浮动式钢覆复合材料防撞设施在老旧桥梁防船撞中的应用

雷玲香，谢学钦，李凌伟

（广东水电二局股份有限公司，广东 广州 510000）

船舶与桥梁的碰撞问题，直接威胁到交通运输和人民生命财产的安全。由于地理条件限制，很多地区的桥位处航道具有狭窄、弯曲、水流湍急等特点，船舶经过桥区河段操控难度大[1]；而且，航运单位为降低营运成本，船型向着大吨位和小马力的趋势发展，使得船舶的操纵性能降低，桥梁船舶碰撞概率大大增加[2]。目前，桥梁防撞措施日益多样化，但施工难度、工期、投资差别明显。对于旧桥增加防撞设施，建桥时的所有设施和条件已经不复存在，施工环境更复杂，施工条件更恶劣，需要深入研究防撞性能、施工便利性。

1 工程概况

随着北江航道扩能升级的展开，北江沿线上已建成的英德沙口大桥、英德市连江口大桥、清远市凤城大桥、肇庆市广贺公路大桥等多座大桥，因设计及建设年限远久，原设计建设标准及目前的运营能力不能满足北江航道扩能升级的使用要求。为保证北江航道扩能升级后上述桥梁附近水域内的航道通航安全，针对上述桥梁通航孔处增设桥墩防撞设施，以保证桥梁及航道通行的安全。

2 防撞机理

浮动式钢覆复合材料防撞设施主要是在桥墩上安装柔性浮式套箱，发生船撞作用时，弧形箱体可以改变船舶的行进方向；同时，通过套箱内部结构的协同作用，吸收一定的撞击能量，减小船舶的撞击力，达到“四两拨千斤”的效果[3]。

3 设计要求

防撞主体结构由上下盖板、内外侧板、导向定位柱等构件组成，选用复合材料外壳+内部填充柔性材料形式的套箱。防撞设施各个构件的布置和组成件尺度应符合下述要求：（1）受到严重碰撞时能通过自身的变形和破坏充分吸收船舶动能，减小船对桥的碰撞力；受到较小的碰撞时能有足够的强度和抗变形能力，尽可能保持防撞设施的整体完好性。（2）无事故发生时具有一定的浮力，灵活、方便地使用压载水使防撞设施保持良好的浮态；受撞破损后，能使破损范围限制在一定区域内，防撞设施仍可保持必须的浮力和必要的浮态，不发生沉没，使防撞设施修复方便。（3）能够可靠、方便地安装各种必要的设备、装备。（4）防撞套箱可以有效保护桥墩和船舶，对船舶的损伤较小。该项目柔性浮式防撞套箱总体布置图如图1所示。

4 防撞性能仿真分析

为了验证复合材料防撞套箱的防撞消能效果，项目组根据相似准则进行了缩尺模型冲击试验。在试验之前，采用动力计算软件对试验梁进行了数值仿真计算。另外，鉴于柔性浮式防撞套箱在实桥上得到了应用，对套箱的实桥防撞性能也进行了仿真分析。主墩模型及防撞套箱整体模型如图2所示。有套箱和无套箱船舶撞击桥梁的情况如图3、图4所示。

图1 柔性浮式防撞套箱总体布置图（单位：cm）

通过实桥应用计算，防撞套箱消能超过总撞击能量的50%，有效起到了缓冲撞击的作用。通过对套箱箱体结构连接部位进行局部非线性接触分析和验算得知，在最不利船撞荷载作用下均不会被拔出或者剪坏，可在保证套箱连接有效的前提下满足结构的整体受力要求。

图2 主墩模型及防撞套箱整体模型

图3 无套箱船舶撞击模拟

图4 有套箱船舶撞击模拟

5 防撞设施工厂加工

钢覆复合材料防撞设施采用在工厂集中分块加工，分块大小视整体结构尺寸和运输条件确定，以方便运输和易于拼接为原则。单块加工采用真空导入一次成型，利用真空泵产生的负压将树脂从容器中吸出，经过导流布将树脂浸入纤维材料，当树脂浸满整个内部空间时，空间内的树脂与玻璃纤维材料在固化后形成增强型复合材料。

工艺流程：大型钢制模具设施制作→玻璃纤维材料裁剪或耗能闭孔材料→模具清理→铺设辅材→树脂准备→真空导入→固化成型→脱模→外表面喷射复合材料防腐层→成品检验→包装待发。

6 防撞设施节段安装

防撞设施分块加工完成后，利用陆路或水路运输到安装现场附近，先在岸边拼装成U型节段，通过浮运到桥墩处安装就位。

工艺流程：节段运输→节段拼装→节段浮运→节段现场安装→自浮→检验→机具、船舶及人员撤离。

7 应用效果

沙口大桥、凤城大桥、连江口大桥、广贺大桥采用浮动式钢覆复合材料防撞设施的设计、生产及安装，经检验防撞设施外形尺寸、性能参数均达到防撞要求；经过汛期及通航验证，防撞设施运行情况平稳。性能检测情况如表1所示。

表1 性能检测结果

8 结束语

内河航道整治工程作为重大基础工程，已在全国很多地方实施。内河航道的整治带来的就是航道等级的升级，其势必需要提高河流沿线桥梁的防撞能力。文章研究成果可用于航道等级提升带来的桥梁抗撞能力提高，具有巨大的市场空间。