為橋墩穿上防撞“鐵布衫”

文|廣東省公路事務(wù)中心

華南理工大學(xué)

廣州市恒津路橋設(shè)計咨詢有限公司

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，船運流量、船運噸位也在逐年增大,橋梁墩、臺受船舶撞擊的危險也相應(yīng)增加。自然環(huán)境、通航環(huán)境、船舶狀況、船舶操縱者，以及管理者等諸多方面因素，導(dǎo)致船舶與橋梁發(fā)生碰撞的事故每年都有發(fā)生。在橋墩防撞研究領(lǐng)域，研究者提出了新的“三不壞”原則，即保證橋墩不發(fā)生損壞，船舶與防撞裝置盡量不損傷。橋梁防撞的研究重點已從傳統(tǒng)的防撞設(shè)施逐漸轉(zhuǎn)移到了各種新型的防撞裝置上。

鋼-聚氨酯夾層板新型橋墩防撞浮箱示意圖

防撞浮箱外形及斷面

鋼-聚氨酯夾層板

“鋼-聚氨酯夾層板曲面結(jié)構(gòu)橋墩防撞浮箱研究”項目研發(fā)的圓環(huán)型防撞套箱，具有可浮動、可轉(zhuǎn)動特性，能有效撥開撞擊船頭，提升內(nèi)河航道圓柱形橋墩的防撞效果，實現(xiàn)了對橋墩和船舶的有效保護(hù)。該種橋墩防撞套箱整體呈曲面圓環(huán)形，斷面呈橢圓形，采用抗沖擊性能較好的鋼－聚氨酯夾層材料制造，表面光滑，可轉(zhuǎn)動和隨水位浮動，有利于適應(yīng)不同的船頭高度，碰撞時容易撥開船頭，回避或減弱了撞擊力，提升了整體防撞性能，可工廠化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，裝配化安裝，是橋墩防撞理念和方法研究的一次新突破。

設(shè)計一件高品質(zhì)的“鐵布衫”

內(nèi)河航道具有水位變化大、航道寬度余量小、船型多樣、漂浮物多、水流速快且方向不穩(wěn)定的特點。傳統(tǒng)的內(nèi)河航道主要靠防撞設(shè)施吸收撞擊能量的橋墩防撞設(shè)施，在船舶撞擊后修復(fù)或更換難度大，費用較高。因此，項目提出了以防撞箱轉(zhuǎn)動撥開船頭，將船的動能大多保留在船上，回避或減弱撞擊為主的防撞新理念，研發(fā)一種整體呈曲面的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，可隨水位浮動和轉(zhuǎn)動的橋墩防撞浮箱。該種防撞裝置是目前國內(nèi)外最接近“三不壞”原則的防撞浮箱。

以防撞箱轉(zhuǎn)動撥開船頭的防撞原理研究

目前，橋墩防撞套箱的共同點是箱體不能轉(zhuǎn)動，防撞原理主要靠箱體變形來吸收撞擊能量。這導(dǎo)致碰撞過程中，防撞箱及船舶都受到較大損傷，修復(fù)難度大，也帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。項目提出了以防撞箱轉(zhuǎn)動來撥開船頭的防撞原理和方法，將橋墩防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計為整體呈曲面圓環(huán)形、斷面呈橢圓形的新型防撞浮箱，適用于內(nèi)河航道橋墩防撞，最大程度緩解各種船頭的撞擊。

采用鋼-聚氨酯夾層板材料制造防撞浮箱

文獻(xiàn)顯示，美國海洋戰(zhàn)爭中心研究了夾層板與普通鋼板的沖擊對比試驗，夾層板的抗沖擊性能遠(yuǎn)高于普通鋼板。鋼-聚氨酯夾層板具有結(jié)構(gòu)簡單、抗疲勞性能好、剛度大、強(qiáng)度高、減振緩沖性能好、重量輕、制造方便等特點，適用于防撞浮箱的制造。項目采用鋼-聚氨酯夾層板制造橋墩浮箱，可進(jìn)一步提高防撞箱的抗撞擊性能。由于防撞箱本身剛度和強(qiáng)度的提高，可減少內(nèi)部大量的加勁肋和型鋼支架，節(jié)省鋼材用量。

鋼-聚氨酯防撞浮箱動力碰撞模擬計算

項目采用顯式動力瞬態(tài)非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了船舶撞擊橋墩的仿真模型，分析了不同聚氨酯厚度、不同鋼板厚度、不同外形尺寸條件下的防撞套箱的抗沖擊性能。聚氨酯層具有明顯的彈性，通過聚氨酯層的彈塑性變形能有效延長船舶和浮箱的接觸碰撞時間、消耗轉(zhuǎn)移船舶初動能、有效降低碰撞力峰值。改變內(nèi)、外層鋼板厚度能明顯改變鋼-聚氨酯浮箱的整體剛度，影響船舶和浮箱的接觸碰撞時間及碰撞力峰值。夾層材料的彈塑性變形，可以在碰撞過程中使得船舶動能得到有效緩沖消耗，降低或避免橋墩與船舶的撞擊破壞。采用鋼-聚氨酯夾層材料制造的橋墩防撞浮箱，能夠有效地發(fā)揮其抗沖擊、耐撞擊的防撞耗能作用。

