淺談橋墩抗船撞能力評估及防撞方案研究

摘要 橋墩與船舶碰撞事故時有發(fā)生，為評估已建橋梁橋墩的防撞性能，指導(dǎo)橋墩防撞設(shè)計方案，該文以長江某橋5～7號橋墩為研究對象，通過MIDAS Civil有限元軟件建模，分別模擬不同水位下橋墩在順橋向及橫橋向受到1MN的水平力作用時，在橋墩危險截面處產(chǎn)生的最大內(nèi)力，根據(jù)數(shù)值結(jié)果，指導(dǎo)橋墩防撞設(shè)計。

關(guān)鍵詞 橋墩危險截面；船舶撞擊力；有限元；復(fù)合材料

中圖分類號 U443 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0176-03

0 引言

國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1960—2019年間，世界范圍內(nèi)發(fā)生了37起由船撞引起的橋梁倒塌或重大損毀事件，平均每年都會因船撞造成1座大型橋梁的倒塌或損毀，事故不但會對橋墩造成破壞，降低其承載能力，甚至造成橋梁倒塌，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的政治影響。因此，有必要評價既有和新建大橋的橋墩抗船撞性能，如果橋墩抗船撞性能不強，則需要依據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行合理的抗船撞設(shè)計。

2020年4月，交通運輸部與國家鐵路局、國鐵集團(tuán)聯(lián)合發(fā)布了《船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動實施方案》（交辦水〔2020〕69號），全面排查和治理船舶碰撞橋梁安全隱患，建立健全防范化解安全風(fēng)險的長效機制，堅決防止重特大事故發(fā)生。在此背景下，該文針對已建成的長江某橋5～7號橋墩進(jìn)行橋墩抗船撞能力研究。

該橋是一座跨越長江的特大型橋梁，橋位所在河段目前航道等級為Ⅲ級，道路等級為Ⅰ級，于2007年5月正式建成通車。該橋最低通航水位為242.74 m，最高通航水位為263.38 m。主橋全長544 m，為（146 m+252 m+146 m）連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁全長1 092.8 m，寬15.5 m，共22孔。該橋5號、6號主墩采用雙薄壁柔性墩，5號墩基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)；7號交界墩為空心薄壁墩，6、7號墩基礎(chǔ)為承臺接群樁基礎(chǔ)。

該文針對該橋主通航孔的5～7號橋墩進(jìn)行抗撞能力評估，按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行建模[1，2]，計算橋墩危險截面處能夠承受的最大內(nèi)力，繼而推算出5、6號墩受到5 000噸級、7號墩受到3 000噸級船舶橫向及縱向撞擊時所能承受的最大撞擊力，根據(jù)計算結(jié)果對橋墩的抗撞能力進(jìn)行評估，并設(shè)計合理的防撞措施。

1 橋墩抗撞性驗算

1.1 橋墩在單位水平荷載下的受力分析

以5～7號墩為研究對象，利用MIDASCivil程序建立了橋墩順橋向和橫橋向受到1 MN水平荷載時，其危險截面的最大內(nèi)力。

模型中主梁與主墩采用剛性連接進(jìn)行模擬，主梁與交界墩采用彈性連接及剛性連接進(jìn)行模擬，樁基采用節(jié)點彈性支承來模擬樁土相互作用，土里的部分均根據(jù)地層狀況進(jìn)行土彈簧約束，樁基與橋墩之間采用剛性連接模擬。荷載方面，考慮了結(jié)構(gòu)自重、二期恒載（橋面鋪裝、欄桿等）、汽車荷載和船撞力，橋墩的船撞抗力計算荷載組合按（1.0自重+1.0二期恒載+0.4車輛+1.0船撞力）取值。

計算結(jié)構(gòu)抗力時，由于受水平力的位置不同，對結(jié)構(gòu)本身的極限船撞力也有很大影響。計算過程中選取組合（自重+二期恒載+車輛+船撞力）中最不利的工況。該橋最不利截面選取如下：墩截面、樁截面、擴(kuò)大基礎(chǔ)截面。按配筋條件，對墩柱截面進(jìn)行抗彎及抗剪承載力驗算，在相同水位上施加不同的水平作用力，直到橋墩（或樁基）不再滿足自身強度要求時為止，則所施加的水平力即是該橋墩在此水位下的自身極限船撞力。

