新材料FRP橋墩防撞浮箱在運行橋梁中的優(yōu)勢研究

摘要：文章研究分析了一種新型材料FRP橋墩防撞浮箱應用在運行橋梁中的優(yōu)勢，它具有自定位功能和弱接觸連接構(gòu)造及高消能效果。FRP橋墩防撞浮箱適用于橋區(qū)水位變幅較大和墩的抗力遠低于其設防船撞力的橋墩防撞保護工程，可獲得“既不傷墩、又少傷船、還少結(jié)構(gòu)自傷”的最佳防護效果。

關鍵詞：防撞浮箱；和諧防撞；長效防撞；外圍箱體結(jié)構(gòu)；內(nèi)襯柱殼薄壁構(gòu)件

中圖分類號：U443文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）13-0023-03

1概述

改革開放30多年來，我國公路建設發(fā)展迅速，公路通車里程由89萬千米增長到386.0889萬千米，實現(xiàn)了“五縱七橫”的國道主干線。截至2010年底通航橋梁共有40972座，其中絕大多數(shù)橋梁橋墩未設橋墩防撞設施，嚴重危及橋梁的安全，橋墩防船撞設置迫在眉睫。橋墩防船撞擊的被動防撞保護技術(shù)措施，國內(nèi)外常用和有效的作法是在橋墩周圍增設防撞圍護結(jié)構(gòu)。目前常用的橋墩防撞圍護結(jié)構(gòu)，按照國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（IABSE）的劃分標準可分為如下五類結(jié)構(gòu)：防護板結(jié)構(gòu)，支承樁結(jié)構(gòu)，系纜樁結(jié)構(gòu)，人工島或暗礁保護結(jié)構(gòu)，浮體式保護結(jié)構(gòu)。

橋墩防撞圍護結(jié)構(gòu)的選擇，主要依據(jù)橋墩自身的防撞能力、幾何外形、水流速度、水位變化情況、通航船舶類型、碰撞速度及角度等因素綜合分析確定，但應滿足如下基本要求：兼顧橋梁、航道、水運三方利益；結(jié)構(gòu)體量小，少占航道；能適應水位和落差變化；吸能能力強；撞后能恢復，即大能量撞擊后可修復繼續(xù)使用，小能量撞擊后不需修理；不因圍護結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生諸如河床沖刷、回流淤積、環(huán)境保護等新問題；安裝、運輸方便，工程造價較低。

浮體式保護結(jié)構(gòu)在橋墩防撞體系中優(yōu)勢比另外四類橋墩防撞圍護結(jié)構(gòu)更明顯，綜合優(yōu)勢更強，故成為目前橋墩防撞工程應用得最多和最好的防撞結(jié)構(gòu)，使用前景更廣闊。現(xiàn)在新型材料FRP橋墩防撞體系屬于浮體式保護結(jié)構(gòu)的一種形式，它應用在橋墩防撞上突破了傳統(tǒng)模式，是一項與時俱進的應用，此四新技術(shù)應用不僅具有傳統(tǒng)方案所有優(yōu)勢，而且還有“自定位、弱接觸、高消能”“科學”、“經(jīng)濟”、“和諧”等眾多優(yōu)勢，是一項前景廣闊的四新技術(shù)。

2FRP橋墩防撞浮箱消能機理分析

2.1FRP橋墩防撞浮箱的總體結(jié)構(gòu)形式

FRP橋墩防撞浮箱的總體結(jié)構(gòu)形式，為圍護在橋墩四周的FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)與附著于外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上的一排FRP內(nèi)襯八邊形柱殼薄壁構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)，為浮箱的抗撞消能主體結(jié)構(gòu)和浮力平衡結(jié)構(gòu)；FRP內(nèi)襯柱殼構(gòu)件，為浮箱與橋墩的弱接觸連接支承結(jié)構(gòu)和撞擊緩沖結(jié)構(gòu)。

