橋梁防船撞技術(shù)及設(shè)施淺析

黃 河

中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100000

1 引言

最近幾年,在中國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展、城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快的共同作用之下,交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了新的“發(fā)展春天”,橫跨海峽、江河、湖泊的橋梁與日俱增,而船舶數(shù)量、噸位、航速均在快速提升,在該種大背景之下,船舶撞擊橋梁事故層出不窮,并且該種態(tài)勢(shì)仍持續(xù)增長(zhǎng)。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,自上世紀(jì)六十年代開(kāi)始,一直到本世紀(jì)初期,大型撞船事故高達(dá)42起。引起撞船事故的誘因包括多種,最為主要的三種因素便是人為操控失誤、設(shè)備產(chǎn)生異常、氣候惡劣?？梢?jiàn),僅僅依靠航道管理單位進(jìn)行調(diào)控并不能從根源上降低撞船事故發(fā)生率。

2 防撞保護(hù)系統(tǒng)的作用

根據(jù)美國(guó)空中通道橋事故、瑞典阿爾默橋事故進(jìn)行深入、全面的調(diào)查分析之后可以發(fā)現(xiàn),早期大部分橋梁基本沒(méi)有配設(shè)防撞保護(hù)系統(tǒng),盡管個(gè)別橋梁加裝了該系統(tǒng),但是也由于防護(hù)能力較弱而同樣導(dǎo)致了嚴(yán)重的后果。

從理論定義方面進(jìn)行分析,如果橋墩承受力較低,在船舶撞擊力之下,橋梁的抗沖擊力無(wú)法由橋墩全部提供,具體如下:

(1)通常情況下,橋墩剛度均非常大,因而當(dāng)橋梁受到撞擊時(shí),無(wú)法形成足夠變形來(lái)緩解沖擊力。

(2)為了確保橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全,橋墩的位移量必須控制在特定區(qū)間之內(nèi)。

(3)對(duì)于肇事船舶而言,無(wú)論船頭剛度多小,船頭鋼板的壓扁長(zhǎng)度均是變形量大小的決定條件,正是基于該點(diǎn),變形量將非常有限,緩解的撞擊動(dòng)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于撞擊能量。

通過(guò)上述分析可以得知,如果橋梁沒(méi)有加裝防護(hù)系統(tǒng),那么當(dāng)船舶撞擊橋梁時(shí),其將同橋墩直接接觸。因二者剛度非常大、變形量相對(duì)較小,無(wú)法對(duì)撞擊動(dòng)能進(jìn)行緩解,所以將會(huì)形成非常高的撞擊力,如此一來(lái),船壞橋塌的現(xiàn)象將十分普遍[1]?；诖?防撞保護(hù)系統(tǒng)將直接決定橋梁的抗沖擊能力,同時(shí)會(huì)起到一定的緩沖作用,降低船舶、橋梁的損壞程度。

3 防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

(1)通過(guò)對(duì)大量撞擊事故進(jìn)行分析得知,水中建筑物在上下游方向被撞擊的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于航道內(nèi)外側(cè)。同時(shí),船舶在建筑物上下游進(jìn)行撞擊時(shí),其所產(chǎn)生的法向速度也更高。因此,在上下游配設(shè)防撞裝置時(shí),應(yīng)確保其強(qiáng)度更高。

(2)當(dāng)船舶、橋梁發(fā)生撞擊事故時(shí),船艏上部離水面距離較大,并且呈現(xiàn)出向前突出的形態(tài),尤其是一些大型船舶處在空載狀態(tài)之下,該種狀況更加凸現(xiàn)。發(fā)生撞擊事故時(shí),若船艏因受到外力而產(chǎn)生損壞,那么船舶上部將更加侵入被撞物,因此防撞結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)間必須保持適當(dāng)距離。

(3)在對(duì)防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程之中,必須要確保其具有一定的變形量,這樣才能保證其吸收更多能量,使防撞結(jié)構(gòu)、船體受到的損傷降到最低。

(4)對(duì)于防撞結(jié)構(gòu)而言,在確保其實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的基礎(chǔ)之上,應(yīng)使其日常維護(hù)費(fèi)用降到最低,同時(shí)還要對(duì)被撞后的維修進(jìn)行綜合性考慮。

