橋梁防船撞措施研究進(jìn)展綜述

沈自力

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

橋梁防船撞措施研究進(jìn)展綜述

沈自力

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要近年來出現(xiàn)了一些光電預(yù)警主動防撞系統(tǒng)，以及復(fù)合材料的新型防撞裝置。文中根據(jù)橋梁防撞裝置的最新研究進(jìn)展，介紹了主動防船撞系統(tǒng)的研究概況，重點(diǎn)對被動防撞裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的分類和評述，分析了不同類型防撞裝置的性能特點(diǎn)以及適用環(huán)境，提出了不同通航等級下，如何選擇橋梁防撞裝置的一些思路。

關(guān)鍵詞橋梁船舶防撞裝置

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展以及跨海、跨江大橋越來越多，橋區(qū)通航船舶噸位和通航密度也不斷上升，受船舶撞擊而誘發(fā)的橋梁垮塌事故正在日益增多，因此開展橋梁防撞設(shè)施的研究，加強(qiáng)橋梁的防撞保護(hù)具有重要的意義。根據(jù)1847～1975年間世界各地的143例橋梁垮塌事故原因的統(tǒng)計(jì)，由于船舶撞擊導(dǎo)致的各大類型橋梁垮塌事故占據(jù)了垮塌總數(shù)的第三位。在國內(nèi)橋梁船舶撞擊事故也是時(shí)有發(fā)生，比如，廣東九江大橋“6·15”事件。碰撞事故不僅降低橋梁的使用壽命、安全性、抗震能力,甚至?xí)斐蓸驓送龅闹卮髴K劇。鑒于船橋碰撞問題的嚴(yán)重性，目前世界各國和地區(qū)已針對該課題進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)有的船橋碰撞問題研究方法主要有經(jīng)典的Minorsky方法、漢斯-德魯徹理論、沃辛理論、各種簡化解析方法、簡化內(nèi)部機(jī)理的數(shù)值解法、實(shí)驗(yàn)方法和有限元法。除了對船橋碰撞機(jī)理的研究，針對船橋碰撞這種特殊情況的研究也體現(xiàn)在橋梁防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)研究上,其主要根據(jù)橋墩的自身抵抗能力、橋墩的外形、水流的速度、通航船舶類型等多方面因素綜合考慮。橋梁防撞裝置的分類方法有很多種[1]，本文從主動防撞、被動防撞的角度對橋梁防撞設(shè)施進(jìn)行分類，并介紹了幾種國內(nèi)常用的主動防撞和被動防撞設(shè)施，分析其性能特點(diǎn)和適用條件，以期對如何選擇合適的橋梁防撞裝置提出一些思路和建議。

1光電預(yù)警系統(tǒng)橋梁主動防船撞系統(tǒng)

在早期，對橋梁的防撞都是著眼于如何降低船撞的威脅或者是減小船橋相撞對橋墩和船舶的損害，是屬于被動防撞范疇，其設(shè)計(jì)理念是通過對橋墩自身的加強(qiáng)或防護(hù)設(shè)施來降低船舶撞擊的威脅和損害。通過對歷年船撞橋事故的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致船撞橋事故主要有3方面因素[2]：①人為因素導(dǎo)致的事故率為64%；②機(jī)械故障導(dǎo)致的事故率為21%；③自然環(huán)境因素導(dǎo)致的事故率為15%。人為因素是導(dǎo)致船橋相撞的罪魁禍?zhǔn)?，而橋梁主動防撞系統(tǒng)可以很好地降低人為因素所導(dǎo)致的船橋相撞事故率。因此，有必要對船舶的航行管理和航行軌跡進(jìn)行干預(yù)，減小船舶撞擊橋梁的概率，避免惡性船撞橋事故發(fā)生，這就是橋梁主動防撞概念。隨著特大橋梁的建設(shè)以及國家對橋梁防撞的重視，光電預(yù)警系統(tǒng)的橋梁主動防撞研究得到了迅猛發(fā)展。