2.2防撞浮箱消能機理

浮箱的消能主要從外層結(jié)構(gòu)、內(nèi)層結(jié)構(gòu)、內(nèi)外水流受撞擊時產(chǎn)生的阻力這三方面消能。

2.2.1外層結(jié)構(gòu)消能和散能

最外層結(jié)構(gòu)的消能原理，外圍箱體結(jié)構(gòu)中艙內(nèi)的八邊形和四邊形柱殼薄壁構(gòu)件相互之間及其與箱壁之間是進行有機聯(lián)結(jié)，在正常狀況下不受外力作用下處于不受力狀態(tài)，既不受力、也不傳力，當浮箱受到外力作用時產(chǎn)生力的傳遞，外圍部件產(chǎn)生相互擠壓、相互運動、相互傳遞。當船舶或漂浮物以高速度撞擊到浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)任一部位時，以較大的動能和勢能產(chǎn)生較大的沖擊力，受撞部位的外圍箱體結(jié)構(gòu)的中、底艙外箱壁借助其高強度、低剛度保證其不被撞壞的前提下產(chǎn)生向內(nèi)位移的大變形，從而擠壓中艙箱內(nèi)的八邊形柱殼構(gòu)件和四邊形柱殼構(gòu)件，迫使箱內(nèi)每個柱殼構(gòu)件都產(chǎn)生不同程度的相互擠壓變形和相互運動摩擦，消耗沖擊時產(chǎn)生的具大能量，在消能過程中如外層結(jié)構(gòu)不足以消耗撞擊時的能量就將外層結(jié)構(gòu)撞壞，從而使這些柱殼構(gòu)件為外圍箱體結(jié)構(gòu)提供變形較大的變形能和作功時間較長的摩擦能及能耗最高的散能；外圍箱體結(jié)構(gòu)同時借助FRP材料完全彈性和低應變速率的優(yōu)異性能，通過緩慢地釋放變形能反推船舶作功形成浮箱反作用功，以進一步消耗船舶的撞擊動能和進一步增加浮箱總的撞擊作功時間，使浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)通過正向作功吸能和反向作功耗能這兩種消能模式可消耗船舶撞擊動能的六層左右。

2.2.2內(nèi)部構(gòu)件的變形消能和散能

浮箱內(nèi)層結(jié)構(gòu)比外層結(jié)構(gòu)內(nèi)的剛度更低和約束更弱的設計，當浮箱外層結(jié)構(gòu)受到撞擊時，內(nèi)層結(jié)構(gòu)比外層結(jié)構(gòu)有更大的擠壓變形空間，當外層結(jié)構(gòu)受撞擊時剩余部份能量傳遞到內(nèi)層構(gòu)件，內(nèi)層結(jié)構(gòu)通過其更大的變形消能和散能來吸收浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)消能后剩余的部份撞擊動能，如內(nèi)層結(jié)構(gòu)不能消耗掉所有剩余的能量，就會將部份部件壓壞，并同時將剩余的船撞力經(jīng)變形緩沖和支承面積擴散后再傳給橋墩，使橋墩直接承受的船撞力可進一步降低至其可承受的水平。

3FRP橋墩防撞浮箱應用優(yōu)勢分析

3.1運行中的橋墩防撞工程實施的必要性和緊迫性

例：重慶嘉陵江黃花園大橋1、2號主墩在2010年、2020年和2050年預測通航密度下的船撞倒塌頻率分別為1.86×10-4、1.17×10-3、2.36×10-3，均大于重要橋墩的可接受風險10-4，故有必要對其進行防撞保護，避免船撞突發(fā)事故。黃花園大橋1、2號主墩現(xiàn)時要求的設防船撞力高出橋墩自身抗力21%～50%，橋墩一旦被撞則可能造成巨大傷害，故須及時對其進行防撞保護，提高橋梁防災減災的能力。

