大桥防撞拦截体系模型试验

王金权， 陆 勇

（1.宁波市杭州湾大桥发展有限公司，浙江宁波315000；2.上海船舶运输科学研究所，上海200135）

0 引 言

随着大型跨江大桥和跨海大桥逐渐增多，很多可通航水域变成了非通航区域，这无疑提高了船舶在这些区域航行的难度，一旦船舶失控或出现人为失误，很有可能导致船撞桥事故发生。近年来，国内外相继发生多起非通航孔桥墩引发的船撞桥事故（如九江大桥船撞桥事故），造成重大财产损失和不良的社会影响[1]。

与主通航孔桥墩相比，非通航孔桥墩的结构强度通常较弱，自身承载的抗撞力不足，加上大型桥梁的非通航孔桥跨度较大，桥墩容易遭受大型船舶的撞击，对防撞的要求较高，常用的防撞方式（诸如附着式释能附体防撞装置）难以满足要求。

桥梁防撞拦截体系是一种独特的防撞装置，主要应用于大型桥梁的非通航孔上。近年来，许多创新型非通航孔防撞装置被设计出来，如自适应拦截网防船舶撞击装置、触发旋转式拦截消能系统、浮基高架拦阻防撞系统、墩台浮体组合拦截系统、大距离走锚消能式防撞系统和桩基高架走锚消能式拦阻船舶系统等[2-7]。

研究发现，上述防撞拦截装置主要用来拦截5 000吨级以下的船舶撞击非通航孔桥墩，对大型船舶撞击非通航孔桥墩的拦截效果较差，不能更好地保护桥梁，同时对海况的要求较高。以桩基高架走锚消能式拦阻船舶系统为例，该系统目前应用于金塘大桥西北侧，由拦阻网、端部支撑架、辅助支撑、重力锚和锚链等构成（见图1）。

图1 桩基高架走锚消能式拦阻船舶系统

该防撞装置主要应用于水深相对较浅的桥梁海域，可拦截小吨位船舶的撞击，难以成功拦截深水海域大型船舶的撞击。目前我国有很多大型桥梁建在水深较深的海域，通航船舶的吨位较大（其中不乏万吨级以上的船舶），因此对非通航孔桥墩进行保护不容忽视。本文结合某大型跨海大桥，提出新型小水线面浮式拦截系泊体系的方案，用于保护非通航孔桥墩，并通过物模试验验证防撞效果，为以后大型桥梁非通航孔桥墩防撞提供技术参考。

1 小水线面浮式拦截系泊体系

1.1 线型优化

跨海大桥所在位置水深很深，非通航孔桥梁自身的抗撞力较小，故需设计出能拦截大型船舶撞击的柔性防撞装置。因此，首先初步确定采用锚碇消能浮体拦截系统，通过移动锚碇的位置来吸收大型船舶的撞击能量，以长距离消能完成拦截大型船舶的任务。考虑到该海域的海况较差，为使防撞装置在恶劣海况下长久可用，决定将浮体进一步优化为小水线面浮式平台，使其具有更好的耐波性，从而达到长期保护非通航孔桥墩的目的。防撞示意见图2。

图2 防撞示意

1.2 工作原理

新型防撞装置由拦截平台、拦截索、拦截锚链、浮子、躺链、锚碇沉块和振荡阻尼沉块等组成，若干个浮体平台间隔一定距离排列，拦截体系浮于水面之上，当船舶撞击浮体或拦截索时，浮体之间的拦截索可阻拦失控的船舶，使其与拖着锚碇和沉块的浮体一起移动；锚碇和沉块在水底移动可产生很大的摩擦力，用于吸收船舶的动能。设施示意见图3～图5。

图3 小水线面拦截系统立面布置图

该系统为新型小水线面双体浮式结构，采用模块化的设计构想。小水线面拦截平台见图6，每个拦截平台为一个拦截单元，多个单元水平间隔布置于海平面上，通过拦截索和拦截锚链相连接形成拦截体系；拦截索和拦截锚链上设有浮子，为拦截锚链提供浮力。该方案可根据实际的设防需要灵活布置。

图4 小水线面拦截系统侧面布置图

图5 小水线面拦截系统平面布置图

图6 小水线面拦截平台示意

2 物模试验

物模试验能直观地反映拦截系统在不同海况下的运动和受力情况，可获取更多可靠的数据。此次试验可根据试验内容分为拦截体系波浪力试验和拦截体系船撞效果试验，分别验证防撞系统的适应性和防撞效果。

2.1 拦截体系波浪力试验

试验在不规则波浪中进行（见图7），不规则波浪的波浪谱采用JONASWAP波浪谱。受风浪流水池宽度的限制，选取单个浮体在系泊状态下的受力测试，在不同等级横风、横流和横浪作用下进行物模试验。浮体模型由木材制作而成，满足几何相似准则和重量相似准则，试验前校正惯量和重心位置。