徐言明等[3]利用船舶操縱理論和與船間水動力干擾相關(guān)理論建立了船間臨界失控水動力干擾模型，并據(jù)此建立了橋墩主動防撞系統(tǒng)，將橋墩由被動結(jié)構(gòu)防船撞轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃臃墙Y(jié)構(gòu)防船撞。張慧哲等[4]在2011年提出了基于視頻監(jiān)控技術(shù)的橋梁防撞系統(tǒng)，通過攝像機(jī)的遞次架設(shè)及視頻分析技術(shù)對目標(biāo)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控。王淑等[5]提出了航道橋梁主動防船撞預(yù)警系統(tǒng)，利用光電復(fù)合獲得航道船舶信息后，利用基于EMD的時(shí)序分析和ARMA時(shí)序建模技術(shù)建立實(shí)時(shí)修正的船舶航跡數(shù)學(xué)模型。云霄等[6]提出了紅外/可見光圖像序列開展自適應(yīng)融合船舶跟蹤算法，克服了基于單傳感器主動監(jiān)視受限于氣候等觀測條件的局限性，得到了較好的跟蹤結(jié)果。之后，力拓橋科利用成像系統(tǒng)采集的圖像技術(shù)自動地提取和識別相應(yīng)目標(biāo)，它模擬人眼和大腦對景物環(huán)境進(jìn)行感知、解釋和理解[7]，開發(fā)了橋梁光電式預(yù)警系統(tǒng)主動防撞裝置。該方法突破了橋梁防撞在船舶和土木、橋梁工程方面的局限性，充分利用了光電探測和信息融合領(lǐng)域的全新技術(shù)手段，以圖像處理的方式進(jìn)行目標(biāo)識別，完成了從發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視到報(bào)警的三級立體監(jiān)控預(yù)警體系，具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。因此對于比較重要、通航量非常大的橋梁有必要安裝光電式預(yù)警系統(tǒng)防撞裝置，以大量減少橋船碰撞事故的發(fā)生。

2橋梁被動防船撞設(shè)施

由于主動防船撞裝置無法完全避免船舶撞擊的發(fā)生，故被動防撞系統(tǒng)在橋梁防撞領(lǐng)域有著不可替代的作用。被動防撞裝置有護(hù)舷方式，繩索方式，木結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)，新材料，重力式，樁方式，沉箱式，人工島方式等，目前在國內(nèi)使用得較多的防撞裝置有護(hù)舷方式、防撞套箱和群樁式。以下重點(diǎn)對這3種方式進(jìn)行介紹和分析。

2.1　防撞護(hù)舷

橡膠護(hù)舷是使用得比較多的一種護(hù)舷防撞方式，目前世界各國采用的橡膠護(hù)舷主要有：壓縮型、充氣型、剪切型、轉(zhuǎn)動型及水壓型5大類。我國各港口采用的護(hù)舷大部分為壓縮型和橡膠浮筒。但橡膠護(hù)舷存在著高溫易老化的缺點(diǎn)，在安裝上也存在諸多不便，如果采用預(yù)安裝，容易造成安裝不精準(zhǔn)，如果在橋墩完成之后進(jìn)行打孔安裝，則容易損傷橋墩墩體。隨著新型材料的開發(fā)，力拓橋科開發(fā)出了纖維復(fù)合材料(KFR)護(hù)舷，通過“自適應(yīng)”曲面的施工工藝，避免預(yù)埋件帶來的安裝不便以及橡膠容易高溫老化的問題。

防撞護(hù)舷的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，維修費(fèi)用低，作為直接抵御船舶撞擊的防撞設(shè)施，在受到小噸位船舶撞擊時(shí)防護(hù)效果不錯(cuò)。但對于大噸位船舶的撞擊卻無法滿足吸能要求，如鼓型H800護(hù)舷，所能承受的最大撞擊力為460 kN，如果撞擊船舶噸位為1 000 t，撞擊速度為1.85 m/s，所產(chǎn)生的撞擊力可以達(dá)到7 MN左右，橡膠護(hù)舷不能抵御這種噸位船舶的撞擊。此外，當(dāng)水位落差比較大的情況下，橋墩上需要安裝的護(hù)舷就比較多，費(fèi)用較高。

