桥梁防船撞措施研究进展综述

沈自力

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

桥梁防船撞措施研究进展综述

沈自力

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要近年来出现了一些光电预警主动防撞系统，以及复合材料的新型防撞装置。文中根据桥梁防撞装置的最新研究进展，介绍了主动防船撞系统的研究概况，重点对被动防撞装置进行了系统的分类和评述，分析了不同类型防撞装置的性能特点以及适用环境，提出了不同通航等级下，如何选择桥梁防撞装置的一些思路。

关键词桥梁船舶防撞装置

随着交通运输行业的不断发展以及跨海、跨江大桥越来越多，桥区通航船舶吨位和通航密度也不断上升，受船舶撞击而诱发的桥梁垮塌事故正在日益增多，因此开展桥梁防撞设施的研究，加强桥梁的防撞保护具有重要的意义。根据1847～1975年间世界各地的143例桥梁垮塌事故原因的统计，由于船舶撞击导致的各大类型桥梁垮塌事故占据了垮塌总数的第三位。在国内桥梁船舶撞击事故也是时有发生，比如，广东九江大桥“6·15”事件。碰撞事故不仅降低桥梁的使用寿命、安全性、抗震能力,甚至会造成桥毁人亡的重大惨剧。鉴于船桥碰撞问题的严重性，目前世界各国和地区已针对该课题进行了大量的研究。现有的船桥碰撞问题研究方法主要有经典的Minorsky方法、汉斯-德鲁彻理论、沃辛理论、各种简化解析方法、简化内部机理的数值解法、实验方法和有限元法。除了对船桥碰撞机理的研究，针对船桥碰撞这种特殊情况的研究也体现在桥梁防撞设施的设计研究上,其主要根据桥墩的自身抵抗能力、桥墩的外形、水流的速度、通航船舶类型等多方面因素综合考虑。桥梁防撞装置的分类方法有很多种[1]，本文从主动防撞、被动防撞的角度对桥梁防撞设施进行分类，并介绍了几种国内常用的主动防撞和被动防撞设施，分析其性能特点和适用条件，以期对如何选择合适的桥梁防撞装置提出一些思路和建议。

1光电预警系统桥梁主动防船撞系统

在早期，对桥梁的防撞都是着眼于如何降低船撞的威胁或者是减小船桥相撞对桥墩和船舶的损害，是属于被动防撞范畴，其设计理念是通过对桥墩自身的加强或防护设施来降低船舶撞击的威胁和损害。通过对历年船撞桥事故的统计分析，发现导致船撞桥事故主要有3方面因素[2]：①人为因素导致的事故率为64%；②机械故障导致的事故率为21%；③自然环境因素导致的事故率为15%。人为因素是导致船桥相撞的罪魁祸首，而桥梁主动防撞系统可以很好地降低人为因素所导致的船桥相撞事故率。因此，有必要对船舶的航行管理和航行轨迹进行干预，减小船舶撞击桥梁的概率，避免恶性船撞桥事故发生，这就是桥梁主动防撞概念。随着特大桥梁的建设以及国家对桥梁防撞的重视，光电预警系统的桥梁主动防撞研究得到了迅猛发展。

徐言明等[3]利用船舶操纵理论和与船间水动力干扰相关理论建立了船间临界失控水动力干扰模型，并据此建立了桥墩主动防撞系统，将桥墩由被动结构防船撞转变为主动非结构防船撞。张慧哲等[4]在2011年提出了基于视频监控技术的桥梁防撞系统，通过摄像机的递次架设及视频分析技术对目标船舶进行实时、准确的监控。王淑等[5]提出了航道桥梁主动防船撞预警系统，利用光电复合获得航道船舶信息后，利用基于EMD的时序分析和ARMA时序建模技术建立实时修正的船舶航迹数学模型。云霄等[6]提出了红外/可见光图像序列开展自适应融合船舶跟踪算法，克服了基于单传感器主动监视受限于气候等观测条件的局限性，得到了较好的跟踪结果。之后，力拓桥科利用成像系统采集的图像技术自动地提取和识别相应目标，它模拟人眼和大脑对景物环境进行感知、解释和理解[7]，开发了桥梁光电式预警系统主动防撞装置。该方法突破了桥梁防撞在船舶和土木、桥梁工程方面的局限性，充分利用了光电探测和信息融合领域的全新技术手段，以图像处理的方式进行目标识别，完成了从发现、监视到报警的三级立体监控预警体系，具有定位精度高、抗干扰能力强和实时性好的特点。因此对于比较重要、通航量非常大的桥梁有必要安装光电式预警系统防撞装置，以大量减少桥船碰撞事故的发生。