4 橋墩防撞方案的比較

防撞設(shè)施包括兩種類型,一是間接形式,特點(diǎn)為:在橋墩之外加設(shè)一些防撞設(shè)施,橋墩并不承受直接的沖擊力,例如錨系浮體式、樁群式等[2]。在地質(zhì)條件優(yōu)良、深度較淺的水域中應(yīng)用非常廣泛。二是直接式,基本特點(diǎn)為:撞擊力緩沖后直接作用在橋墩,例如緩沖體壓壞變形式、護(hù)弦式等。

借助多種途徑對(duì)目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、效果最良好的橋梁防撞模式進(jìn)行全面調(diào)查,對(duì)防撞措施的類別、應(yīng)用場(chǎng)合等進(jìn)行比較:

(1)重力擺式防護(hù)系統(tǒng)。該種防撞系統(tǒng)的基本原理實(shí)質(zhì)上就是依靠同船舶接觸過(guò)程中所產(chǎn)生的外力來(lái)推動(dòng)重力擺進(jìn)行運(yùn)動(dòng),然后借助重力擺位移、流體效應(yīng),吸收撞擊能量。但是該種防護(hù)系統(tǒng)在具體應(yīng)用過(guò)程之中存在一個(gè)十分突出的弊端,即體積非常龐大,投資成本較高,并且后期的維護(hù)難度較高。

(2)薄殼筑沙圍堰防護(hù)系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍十分廣泛,其典型的形式是用鋼板樁聯(lián)結(jié)在一起形成圓柱形圍堰外殼,內(nèi)部用松散的材料或混凝土填充。具備諸多突出特點(diǎn),如施工建造便捷、投資成本較低、后期維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單、可吸收較大的撞擊能量等。該系統(tǒng)可以有效降低船舶的損傷程度。

(3)人工島。其可以極大的提升橋梁的防撞能力。通常情況下,在建造橋墩的過(guò)程時(shí)一同建設(shè)完成,頂部略低于水面,具有十分平緩的斜坡,從而使船舶可以擱淺[4]。其投資成本低、施工便捷高效,即便發(fā)生撞船事故,其維修過(guò)程也十分方便。但該種系統(tǒng)在具體應(yīng)用過(guò)程之中也存在一大缺點(diǎn),即占用航道,使過(guò)水?dāng)嗝婕眲p小、增大流速,一般應(yīng)用于地質(zhì)條件比較優(yōu)良的水域。

(4)集群式護(hù)墩樁。其由斜樁或豎直樁構(gòu)成,在樁的頂部位置,運(yùn)用緩沖梁進(jìn)行聯(lián)接。為了滿足大變形量的需要,還可以把若干個(gè)單樁構(gòu)成一個(gè)樁群。按照撞擊力的大小選擇合適的樁徑,防護(hù)系統(tǒng)可沿著順橋方向或者橫橋方向進(jìn)行延伸。當(dāng)遭受撞擊時(shí),僅僅一部分單元受到損壞,便于后期修復(fù)。

(5)錨系浮體防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成,即錨碇、鋼絲、浮體。即便應(yīng)用于深水區(qū)域之中,該系統(tǒng)總投資成本仍較低,能起到良好的保護(hù)作用。但如果船舶吃水淺以及無(wú)球首,可能會(huì)導(dǎo)致浮體劃入船底部位,進(jìn)而失效[5]。

(6)附著式防撞緩沖設(shè)施。其是由多種材料共同組成,如橡膠、木質(zhì)等柔性材料,以及液壓、彈簧緩沖墊等。通常附著于承臺(tái)側(cè)面或者墩身位置,如果橋墩受到外部撞擊,緩沖設(shè)施會(huì)把一部分能量快速吸收。

5 船撞力計(jì)算

本文選取某長(zhǎng)江大橋?yàn)槔?對(duì)船撞力進(jìn)行分析運(yùn)算。該橋通航孔橋墩按5000噸級(jí)進(jìn)江海輪考慮防撞標(biāo)準(zhǔn),撞擊力計(jì)算方式包括多種,如有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析法、經(jīng)驗(yàn)公式法等,本文將上述兩種方法進(jìn)行綜合運(yùn)用。