2.2　消能防撞套箱

消能防撞套箱是目前國內(nèi)使用的最多的一種橋梁防撞裝置，主要依靠套箱的塑性和彈性變形來吸收船舶撞擊能量，因?yàn)樘紫渚哂幸欢ǖ膭偠?，從而延長了撞擊時(shí)間，減小了傳遞到橋墩上的撞擊力。從結(jié)構(gòu)形式上，可以分為固定式消能防撞套箱和浮式消能防撞套箱。固定式消能防撞套箱適用于橋區(qū)水位變化不大的橋梁，浮式消能防撞套箱則適用于橋區(qū)水位變化幅度較大的情況。從材料組成上，可以分為鋼套箱、KFR復(fù)合材料防撞套箱和LTPU復(fù)合材料防撞套箱。下面將從材料組成上對以上3類套箱進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.2.1鋼套箱

普通鋼套箱主要由加筋板、舾裝件和阻尼元件組成，普通鋼套箱具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)和安裝便利、撞擊后易于修復(fù)，適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過合理優(yōu)化鋼套箱結(jié)構(gòu)，選擇最佳的板厚和尺寸以及吸能阻尼元件設(shè)計(jì)，可以很好地吸收船舶撞擊動能、延緩撞擊時(shí)間，減小使橋墩受到的撞擊力，極大地提高鋼套箱的吸能效果和防護(hù)性能[8]。

2.2.2纖維復(fù)合材料消能防撞套箱

由于單純鋼材單位材料吸能率較低,隨著復(fù)合材料在橋梁防撞工程的應(yīng)用推廣，力拓橋科開發(fā)了高分子緩沖吸能材料和KFR復(fù)合材料組成的自浮式復(fù)合材料消能防撞套箱。該新型復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、易于加工和成型的特點(diǎn)。其吸能效果可以達(dá)到60%～80%，最大程度地減小船舶對橋墩的撞擊力并保護(hù)船舶。與玻璃鋼相比，在相同的防護(hù)情況下，用KFR復(fù)合材料時(shí)重量可以減少一半，并且KFR復(fù)合材料層壓薄板的韌性是鋼的3倍，經(jīng)得起反復(fù)撞擊。但由于KFR復(fù)合材料防撞套箱的整體剛度較小，在受到較大的船舶撞擊力時(shí)自身破壞嚴(yán)重，使后期維護(hù)成本較高，因此一般用于撞擊船舶載重噸在500 t以下橋墩防撞。

2.2.3LTPU復(fù)合材料消能防撞套箱

為了解決鋼結(jié)構(gòu)單位吸能率低和KFR材料剛度低的問題，力拓橋科研發(fā)LTPU復(fù)合材料效能防撞裝置。該結(jié)構(gòu)是把吸能彈性體心注入2層鋼板之間并與鋼板內(nèi)表層粘接而成的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。由于LTPU復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、減振、抗銹蝕能力強(qiáng)、抗沖擊性、抗破損性和局部抗彎曲能力優(yōu)異等特點(diǎn)[9]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶和海洋平臺耐撞性結(jié)構(gòu)上，在各船級社(如CCS，LR，ABS，DNV等)均有相關(guān)規(guī)定和審批認(rèn)證。

LTPU復(fù)合材料夾層系統(tǒng)和傳統(tǒng)的單一使用鋼板制作的防撞套箱相比，夾層板套箱由于其更輕質(zhì)、更耐撞擊而具有明顯的優(yōu)勢，可以大量預(yù)制，不需要太多的桁架支撐，從而大大減少焊接工作量，極大程度增強(qiáng)了抗疲勞性能。并且由于更大的彎曲剛度，減少了板的局部彈性屈曲。夾層板類似于傳統(tǒng)的正交異性板方法，但是大大減少了中間的加勁肋；而聚氨酯核心為鋼板提供了連續(xù)支撐，從而起到了和加勁肋相同的作用[10]。聚氨酯彈性體夾層在受到碰撞沖擊載荷時(shí)能充分緩沖，吸收能量，提高了防撞設(shè)施的耐撞性和吸能效果，能抵抗較大噸位通航船舶的撞擊，而且結(jié)構(gòu)形式簡單，易于生產(chǎn)安裝和維護(hù)，雖然相較于其他的防撞裝置初始造價(jià)較高，但是后續(xù)的維修簡單，而且能抵御大噸位船舶的撞擊，甚至是上萬噸的船舶撞擊，適合跨海大橋的防撞設(shè)計(jì)。見圖1。此外，針對變截面的橋墩形式，武漢力拓橋科開發(fā)出了一種自適應(yīng)機(jī)構(gòu)浮式消能防撞套箱，并應(yīng)用于貴廣鐵路思賢窖特大橋和北江特大橋的雙向變截面橋墩。內(nèi)置的自適應(yīng)伸縮機(jī)構(gòu)使防撞裝置能夠滿足水位變化上下浮動時(shí)橋墩的截面變化，見圖2。

a)　普通加筋板

b)　LTPU復(fù)合材料夾層系統(tǒng)