按照規(guī)范要求，撞擊力著力點選在水面以上2 m處。該文分別選取高、中、低水位進(jìn)行計算。計算結(jié)果見下表1。

1.2 船舶撞擊力

根據(jù)《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-02—2020）[2]中5.1-3節(jié)針對輪船的設(shè)防船撞力的計算規(guī)定，并結(jié)合該地區(qū)代表船型及航行速度計算船舶撞擊力，計算值詳見表2。

2 防船撞方案研究

分析表明，由于枯水期P5及P7號墩不涉水，該研究不予考慮，中洪水位期P5及P6墩抗撞力差不超過10%；高洪水位期，P5橋墩自身抗力滿足要求，P6及P7墩抗力差分別為17.6%、64.9%。部分水位橋墩下船舶撞擊力已經(jīng)超出了橋墩本身所能承受的極限，為了確保橋墩的安全，削減船舶撞擊力，需要在橋墩上設(shè)置防撞裝置。

2.1 防船撞設(shè)計

根據(jù)橋梁自身結(jié)構(gòu)、設(shè)防代表船型，并結(jié)合防撞設(shè)施自身結(jié)構(gòu)自重、船舶碰撞力及經(jīng)濟(jì)適用性等情況，最終選定設(shè)置浮動式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，當(dāng)發(fā)生船舶失控撞擊橋墩，防撞設(shè)施通過自身結(jié)構(gòu)的緩沖消能，降低船舶撞擊力，達(dá)到船橋雙保護(hù)的目的。浮動式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施內(nèi)側(cè)設(shè)置拱形橡膠護(hù)舷，采用螺栓與支座連接，橡膠護(hù)舷表面安裝低摩擦系數(shù)PE材料耐磨板。

防撞設(shè)施整體采用多組分復(fù)合受力結(jié)構(gòu)，防撞設(shè)施主要結(jié)構(gòu)為加強型鋼板，其耐撞性較強。同時，在防撞設(shè)施的外側(cè)，還采用了高強度的纖維增強復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上，該項目提出在高強度纖維增強復(fù)合材料中添加氧化石墨烯（GO）的催化作用，從而提高該體系的整體抗撞性和減震耗能能力。另外，該材料還具有良好的耐腐蝕性，在水域無維護(hù)條件下可長期工作。

這種鋼－復(fù)合材料夾層浮式防撞裝置能夠隨水位上下起浮，因此其本身的型深可以不必過大，可以減少水的阻隔面積及材料用量，適合于水位相差很大，水流環(huán)境比較惡劣的工程。它由鋼材、復(fù)合材料夾層板，阻尼元件以及一些舾裝件等構(gòu)成，其主體結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外圍壁、底板、上甲板、下甲板、縱橫艙壁、橫艙壁等板架構(gòu)件組成，每個設(shè)施主體都有幾個水密區(qū)域，里面有壓艙物，可以調(diào)節(jié)防撞設(shè)施的漂浮狀態(tài)，該裝置還使用了可以避免防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)損壞下沉的技術(shù)，因此降低了未來的維修費用。在一般條件下，浮箱處于正向浮動狀態(tài)。為便于在水面上進(jìn)行安裝，浮動箱分前后兩塊，圍套在橋墩上，并用高強度螺栓將其連接為一體。

船舶碰撞后，無論處于通航高水位還是低水位，都會先與防撞設(shè)施相撞，而設(shè)施則會利用其自身的變形來抵消船舶動能。在碰撞過程中，加筋板結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料夾層板和阻尼元件發(fā)生變形，并通過材料失效來吸收一部分動能，而復(fù)合材料夾層板對船體的外部推力又會促使船體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿著防撞設(shè)施外緣滑行，將多余的動能帶走，進(jìn)而降低了傳遞給橋墩的作用力。防撞設(shè)施主要特點如下：

（1）能量傳遞：通過改變碰撞時刻的撞擊力，改變船體移動方向，利用水流將船舶從橋墩上推離，沿防撞設(shè)施外側(cè)滑動，將大部分動能帶走，大大降低了“船—橋”撞擊時的能量轉(zhuǎn)換效率。