2桥梁被动防船撞设施

由于主动防船撞装置无法完全避免船舶撞击的发生，故被动防撞系统在桥梁防撞领域有着不可替代的作用。被动防撞装置有护舷方式，绳索方式，木结构，混凝土结构，钢结构，新材料，重力式，桩方式，沉箱式，人工岛方式等，目前在国内使用得较多的防撞装置有护舷方式、防撞套箱和群桩式。以下重点对这3种方式进行介绍和分析。

2.1　防撞护舷

橡胶护舷是使用得比较多的一种护舷防撞方式，目前世界各国采用的橡胶护舷主要有：压缩型、充气型、剪切型、转动型及水压型5大类。我国各港口采用的护舷大部分为压缩型和橡胶浮筒。但橡胶护舷存在着高温易老化的缺点，在安装上也存在诸多不便，如果采用预安装，容易造成安装不精准，如果在桥墩完成之后进行打孔安装，则容易损伤桥墩墩体。随着新型材料的开发，力拓桥科开发出了纤维复合材料(KFR)护舷，通过“自适应”曲面的施工工艺，避免预埋件带来的安装不便以及橡胶容易高温老化的问题。

防撞护舷的优点是结构简单，维修费用低，作为直接抵御船舶撞击的防撞设施，在受到小吨位船舶撞击时防护效果不错。但对于大吨位船舶的撞击却无法满足吸能要求，如鼓型H800护舷，所能承受的最大撞击力为460 kN，如果撞击船舶吨位为1 000 t，撞击速度为1.85 m/s，所产生的撞击力可以达到7 MN左右，橡胶护舷不能抵御这种吨位船舶的撞击。此外，当水位落差比较大的情况下，桥墩上需要安装的护舷就比较多，费用较高。

2.2　消能防撞套箱

消能防撞套箱是目前国内使用的最多的一种桥梁防撞装置，主要依靠套箱的塑性和弹性变形来吸收船舶撞击能量，因为套箱具有一定的刚度，从而延长了撞击时间，减小了传递到桥墩上的撞击力。从结构形式上，可以分为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适用于桥区水位变化不大的桥梁，浮式消能防撞套箱则适用于桥区水位变化幅度较大的情况。从材料组成上，可以分为钢套箱、KFR复合材料防撞套箱和LTPU复合材料防撞套箱。下面将从材料组成上对以上3类套箱进行详细描述。

2.2.1钢套箱

普通钢套箱主要由加筋板、舾装件和阻尼元件组成，普通钢套箱具有结构简单、生产和安装便利、撞击后易于修复，适用范围广等诸多优点。通过合理优化钢套箱结构，选择最佳的板厚和尺寸以及吸能阻尼元件设计，可以很好地吸收船舶撞击动能、延缓撞击时间，减小使桥墩受到的撞击力，极大地提高钢套箱的吸能效果和防护性能[8]。

2.2.2纤维复合材料消能防撞套箱

由于单纯钢材单位材料吸能率较低,随着复合材料在桥梁防撞工程的应用推广，力拓桥科开发了高分子缓冲吸能材料和KFR复合材料组成的自浮式复合材料消能防撞套箱。该新型复合材料具有密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型的特点。其吸能效果可以达到60%～80%，最大程度地减小船舶对桥墩的撞击力并保护船舶。与玻璃钢相比，在相同的防护情况下，用KFR复合材料时重量可以减少一半，并且KFR复合材料层压薄板的韧性是钢的3倍，经得起反复撞击。但由于KFR复合材料防撞套箱的整体刚度较小，在受到较大的船舶撞击力时自身破坏严重，使后期维护成本较高，因此一般用于撞击船舶载重吨在500 t以下桥墩防撞。

2.2.3LTPU复合材料消能防撞套箱

为了解决钢结构单位吸能率低和KFR材料刚度低的问题，力拓桥科研发LTPU复合材料效能防撞装置。该结构是把吸能弹性体心注入2层钢板之间并与钢板内表层粘接而成的复合材料夹层结构。由于LTPU复合材料夹层结构具有比强度高、比强度大、减振、抗锈蚀能力强、抗冲击性、抗破损性和局部抗弯曲能力优异等特点[9]，已经广泛应用于船舶和海洋平台耐撞性结构上，在各船级社(如CCS，LR，ABS，DNV等)均有相关规定和审批认证。

