桥梁防船撞设施对比分析综述

骆溯源

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

桥梁防船撞设施对比分析综述

骆溯源

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

本文介绍了国内外近几十年常采用的防止船舶撞击航道上的桥梁墩柱的几种防撞设施，通过在冲击动力学、材料特性、耗散能量和经济环保几个方面进行对比分析，并提出更为可靠、更为经济的防撞方案。

航道；桥梁；船撞；设施

一、前言

桥梁为跨越人工或者自然障碍而修建的建筑物。伴随着社会经济的迅速发展，交通运输也发展迅猛，跨越江河之上的桥梁也如同雨后春笋般修建起来。水运较陆运和空运来说，运费相对较低，因而导致航道中的大型运输船舶较多。这就不得不面临一个问题，这些在航道上修建的桥梁因为地质条件、经济、环境保护和人与自然的协调发展等一系列原因，很难做到水中无墩，即一跨越过航道，不侵占通航空间。船舶在航道中航行，由于复杂的水文条件、天气、驾驶人员的操作水准以及狭小的通航空间等因素，很难保证船舶不会撞上桥梁的墩柱，对桥梁结构造成损害。在近几十年中，国内外发生了很多次船撞事故，船撞事故的发生造成了很大的人员伤亡和不可估量的经济损失，更有甚者对环境造成了破坏。为了防止船撞事故的发生，国内外工程师们采用了很多防止桥梁船撞的设施，常见的有钢材、混凝土和柔性防撞设施。

二、冲击动力学

冲击动力学主要分析研究结构应力波效应和材料的应变率效应。根据爆炸冲击应力波理论，船舶撞击防撞设施和桥梁墩柱的过程主要是一个能量转换的过程。应力波的传播特性主要受结构形式和材料动态的本构关系的影响。宁波大学王礼立教授通过对应力波传播特性的分析，演算出了船舶撞击桥梁墩柱界面上的应力以及指点速度公式[3]：

式中：v-船舶初始速度；(ρ0Cwe)s和(ρ0Cwe)b为船舶和桥梁结构的广义波阻抗，ρ0为材料密度，Cv为材料应力波波速；ns-b为船舶的波阻抗与桥梁的波阻抗之比。

将上式推广到有防撞设施的桥梁上，可以发现，当降低防撞设施的密度或降低材料的波阻抗可以有效降低船舶撞击桥梁结构的撞击力，对保护桥梁结构安全起到积极的作用。

三、材料特性

防撞设施材料的密度减小的幅度有限，设施通过减小碰撞时的应力波波速是可行的途径。柔性防撞设施以FRP防撞浮箱为代表。FRP复合材料为各向异性的黏弹性材料，其动力学特性对应变率的敏感性通常比金属和混凝土更为敏感[4]。区别于弹性材料，FRP复合材料加载与卸载应力应变曲线是不重合的，存在一定的应力滞后，加载卸载形成的不闭合应力应变曲线则为滞回曲线，反应了材料的黏性耗散性能。下表1列出了三种材料的材料特性。

表1 材料特性表

表中可以看出FRP防撞浮箱结构材料的完全弹性阶段的波阻抗分别为钢材的十分之一和混凝土的二分之一。因此，就材料来说，选用FRP复合材料防撞浮箱比钢材防撞设施和混凝土防撞设施有更好的防撞效果。与此同时，波阻抗与防撞结构的柔性系数成负相关。因此，FRP防撞浮箱结构具有更大的柔度，对比《铁路桥涵设计基本规范》桥梁结构也可以获得较小的防撞力，FRP防撞浮箱具有更好的耗能特性。

四、耗散能力

船舶碰撞桥梁过程，其本质源于冲量和动量定理，通过设置防撞设施，延长碰撞时间，使其碰撞力传递到桥梁结构上大大减少。碰撞过程主要涉及到能量的转换，主要涉及到的能量为动能、内能、摩擦滑移能和沙漏能。能量交换过程又分为船舶与防撞设施的能量交换以及防撞设施与桥梁墩柱的能量交换。

如若不考虑水体的动能，则系统的初始能量为船舶的动能，在与防撞设施碰撞过程中对防撞设施做正功，船舶保留一部分动能，同时自身产生内能，这个内能包括船舶的变形能与摩擦能，剩下的能量传递给防撞设施，使防撞设施具备动能以及内能，内能同样包括防撞设施的变形能和摩擦能。如同船舶撞击浮箱一样，防撞浮箱在保留一部分动能的同时，将剩余动能传递给桥墩。这部分桥墩获得的能量为整个过程的有效功，系统的总能量与有效功的差值则为浮箱的耗能，数值上等于系统的摩擦滑移能与防撞设施总能量之和，理解为在防撞设施的作用下整个系统的防撞耗能。

船桥碰撞的过程是一个船舶与桥梁在短时间内进行能量交换和转换的动力学过程。而应力波的船舶则是导致能量交换和转换的驱动力。在应力波的传播过程中船舶与桥梁结构并不是立即整体地进行能量交换，而是各自在波阵面后方的那部分质量参与了能量交换，应力波尚未达到的部分仍保持原始状态。随着应力波向更远的范围传播，涉及到的质量也不断增加。故应力波波速越快，参与能量交换的质量范围也就越大。

五、经济环保

钢材和混凝土等刚性防撞设施，当船舶撞上时，很容易将其撞坏，也会使船舶受损较为严重。即便设置较大的抗力，随之而来将是防撞设施体积和质量的增大，使原本有限的航道空间变得更为狭小。同时，由于刚性材料弹性模量较大，变形后自恢复能力较差。在经受第二次撞击时，抗力大大减少。当造成破坏时，会侵占航道，造成航运堵塞，对环境不利，经济损失较大，不可循环使用；FRP防撞浮箱等一系列柔性防撞设施，可循环使用，不仅对环境影响较小，更能增加桥梁美感，并且在同等条件下，船舶受损较小，船身所受的破环性得到尽可能大的削弱，柔性防撞更为环保，更为经济。更符合和谐社会的发展需要。

六、结论

本文就钢材、混凝土以及以FRP防撞浮箱为代表的柔性防撞设施在以上几个方面做了对比分析。经分析，柔性防撞设施，更加经济环保，更为符合和谐社会的发展。符合“三不坏”的防撞设计理念。因此，柔性防撞设施应作为桥梁船撞防撞设施的主流。

[1]中交公路规划设计院.JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004

[2]铁道第三勘察设计院.TB10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[3]王礼立，陈国虞，杨黎明.船桥碰撞过程引发的冲击动力学论题[J].振动与冲击.2015，34(3)：14-22

[4]张锡祥，巫祖烈，杨忠，等.高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践[J].重庆交通大学学报.2011，30(2)：1224-1232