（2）柔性防撞：其內(nèi)部截面設(shè)置了耗能板，增強了防撞設(shè)施的整體緩沖耗能能力。復(fù)合材料又具有各向異性的特點，能夠最大效能發(fā)揮變形吸能作用。

（3）防腐蝕性能好、耐磨損、耐久性、耐撞性、抗疲勞性能優(yōu)異，性能價格比高：鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施防腐蝕涂層，耐腐蝕性能好，具有較長的使用壽命，維護(hù)量小可以經(jīng)受小船多次沖擊，變形后可以自動恢復(fù)。

（4）容易替換：該防撞體系由各個獨立防撞節(jié)段組成，單位段受損后檢修和更換容易。

（5）所采取的防沉技術(shù)，能夠防止防撞裝置破損沉沒。

（6）橋墩的大小形狀對其影響不大，其尺寸可大可小。

（7）對航道影響不大。

（8）采用分段施工、現(xiàn)場組裝的方法，便于生產(chǎn)、運輸機現(xiàn)場安裝。

2.2 防撞設(shè)施消能效果分析

由于防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜，撞擊過程中設(shè)計多種材料的變形受力，為準(zhǔn)確計算防撞設(shè)施消能效果，采用仿真軟件，通過對船－橋結(jié)構(gòu)精確建模，在虛擬條件下模擬船撞橋過程，從而獲得了船－橋碰撞的撞擊力時程曲線，以及橋梁等動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

根據(jù)橋墩抗撞性能驗算結(jié)果，分別計算各橋墩最不利工況在加裝防撞設(shè)施后的響應(yīng)。計算工況詳見表3。

通過比較該橋裸撞工況的撞擊力、橋墩基礎(chǔ)抗力、加裝防撞設(shè)施工況的撞擊力，驗證防撞設(shè)施的消能效果和橋墩抗撞能力的提升。

其中，P5、P6墩安裝防撞設(shè)施后，船撞力均低于墩柱的抗力，P7墩在安裝防撞設(shè)施后在正撞條件下不滿足，而在側(cè)面撞擊時滿足。為避免過往船只偏航影響橋墩安全，在P7墩處增加主動預(yù)警系統(tǒng)或者其他相關(guān)的警示裝置。計算工況詳見表4。

3 主動預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點以及通航凈高、凈空、航道等級等參數(shù)，船舶存在偏離航道行駛、過橋速度超速等安全風(fēng)險時，需進(jìn)行必要的預(yù)警和指導(dǎo)，防船撞預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要由四大模塊實現(xiàn)：船舶信息探測及收集部分、多源信息綜合處理部分、告警提示及控制部分、顯示及后臺管理部分。橋梁防船撞主動預(yù)警系統(tǒng)采用航道專用監(jiān)控攝像機設(shè)備，對橋區(qū)水域航行船舶的位置進(jìn)行實時探測并連續(xù)跟蹤，結(jié)合橋區(qū)的電子海圖、AIS信息、航行要求和用戶設(shè)置的告警規(guī)則，可采用人工智能算法對船舶航行行為進(jìn)行評估，對船舶偏離航線、航速速度過快或過慢、淌航、掉頭、橫越、通航橋孔內(nèi)追越或并列行駛等危險情況，自動向船舶駕駛員發(fā)出告警信息。

系統(tǒng)告警方式采用VHF電臺、LED警示屏、短信提示等多種手段相結(jié)合，對船舶駕駛員進(jìn)行危險提示，減少事故發(fā)生的概率。系統(tǒng)為用戶提供以電子海圖為背景的橋區(qū)水域船舶航行態(tài)勢圖，管理人員可以一目了然掌握整個水域船舶航行情況，管理人員可以在海圖上設(shè)置多個警戒區(qū)和多種告警規(guī)則，當(dāng)有船舶觸發(fā)告警規(guī)則后，系統(tǒng)自動向管理人員發(fā)出警告信息。