LTPU复合材料夹层系统和传统的单一使用钢板制作的防撞套箱相比，夹层板套箱由于其更轻质、更耐撞击而具有明显的优势，可以大量预制，不需要太多的桁架支撑，从而大大减少焊接工作量，极大程度增强了抗疲劳性能。并且由于更大的弯曲刚度，减少了板的局部弹性屈曲。夹层板类似于传统的正交异性板方法，但是大大减少了中间的加劲肋；而聚氨酯核心为钢板提供了连续支撑，从而起到了和加劲肋相同的作用[10]。聚氨酯弹性体夹层在受到碰撞冲击载荷时能充分缓冲，吸收能量，提高了防撞设施的耐撞性和吸能效果，能抵抗较大吨位通航船舶的撞击，而且结构形式简单，易于生产安装和维护，虽然相较于其他的防撞装置初始造价较高，但是后续的维修简单，而且能抵御大吨位船舶的撞击，甚至是上万吨的船舶撞击，适合跨海大桥的防撞设计。见图1。此外，针对变截面的桥墩形式，武汉力拓桥科开发出了一种自适应机构浮式消能防撞套箱，并应用于贵广铁路思贤窖特大桥和北江特大桥的双向变截面桥墩。内置的自适应伸缩机构使防撞装置能够满足水位变化上下浮动时桥墩的截面变化，见图2。

a)　普通加筋板

b)　LTPU复合材料夹层系统

图2　自适应机构浮式防撞装置

2.3　桩式防撞装置

对于部分旧桥，特别是薄壁式桥墩，其水平抗力设计值远远小于船撞力，必须采用间接防撞结构将船撞危险抵御在桥墩之外。因此，以前一般是通过在距离桥墩一定距离的地方设置几个混凝土墩来抵御船撞风险，但是此类防撞墩不能有效抵御船舶的侧撞，而且对船的损害极大甚至沉船，如果船只装的是油料或者其他有害化学品，将会产生灾难性的环保事故[11]。针对此类情况，可以采用柔性群桩式防撞装置,见图3。该结构不仅可以极大降低桥墩受撞击的风险，还能极大程度地保护受撞击船舶。而且对于上部结构容易遭受船舶撞击的拱桥，具有极佳的防护作用。防撞装置在受到船舶撞击的整个过程中不会接触到桥墩，可以保护桥墩不受任何损伤，特别适合于桥墩设计撞击力较低的旧桥加固工程。由于防撞装置本身具有很好的柔性，对撞击船舶也可以提供很好的保护，适用于所有类型桥墩和防撞船舶吨级，特别是桥墩自身水平抗力较小的桥梁；但是群桩式防撞装置的缺点是造价昂贵且施工难度较大,而且对通航净空影响较大。

图3　群桩式防撞装置

3结语

防撞装置的选择要兼顾桥梁、水运、航道几方面的利益，对应不同航道等级，通航船舶吨位也不一样，通航船舶吨位是选择防撞装置的一个重要参考因素。近年来出现了光电预警主动防撞系统以及多种复合材料防撞装置，本文从通航船舶吨位和桥墩防撞需求出发，通过对上述几种国内主要的防撞装置性能特点的分析，提出以下建议。

对于通航等级较低的航道，考虑成本问题可以采用KFR复合材料防撞装置。而对于重要的特大桥梁，由于撞击船舶吨位较大，为了能够吸收船舶动能建议采用LTPU复合材料夹层系统防撞装置。而且可以考虑采用光电预警系统主动防撞措施，避免人为失误造成的撞击，进一步保护被动防撞设施和桥梁。对于桥墩自身抗撞能力非常弱的桥梁，如旧桥或薄壁墩，即使防撞设施吸能80%以上仍无法满足抗撞要求，需要考虑间接构造的防撞装置(如柔性群桩)。对于异型桥墩可以采用自适应伸缩机构防撞装置，满足水位变化上下浮动引起的桥墩变截面变化的问题。

参考文献

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[11]陆宗林，王礼力，黄德进,等.一种新型的柔性吸能防撞装置[C].中国公路学会桥梁和结构工程分会2004年全国桥梁学术会议论文集，2004：27-29.

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