鋼-聚氨酯防撞浮箱等效靜力碰撞模擬

項目通過研究撞擊過程中船舶撞擊力和速度的變化，分析了船舶、防撞套箱、橋墩之間的能量轉(zhuǎn)換及受力變形。鋼-聚氨酯防撞浮箱具有良好的受力性能，在等效靜力荷載作用下，其應(yīng)力、位移值均在合理范圍，能有效提升整體防撞性能。

全新的橋梁防撞浮箱

項目通過理論研究、動力碰撞及靜力仿真模擬計算、工程驗證等手段，對鋼-聚氨酯夾層板曲面結(jié)構(gòu)橋墩防撞浮箱進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了多項技術(shù)創(chuàng)新成果。項目研發(fā)了一種整體呈曲面圓環(huán)形、斷面呈橢圓形的新型橋墩防撞浮箱，適應(yīng)于內(nèi)河圓柱形橋墩防撞，可工廠化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，模塊化安裝。

研究人員首次采用抗沖擊性能好的鋼-聚氨酯夾層材料板制造橋墩防撞浮箱，提高了整體防撞性能，且提出了具有可浮動、可轉(zhuǎn)動特性的防撞浮箱結(jié)構(gòu)體系，能有效撥開撞擊船頭，提升了防撞效果，實現(xiàn)了對船舶和墩身的有效保護(hù)。

該種新型的橋墩防撞浮箱在碰撞時容易轉(zhuǎn)動撥開船頭，可節(jié)省內(nèi)部大量的加勁肋和型鋼支架。與同類鋼防撞箱相比，防撞性能可提高3倍，鋼材用量減少30%以上，工程造價相當(dāng)，可工廠化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，裝配化安裝。與國內(nèi)外同類技術(shù)比較，研究成果具有明顯的先進(jìn)性、科學(xué)性、使用性。

防撞原理不同

傳統(tǒng)的防撞設(shè)施吸收大部分的撞擊能量，新型防撞浮箱利用了圓環(huán)型防撞套箱的可浮動、可轉(zhuǎn)動特性。項目研究總結(jié)了套箱撥開撞擊船頭的防撞新理論，撞擊時容易撥開船頭，將船的動能大多保留在船上，回避或減弱了撞擊力，在撞擊過程中能有效保護(hù)橋墩。

制造材料不同

傳統(tǒng)防撞套箱采用鋼材制造，需焊接大量的加勁肋和型鋼支架提升套箱的剛度和強(qiáng)度，而項目采用了抗沖擊性能好的鋼－聚氨酯夾層材料板制造，可提高整體的防撞性能。

防撞箱構(gòu)造不同

傳統(tǒng)防撞套箱形狀、結(jié)構(gòu)多樣化，新型防撞套箱整體呈曲面圓環(huán)形，斷面呈橢圓形，提高了防撞箱本身剛度和強(qiáng)度，減少內(nèi)部焊接大量的加勁肋和型鋼支架，減輕了自重，進(jìn)一步豐富發(fā)展了圓柱形橋墩防撞理論體系。

廣東省清遠(yuǎn)市陽山縣水口大橋工程應(yīng)用

新會小岡大橋工程應(yīng)用

制造安裝工藝不同

傳統(tǒng)鋼防撞套箱鋼材用量大，現(xiàn)場焊接工作多，新型防撞套箱可工廠化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，模塊化安裝。

新型曲面形防撞套箱可以安裝在原墩柱上，也可以安裝在另增設(shè)的防撞樁上，是一種內(nèi)河航道上性價比高，適應(yīng)性強(qiáng)的橋墩防撞設(shè)施，具有廣泛應(yīng)用推廣前景。

橋梁無懼船撞

項目的研究成果已在兩座實橋防撞工程中得到應(yīng)用。

2014年3月成果應(yīng)用在廣東省清遠(yuǎn)市陽山縣水口大橋的橋墩防撞工程。根據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)單位反映，平均每年有4艘至8艘載砂船撞擊大橋，而該防撞設(shè)施很好地保護(hù)了橋墩。2016年4月成果應(yīng)用在廣東省省道271線新會小岡大橋的橋墩防撞工程，過去兩年，橋墩防撞設(shè)施避免了數(shù)次橋墩被撞事故。

實施效果表明，內(nèi)河航道具有水位變化大、航道寬度余量小、船型多樣、漂浮物多、水流速快且方向不穩(wěn)定的特點。項目研究成果可用于內(nèi)河航道上圓柱形橋墩的防撞，防撞效果好、性價比高，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。