目前,關(guān)于船舶撞擊力的經(jīng)驗(yàn)公式,不同組織提出了十多種計(jì)算方式,按照各經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)橋墩船撞擊力進(jìn)行運(yùn)算分析,列出所求出的具體船撞力,見(jiàn)表1:

表1 船撞力計(jì)算比較表(正撞)

通過(guò)上表可看出,如果采用不同公式,所求出的船撞力也各不相同。以經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)算為重要基礎(chǔ),借助有限元瞬態(tài)碰撞動(dòng)力學(xué)分析法展開(kāi)相應(yīng)的分析運(yùn)算,搭建合理的撞擊船舶與橋墩有限元模型,對(duì)碰撞變形、破損等進(jìn)行模擬。有限元分析模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元分析模型

經(jīng)過(guò)對(duì)船撞動(dòng)力仿真分析,參照相應(yīng)的船撞經(jīng)驗(yàn)公式,在無(wú)防撞消能設(shè)施情況下,得到橋墩船撞力的計(jì)算值,見(jiàn)表2。

表2 橋墩船撞力計(jì)算值

參照船撞力計(jì)算結(jié)果,橋墩船舶撞擊力非常大,必須要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)防撞設(shè)施進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)。

6 防撞方案研究

目前所廣泛采用的防撞方式存在較大的局限性,并且在具體應(yīng)用過(guò)程中具有諸多弊端。對(duì)國(guó)內(nèi)外眾多橋梁防撞措施進(jìn)行深入調(diào)研與分析之后,提出一種新型防撞措施,即多級(jí)消能柔性防撞裝置。

該防撞裝置為一種可置于承臺(tái)或橋墩周圍的可隨水位變化而變化的浮式防撞體[6]。其主要是由內(nèi)層、外層兩種結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。內(nèi)部包含桁架支撐結(jié)構(gòu)、密封艙室等,在同橋墩接觸位置裝配了若干個(gè)滾輪以及緩沖吸能阻尼元件；對(duì)于外部結(jié)構(gòu),其主要是由T 型鋼材、鋼板、吸能元件等多種材料構(gòu)成,形成首層防撞結(jié)構(gòu),圖2展示了其結(jié)構(gòu)詳情。

此種防撞裝置在具體應(yīng)用過(guò)程之中具有多種優(yōu)點(diǎn),主要可以歸結(jié)為以下三點(diǎn):

(1)此種防撞裝置是直接套接于橋墩周圍的浮式鋼結(jié)構(gòu),并且具備消浪結(jié)構(gòu),能夠使防撞裝置、橋墩之間的撞擊次數(shù)得到顯著降低。

(2)此種防撞裝置由兩套防撞體構(gòu)成,內(nèi)層為浮式鋼結(jié)構(gòu)；外層主要為鋼板結(jié)構(gòu)、阻尼吸能元件,其中內(nèi)層的主要作用是提供較大的浮力,外層的主要作用是有效降低撞船事故發(fā)生時(shí),結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間所產(chǎn)生的摩擦力。

(3)同橋墩接觸的位置,配設(shè)了若干個(gè)滾輪,通過(guò)滾動(dòng)摩擦的方式來(lái)降低摩擦力。當(dāng)船舶撞擊橋墩的過(guò)程之中,如果碰撞力超過(guò)特定區(qū)間范圍,那么滾輪裝置將無(wú)法發(fā)揮相應(yīng)的效用,立即退出工作形態(tài)；在此種狀況之下,內(nèi)壁上所存在的若干個(gè)緩沖吸能阻尼元件可以同橋墩進(jìn)行直接接觸,并吸收一部分碰撞能量。

圖2 浮式多級(jí)消能柔性防撞裝置方案

7 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了橋梁防撞保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,詳細(xì)比較了現(xiàn)有防撞設(shè)施的特點(diǎn)及適用情況,結(jié)合工程實(shí)例對(duì)船撞力進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比,可為橋梁防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。本文所提出的浮式多級(jí)消能柔性裝置具有消浪結(jié)構(gòu),可以使波浪對(duì)防撞設(shè)施所造成的不良影響降到最低。與此同時(shí),該防撞裝置引入了一些先進(jìn)材料、運(yùn)用了滾動(dòng)滑輪,使吸能效果、抗撞能力均得到了極大的增強(qiáng)。目前,該種裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于多座橋梁,取得了十分突出的效果。