圖2　自適應(yīng)機(jī)構(gòu)浮式防撞裝置

2.3　樁式防撞裝置

對于部分舊橋，特別是薄壁式橋墩，其水平抗力設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于船撞力，必須采用間接防撞結(jié)構(gòu)將船撞危險(xiǎn)抵御在橋墩之外。因此，以前一般是通過在距離橋墩一定距離的地方設(shè)置幾個(gè)混凝土墩來抵御船撞風(fēng)險(xiǎn)，但是此類防撞墩不能有效抵御船舶的側(cè)撞，而且對船的損害極大甚至沉船，如果船只裝的是油料或者其他有害化學(xué)品，將會產(chǎn)生災(zāi)難性的環(huán)保事故[11]。針對此類情況，可以采用柔性群樁式防撞裝置,見圖3。該結(jié)構(gòu)不僅可以極大降低橋墩受撞擊的風(fēng)險(xiǎn)，還能極大程度地保護(hù)受撞擊船舶。而且對于上部結(jié)構(gòu)容易遭受船舶撞擊的拱橋，具有極佳的防護(hù)作用。防撞裝置在受到船舶撞擊的整個(gè)過程中不會接觸到橋墩，可以保護(hù)橋墩不受任何損傷，特別適合于橋墩設(shè)計(jì)撞擊力較低的舊橋加固工程。由于防撞裝置本身具有很好的柔性，對撞擊船舶也可以提供很好的保護(hù)，適用于所有類型橋墩和防撞船舶噸級，特別是橋墩自身水平抗力較小的橋梁；但是群樁式防撞裝置的缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴且施工難度較大,而且對通航凈空影響較大。

圖3　群樁式防撞裝置

3結(jié)語

防撞裝置的選擇要兼顧橋梁、水運(yùn)、航道幾方面的利益，對應(yīng)不同航道等級，通航船舶噸位也不一樣，通航船舶噸位是選擇防撞裝置的一個(gè)重要參考因素。近年來出現(xiàn)了光電預(yù)警主動防撞系統(tǒng)以及多種復(fù)合材料防撞裝置，本文從通航船舶噸位和橋墩防撞需求出發(fā)，通過對上述幾種國內(nèi)主要的防撞裝置性能特點(diǎn)的分析，提出以下建議。

對于通航等級較低的航道，考慮成本問題可以采用KFR復(fù)合材料防撞裝置。而對于重要的特大橋梁，由于撞擊船舶噸位較大，為了能夠吸收船舶動能建議采用LTPU復(fù)合材料夾層系統(tǒng)防撞裝置。而且可以考慮采用光電預(yù)警系統(tǒng)主動防撞措施，避免人為失誤造成的撞擊，進(jìn)一步保護(hù)被動防撞設(shè)施和橋梁。對于橋墩自身抗撞能力非常弱的橋梁，如舊橋或薄壁墩，即使防撞設(shè)施吸能80%以上仍無法滿足抗撞要求，需要考慮間接構(gòu)造的防撞裝置(如柔性群樁)。對于異型橋墩可以采用自適應(yīng)伸縮機(jī)構(gòu)防撞裝置，滿足水位變化上下浮動引起的橋墩變截面變化的問題。

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Review on Research Progress of Anti-collision Equipment for Bridge Protection

ShengZili

(School of Science,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract：In recently, actively photoelectric early-warning system and composite material have been developed for bridge piers against ship collision. The present paper introduced the reseach work according to the latest reseach progress of anti-collision equipment. The paper mainly classified and reviewed for passive anti-collision equipment , analyzed the performance characteristics and application conditions of different types of anti-collision equipment, and put forward some ideas for how to chose the anti-collision equipments according to the level of waterway.

Key words:bridge; ship; anti-collision equipment

收稿日期：2015-03-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.024