主動預(yù)警系統(tǒng)主要功能包括：

（1）船舶偏離航道預(yù)警；

（2）橋區(qū)超速航行報警；

（3）助航信息自動發(fā)布（如能見度）；

（4）圖像監(jiān)控及拍照取證；

（5）聲光預(yù)警功能；

（6）數(shù)據(jù)查詢及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能；

（7）模擬航標(biāo)功能；

（8）電子圍欄功能。

船舶偏離航道預(yù)警：系統(tǒng)在橋梁檢測區(qū)域設(shè)置AIS傳感器探測船舶是否越界通航，系統(tǒng)如果探測到船舶越界航行，將通過語音對講系統(tǒng)向船舶及時發(fā)出報警信號，LED屏同步播放對應(yīng)船舶偏航提示，并記錄相關(guān)偏航數(shù)據(jù)。

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）：配合全球定位系統(tǒng)（GPS）獲取船位、航速、變向速度和航向等船舶動態(tài)結(jié)合船名、呼號、吃水和危險貨物等船舶靜態(tài)信息。利用船舶AIS提供的位置信息對船舶行駛位置進(jìn)行判斷其是否偏航。具有距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、不受天氣影響的優(yōu)點。

橋區(qū)超速警告：該系統(tǒng)接受船舶的AIS信號采集到進(jìn)入橋區(qū)所有船舶的速度數(shù)據(jù)，當(dāng)超過規(guī)定的安全航速時，會通過VHF語音通話系統(tǒng)給船只發(fā)出警告信息，LED屏同步播放對應(yīng)船舶超速提示，并記錄相關(guān)超速數(shù)據(jù)。

助航信息自動發(fā)布：系統(tǒng)通過VHF自動向駛?cè)霕騾^(qū)水域的船舶發(fā)布各種海事管制信息，如施工信息、水位信息、通航凈高、能見度、航道安全提示等，這些信息幫助船舶駕駛員更好地了解航道通航情況。

圖像監(jiān)控及拍照取證：系統(tǒng)根據(jù)需要在橋區(qū)范圍安裝航道專用監(jiān)控攝像機，全天候監(jiān)控橋區(qū)的通航情況，監(jiān)控范圍包括橋梁兩側(cè)航道及橋下通航區(qū)域。管理人員可以在網(wǎng)絡(luò)連接順暢的情況下在任何地點了解橋區(qū)的通航情況。

聲光預(yù)警功能：現(xiàn)場總控單元通過AIS解碼數(shù)據(jù)，檢測船舶是否進(jìn)入橋區(qū)，通過VHF語音與LED警示屏顯示提醒進(jìn)入橋區(qū)的船舶注意行駛安全。

數(shù)據(jù)查詢和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能：每一次報警的時間、視頻資料、過往船只的資料都會被系統(tǒng)儲存起來，管理員可以在必要的時候，通過管理云端平臺查看、統(tǒng)計和打印數(shù)據(jù)。

模擬航標(biāo)功能：通過AIS系統(tǒng)將橋梁的墩臺和危險位置發(fā)送給鄰近的船只，當(dāng)路過的船只接近該虛擬標(biāo)點時，AIS就會發(fā)出警報，提示船員注意安全。

電子圍欄功能：在防撞管理平臺對橋梁附近水域設(shè)置電子地圖進(jìn)行規(guī)劃，形成電子圍欄區(qū)域，如果船舶進(jìn)入電子圍欄區(qū)域，系統(tǒng)將自動向進(jìn)入圍欄的船舶發(fā)出警告，確保大橋的安全。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)該橋5～7號橋墩的實際尺寸及配筋計算得出，在最不利條件下，5號墩在中水位時由橋墩抗剪控制，6號墩在高水位時由樁基抗彎控制，7號墩在高水位時由橋墩抗彎控制。

（2）撞擊橋墩所產(chǎn)生的撞擊力，5號墩為52.2 MN，

6號墩為55.8 MN，7號墩為33.6 MN，在高水位情況下，均超過橋墩的極限抗撞能力。

（3）設(shè)置鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施后，可以有效地降低船撞力，確保橋墩的安全性。

（4）通過設(shè)置主動預(yù)警設(shè)施，可對來往船只駕駛員進(jìn)行危險提示，減少事故發(fā)生的概率。

參考文獻(xiàn)

[1]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]公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：JTG 3363—2019[S].北京：人民交通出版社股份有限公司， 2019.

收稿日期：2024-09-02

作者簡介：吳昀澤（1994—），男，本科，助理工程師，研究方向：橋梁設(shè)計。