系泊锚链满足重量相似准则和弹性系数相似准则，综合考虑水池的设备能力和试验精度方面的因素，选取模型缩尺比λ=60。试验步骤为：

1）在惯量校验架上调整平台模型的惯量和重心位置至要求值；2）在水池中生成要求波浪参数对应的模拟不规则波浪、要求风速和流速对应的模拟风及模拟水流，试验环境参数见表1；

图7 拦截系统在风浪流作用下运动及受力测试模型

3）根据试验工况下风、浪、流相对浮体系泊系统的方向，在水池中安装平台和布置锚链模型，并给予一定的预紧力；

4）进行横风、横流、横浪作用下的受力试验。

表1 试验环境参数

通过开展不同试验环境参数下的拦截体系波浪力试验，得到拦截系统运动试验值和迎浪侧系泊锚链受力试验值分别见表2和表3。

表2 拦截系统运动试验值

表3 迎浪侧系泊锚链受力试验值 k N

通过对横风、横流、横浪环境下的单个浮体进行不同环境工况下的物模试验，得到响应的迎浪侧系泊锚链受力试验值。在工况4这种极端情况下（即风速达到36.9 m/s），锚链的运动幅度和受力值最大，最大值为1 430.70 k N，远小于锚链的拉力负荷8 640 k N，因此该拦截体系可在恶劣的海况下应用。

2.2 拦截体系船撞效果试验

此次试验的目的是验证防撞体系的防撞能力、为改进设计提出指导性意见和提供主要的设计参数。

试验选取的代表船型为10万吨级散货船，船舶最大失控漂移速度为3.0 m/s，对整个防撞体系进行分析。虽然防撞体系的总体跨度很大，但基本单元为浮体+系泊锚链+消能锚碇+拦截索。因此，试验模型选取2个浮体的一段作为防撞体单元，各浮体之间的间距为500 m。

试验模型的缩尺比为60，船模主体为木材，锚链模型选择满足单位长度重量相似准则和弹性相似准则的小型链条，弹性系数通过在末端加弹簧模拟。拦截索选择满足单位长度重量相似准则的小型链条，链条两端与满足弹性相似准则的弹簧系统连接。消能锚碇选取四棱台结构，采用水泥块制作并用注铅的方式，保证外形和重量相似。

在试验中，撞击包括0°正撞和30°斜撞，撞击点共有3个，分别为正撞浮体和拦截索上的2个浮标（见图8和图9）。测力传感器布置在2个浮体上船撞侧的2#、3#和9#系泊线上及水面上的3道拦截索上。

图8 船舶撞击点和撞击角度示意

图9 不同撞击点试验图

在模型制作并安装完毕之后，即可开始试验。首先进行船模的速度标定试验，通过调节自航船模螺旋桨的转速，使船模的航速达到要求的失控撞击速度。随后进行不同方案的船模撞击试验，控制船模在不同吃水下以不同方向、不同速度撞击拦截索的不同位置，包括撞击浮体、浮箱与墩台间拦截索的不同部位等。

试验中采用计算机实时采样系统采集拦截索和系泊锚链的受力，同时用摄像装置拍摄撞击过程中船模的运动状态。图10为拦截体系船撞试验现场图。

经过试验测试，得到拦截体系遭受船舶撞击时拦截索和锚链的受力时程图。图11和图12分别为船模正面撞击浮体时锚链和拦截索的受力时程图。经过一系列的试验和数据整理，得到不同撞击角度、不同撞击位置下拦截索和锚链的最大受力值及船舶撞击拦截体系时锚碇点最大移动距离见表4。

图10 拦截体系船撞试验现场图

图11 正撞时9#系泊锚链受力时程图

图12 正撞时10#拦截索受力时程图

表4 物模试验结果

通过物模试验验证，该拦截方案对10万吨级散货船满载工况、3 m/s失控速度下的拦截是有效可行的，系泊锚链和拦截索最大受力分别为3 920 k N和1 589 k N，不会超过相应的破断负荷（锚链的破断负荷为8 640 k N，拦截索的破断负荷为5 239.5 k N），安全系数富余度较大。通过计算可知，该系统可有效拦截试验选取的代表船舶。

3 结 语

本文研究非通航孔桥梁防船撞的特点，并针对深水海域的非通航孔桥梁提出小水线面浮式拦截系统。详细阐述该系统的设计思路和工作原理，并通过物模试验分析其防大型船舶撞击的能力，得到以下结论：

1）深水海域桥梁非通航孔桥墩自身的抗撞能力较差，难以抵御大型船舶的撞击，如遇大型船舶撞击，传统的防撞装置难以达到保护桥梁的效果；

2）小水线面浮式拦截系统为新型防撞装置，该系统具有良好的适应性，可在恶劣海况下应用。

3）通过物模试验模拟10万吨级散货船撞击小水线面浮式拦截系统的全过程，在发生碰撞时，浮体、系泊锚链、拦截索和消能锚碇共同作用，能成功拦截船舶撞击。

4）该系统具有一定的创新性，可为跨海大桥防大型船舶撞击的防撞方案设计提供一定的参考。