橋梁防船撞設施對比分析綜述

駱溯源

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

橋梁防船撞設施對比分析綜述

駱溯源

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

本文介紹了國內外近幾十年常采用的防止船舶撞擊航道上的橋梁墩柱的幾種防撞設施，通過在沖擊動力學、材料特性、耗散能量和經濟環保幾個方面進行對比分析，并提出更為可靠、更為經濟的防撞方案。

航道；橋梁；船撞；設施

一、前言

橋梁為跨越人工或者自然障礙而修建的建筑物。伴隨著社會經濟的迅速發展，交通運輸也發展迅猛，跨越江河之上的橋梁也如同雨后春筍般修建起來。水運較陸運和空運來說，運費相對較低，因而導致航道中的大型運輸船舶較多。這就不得不面臨一個問題，這些在航道上修建的橋梁因為地質條件、經濟、環境保護和人與自然的協調發展等一系列原因，很難做到水中無墩，即一跨越過航道，不侵占通航空間。船舶在航道中航行，由于復雜的水文條件、天氣、駕駛人員的操作水準以及狹小的通航空間等因素，很難保證船舶不會撞上橋梁的墩柱，對橋梁結構造成損害。在近幾十年中，國內外發生了很多次船撞事故，船撞事故的發生造成了很大的人員傷亡和不可估量的經濟損失，更有甚者對環境造成了破壞。為了防止船撞事故的發生，國內外工程師們采用了很多防止橋梁船撞的設施，常見的有鋼材、混凝土和柔性防撞設施。

二、沖擊動力學

沖擊動力學主要分析研究結構應力波效應和材料的應變率效應。根據爆炸沖擊應力波理論，船舶撞擊防撞設施和橋梁墩柱的過程主要是一個能量轉換的過程。應力波的傳播特性主要受結構形式和材料動態的本構關系的影響。寧波大學王禮立教授通過對應力波傳播特性的分析，演算出了船舶撞擊橋梁墩柱界面上的應力以及指點速度公式[3]：

式中：v-船舶初始速度；(ρ0Cwe)s和(ρ0Cwe)b為船舶和橋梁結構的廣義波阻抗，ρ0為材料密度，Cv為材料應力波波速；ns-b為船舶的波阻抗與橋梁的波阻抗之比。

將上式推廣到有防撞設施的橋梁上，可以發現，當降低防撞設施的密度或降低材料的波阻抗可以有效降低船舶撞擊橋梁結構的撞擊力，對保護橋梁結構安全起到積極的作用。

三、材料特性

防撞設施材料的密度減小的幅度有限，設施通過減小碰撞時的應力波波速是可行的途徑。柔性防撞設施以FRP防撞浮箱為代表。FRP復合材料為各向異性的黏彈性材料，其動力學特性對應變率的敏感性通常比金屬和混凝土更為敏感[4]。區別于彈性材料，FRP復合材料加載與卸載應力應變曲線是不重合的，存在一定的應力滯后，加載卸載形成的不閉合應力應變曲線則為滯回曲線，反應了材料的黏性耗散性能。下表1列出了三種材料的材料特性。

表1 材料特性表

表中可以看出FRP防撞浮箱結構材料的完全彈性階段的波阻抗分別為鋼材的十分之一和混凝土的二分之一。因此，就材料來說，選用FRP復合材料防撞浮箱比鋼材防撞設施和混凝土防撞設施有更好的防撞效果。與此同時，波阻抗與防撞結構的柔性系數成負相關。因此，FRP防撞浮箱結構具有更大的柔度，對比《鐵路橋涵設計基本規范》橋梁結構也可以獲得較小的防撞力，FRP防撞浮箱具有更好的耗能特性。

四、耗散能力

船舶碰撞橋梁過程，其本質源于沖量和動量定理，通過設置防撞設施，延長碰撞時間，使其碰撞力傳遞到橋梁結構上大大減少。碰撞過程主要涉及到能量的轉換，主要涉及到的能量為動能、內能、摩擦滑移能和沙漏能。能量交換過程又分為船舶與防撞設施的能量交換以及防撞設施與橋梁墩柱的能量交換。

如若不考慮水體的動能，則系統的初始能量為船舶的動能，在與防撞設施碰撞過程中對防撞設施做正功，船舶保留一部分動能，同時自身產生內能，這個內能包括船舶的變形能與摩擦能，剩下的能量傳遞給防撞設施，使防撞設施具備動能以及內能，內能同樣包括防撞設施的變形能和摩擦能。如同船舶撞擊浮箱一樣，防撞浮箱在保留一部分動能的同時，將剩余動能傳遞給橋墩。這部分橋墩獲得的能量為整個過程的有效功，系統的總能量與有效功的差值則為浮箱的耗能，數值上等于系統的摩擦滑移能與防撞設施總能量之和，理解為在防撞設施的作用下整個系統的防撞耗能。

船橋碰撞的過程是一個船舶與橋梁在短時間內進行能量交換和轉換的動力學過程。而應力波的船舶則是導致能量交換和轉換的驅動力。在應力波的傳播過程中船舶與橋梁結構并不是立即整體地進行能量交換，而是各自在波陣面后方的那部分質量參與了能量交換，應力波尚未達到的部分仍保持原始狀態。隨著應力波向更遠的范圍傳播，涉及到的質量也不斷增加。故應力波波速越快，參與能量交換的質量范圍也就越大。

五、經濟環保

鋼材和混凝土等剛性防撞設施，當船舶撞上時，很容易將其撞壞，也會使船舶受損較為嚴重。即便設置較大的抗力，隨之而來將是防撞設施體積和質量的增大，使原本有限的航道空間變得更為狹小。同時，由于剛性材料彈性模量較大，變形后自恢復能力較差。在經受第二次撞擊時，抗力大大減少。當造成破壞時，會侵占航道，造成航運堵塞，對環境不利，經濟損失較大，不可循環使用；FRP防撞浮箱等一系列柔性防撞設施，可循環使用，不僅對環境影響較小，更能增加橋梁美感，并且在同等條件下，船舶受損較小，船身所受的破環性得到盡可能大的削弱，柔性防撞更為環保，更為經濟。更符合和諧社會的發展需要。

六、結論

本文就鋼材、混凝土以及以FRP防撞浮箱為代表的柔性防撞設施在以上幾個方面做了對比分析。經分析，柔性防撞設施，更加經濟環保，更為符合和諧社會的發展。符合“三不壞”的防撞設計理念。因此，柔性防撞設施應作為橋梁船撞防撞設施的主流。

[1]中交公路規劃設計院.JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004

[2]鐵道第三勘察設計院.TB10002.1-2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[3]王禮立，陳國虞，楊黎明.船橋碰撞過程引發的沖擊動力學論題[J].振動與沖擊.2015，34(3)：14-22

[4]張錫祥，巫祖烈，楊忠，等.高耐久性FRP橋梁結構、構件的研究與實踐[J].重慶交通大學學報.2011，30(2)：1224-1232