(jié)構(gòu)性材料。焊接蜂窩板中的節(jié)點(diǎn)全部采用釬焊焊接方式，母材在焊接期間不會發(fā)生熔化，從而規(guī)避熔焊時出現(xiàn)晶粒長大、溶蝕等現(xiàn)象。鋁蜂窩芯加勁板與面板的焊接區(qū)一般呈雙面小角焊結(jié)構(gòu)，蜂窩芯的鋁箔與鋁箔間呈全邊長范圍的搭接焊結(jié)構(gòu)。

通過釬焊工藝成型的蜂窩結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久、耐腐蝕、耐高溫、環(huán)保可回收等優(yōu)點(diǎn)，且工藝全過程無煙無毒，適用于二維和三維成型。

1.3.2 工藝流程與設(shè)備

蜂窩面板制作的工藝流程如圖2所示。防撞結(jié)構(gòu)的主體防護(hù)為懸掛式蜂窩板結(jié)構(gòu)，防撞體系通過型鋼與混凝土剛性連接。防撞裝置在受到船舶撞擊并承受撞擊力時，利用蜂窩鋁板中高層結(jié)構(gòu)以及低層結(jié)構(gòu)在變形時的不協(xié)調(diào)性，提升了蜂窩鋁板的剛度，從而提升平面內(nèi)的抗剪切性能。通過釬焊工藝成型的蜂窩結(jié)構(gòu)相較于復(fù)合材料防撞裝置具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久、耐腐蝕、耐高溫、環(huán)?？苫厥盏葍?yōu)點(diǎn)，且工藝全過程無煙無毒，適用于二維和三維成型。

圖2 蜂窩面板制作的工藝流程

2 橋梁防撞安全評估及性能分析

2.1 橋梁撞擊場景的分析

2.1.1 撞擊速度

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-02—2020）［1］第5.1.5條規(guī)定，撞擊速度宜根據(jù)橋區(qū)水域的實測數(shù)據(jù)確定，若按不利考慮，取船舶過橋航速為3.0 m/s。

2.1.2 撞擊位置

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-02—2020）、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）［2］，綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)的特殊情況，取設(shè)計通航最高水位以上2 m作為撞擊力作用點(diǎn)，如表2所示。

2.2 船舶撞擊力分析

由于撞擊過程是一項十分繁雜的非線性動力學(xué)反應(yīng)過程，因此整個撞擊過程中各種不確定性問題時時刻刻都會出現(xiàn)。目前，針對撞擊問題及防撞系統(tǒng)進(jìn)行的實驗研究還非常少，一般都是通過基礎(chǔ)研究和有限元仿真來開展研究。

2.3 有限元模型分析

使用工程中的抗撞擊能力研究橋梁，通常船撞橋的撞擊力主要參考規(guī)范中的經(jīng)驗公式來估算。由于經(jīng)驗公式只考慮了局部影響情況，而實際航路上的船只類型、噸位等都發(fā)生相當(dāng)大的變化，同時橋墩構(gòu)造的類型以及幾何形狀上也存在著很多差異，使得經(jīng)驗公式的計算結(jié)果容易出現(xiàn)很大的偏差。通過有限元仿真的方式，對船橋碰撞能力進(jìn)行動力學(xué)計算，以減少船舶撞橋坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，在一定程度上提升大橋防撞裝置建成后的抗撞能力計算精度［3］。

利用有限元分析軟件Abaqus，Midas等對船橋事故機(jī)制展開研究，主要是希望實現(xiàn)如下研究任務(wù)：通過大數(shù)據(jù)模擬計算的結(jié)果，計算橋梁防撞結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，重點(diǎn)探索橋梁防撞結(jié)構(gòu)的耐撞性能和在防撞措施折減下對橋墩的撞擊力。

為了達(dá)到上述研究目標(biāo)，本文的主要研究內(nèi)容如下：

（1）根據(jù)相關(guān)規(guī)范，分析船撞橋墩的撞擊角度、速度和位置。

（2）基于Abaqus，Midas有限元軟件，對排水量750 t和700 t駁船在不同工況時對橋墩撞擊進(jìn)行有限元仿真，且對碰撞力的影響等計算結(jié)果進(jìn)行有效分析。

（3）針對排水量750 t和700 t駁船的撞擊防撞裝置，利用Abaqus，Midas有限元軟件對各種載荷進(jìn)行了有限元仿真，分析了材料和厚板影響碰撞系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)。

在不同撞擊形式下，船舶性能對防撞系統(tǒng)的抗沖擊功能影響如表3所示。

表3中的撞擊力均小于撞擊性能指標(biāo)，表明船舶撞擊力經(jīng)過折紙型蜂窩鋁防撞措施的折減后滿足防撞要求。

3 結(jié)語

本文排水量研究了船只與防撞措施碰撞時會產(chǎn)生的代表碰撞角度、船只與防撞措施的代表碰撞角度，以及能夠到達(dá)的范圍高度。建立了排水量750 t和700 t駁船的有限元模型，并通過數(shù)值仿真計算了在蜂窩鋁板防撞措施下，在不同情況下的船撞力。經(jīng)過建模分析計算，根據(jù)橋梁的抗撞性能，采用折紙型蜂窩材料可以有效降低撞擊力，從而滿足撞擊性能指標(biāo)，有效保護(hù)橋梁安全。

參考文獻(xiàn)

［1］中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范：JTG/T 3360-02—2020［S］北京：人民交通出版社股份有限公司，2020

［2］中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范：JTG D60—2015［S］北京：人民交通出版社股份有限公司，2015

［3］毛文杰船舶撞擊場景下的橋梁防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能研究［D］武漢：華中科技大學(xué)，2019

（編輯 姚鑫編輯）

Abstract： In recent years， due to the continuous advancement of transportation infrastructure construction in China， the number of bridges crossing navigable waterways is increasing Due to various factors， the possibility of ships colliding with bridges is increasing， and accidents occur frequently In order to overcome the shortcomings of traditional anti-collision devices， it is necessary to provide a new technical solution that can solve their problems The article first briefly introduces the structural characteristics and manufacturing process of the origami honeycomb aluminum plate， and then studies its anti-collision performance through finite element analysis， providing a useful reference for the design of bridge anti-collision structures， thereby providing a bridge anti-collision facility that combines practicality and economy

Key words： aluminum honeycomb; bridge collision prevention; ship collision