3.2橋墩防撞工程結(jié)構(gòu)的合理性和可行性

根據(jù)橋梁所處地水系、洪水頻率、水流大小、水流湍急程度、船舶類型、船舶流量等因素決定了橋墩防撞結(jié)構(gòu)類型的合理性。以長江下游的一座大橋采用管樁結(jié)構(gòu)案例作分析：此特大橋由于在建期間遭遇特大洪水，橋區(qū)河段灘槽發(fā)生劇烈變化，原設計主通航孔在枯水期通航困難，自建橋以來，已有三屆枯水期被迫利用沒有防撞設施的非通航橋孔通航，橋下通航存在嚴重安全隱患。為此，2008年交通部決定對可能作為通航孔使用的6個非通航橋孔、七座橋墩設置防撞加固等設施，以保障船舶航行和橋梁安全。此長江大橋防撞工程總投資6300多萬元，考慮橋墩全方位防撞防護，防撞工程建設采用管樁方案，即在橋墩四周設置16根樁徑為1.5米、壁厚為22毫米、長度29.5米的鋼管樁，鋼管樁內(nèi)澆注混凝土，鋼管樁通過系桿連接成整體，周邊設置消能鋼板和橡膠護舷，鋼管外露部分進行防腐處理。采用此方案固然達到安全防護的要求，但建設成本高、維護費用高、維護工作量大、維護難度大等不利因素。綜上所述，如采用當今國內(nèi)外橋墩防撞工程應用得最多和最成熟的防撞結(jié)構(gòu)形式為鋼浮箱形式的浮體式保護結(jié)構(gòu)，將達到事半功倍的效果。又因鋼浮箱通過消能降低的船撞力比例約30%，且撞后修復工程量大，使用期防銹養(yǎng)護多，方案優(yōu)選FRP浮箱結(jié)構(gòu)經(jīng)消能降低的船撞力比例約50%。且撞后主體結(jié)構(gòu)不壞，使用期不須防銹養(yǎng)護，故FRP浮箱結(jié)構(gòu)設計方案比鋼浮箱更合理、更科學、更實用。

3.3橋墩防撞工程的經(jīng)濟性和可靠性

杭州灣跨海大橋、湛江海灣大橋、荊州長江大橋、菜園壩大橋、黃花園大橋橋墩防撞工程的單墩工程造價分別約為1134萬元、1200萬元、900萬元、750萬元、500萬元，故設計方案的FRP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)比同類鋼浮箱更經(jīng)濟。另外浮箱結(jié)構(gòu)又比其它防撞結(jié)構(gòu)經(jīng)濟，例如湛江海灣大橋，鋼浮箱防撞結(jié)構(gòu)工程造價比人工島防撞結(jié)構(gòu)工程造價低3倍左右。

鋼浮箱浮體式保護結(jié)構(gòu)已先后在我國10多座橋梁中成功應用，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱的技術(shù)經(jīng)濟性能比鋼浮箱更優(yōu)，F(xiàn)RP橋梁結(jié)構(gòu)的設計施工有技術(shù)規(guī)范參照和成功案例，故能保證該橋橋墩防撞工程實施的可靠性。

4結(jié)論

第一，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)，依靠其全新的結(jié)構(gòu)形式、連接方式和消能模式，使其具有“自定位、弱接觸、高消能”結(jié)構(gòu)功能，不僅抗撞擊破壞的能力比鋼浮箱強，而且通過能量吸收和動量緩沖降低船撞力的比例也比鋼浮箱提高1倍以上，故能比鋼浮箱更好地對橋墩提供防撞安全保護。

第二，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)，具有“和諧防撞”與“長效防撞”的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢，是橋墩防撞工程的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進步，經(jīng)進一步研究完善推廣工程應用，將有助于橋梁防災減災技術(shù)實力的提升和橋梁、水運建設的和諧發(fā)展。

第三，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)，反映浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)多邊形柱殼構(gòu)件擠壓變形、摩擦運動、崩潰破壞及浮箱-水流耦合作用的結(jié)構(gòu)分析和計算也是一項全新的理論研究課題，具有較高的難度。通過這些理論問題的研究解決，將推動橋墩防撞工程設計邁向“科學”、“經(jīng)濟”、“和諧”的更高水平。

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作者簡介：肖楊軍（1977-），男，重慶永川人，重慶市城投路橋管理有限公司李家沱大橋管理處副處長，工程技術(shù)工程師，研究方向：道路與橋梁管理和維護。

（責任編輯：文森）