大橋防撞攔截體系模型試驗(yàn)

王金權(quán)， 陸 勇

（1.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江寧波315000；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海200135）

0 引 言

隨著大型跨江大橋和跨海大橋逐漸增多，很多可通航水域變成了非通航區(qū)域，這無疑提高了船舶在這些區(qū)域航行的難度，一旦船舶失控或出現(xiàn)人為失誤，很有可能導(dǎo)致船撞橋事故發(fā)生。近年來，國內(nèi)外相繼發(fā)生多起非通航孔橋墩引發(fā)的船撞橋事故（如九江大橋船撞橋事故），造成重大財(cái)產(chǎn)損失和不良的社會影響[1]。

與主通航孔橋墩相比，非通航孔橋墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通常較弱，自身承載的抗撞力不足，加上大型橋梁的非通航孔橋跨度較大，橋墩容易遭受大型船舶的撞擊，對防撞的要求較高，常用的防撞方式（諸如附著式釋能附體防撞裝置）難以滿足要求。

橋梁防撞攔截體系是一種獨(dú)特的防撞裝置，主要應(yīng)用于大型橋梁的非通航孔上。近年來，許多創(chuàng)新型非通航孔防撞裝置被設(shè)計(jì)出來，如自適應(yīng)攔截網(wǎng)防船舶撞擊裝置、觸發(fā)旋轉(zhuǎn)式攔截消能系統(tǒng)、浮基高架攔阻防撞系統(tǒng)、墩臺浮體組合攔截系統(tǒng)、大距離走錨消能式防撞系統(tǒng)和樁基高架走錨消能式攔阻船舶系統(tǒng)等[2-7]。

研究發(fā)現(xiàn)，上述防撞攔截裝置主要用來攔截5 000噸級以下的船舶撞擊非通航孔橋墩，對大型船舶撞擊非通航孔橋墩的攔截效果較差，不能更好地保護(hù)橋梁，同時(shí)對海況的要求較高。以樁基高架走錨消能式攔阻船舶系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)目前應(yīng)用于金塘大橋西北側(cè)，由攔阻網(wǎng)、端部支撐架、輔助支撐、重力錨和錨鏈等構(gòu)成（見圖1）。

圖1 樁基高架走錨消能式攔阻船舶系統(tǒng)

該防撞裝置主要應(yīng)用于水深相對較淺的橋梁海域，可攔截小噸位船舶的撞擊，難以成功攔截深水海域大型船舶的撞擊。目前我國有很多大型橋梁建在水深較深的海域，通航船舶的噸位較大（其中不乏萬噸級以上的船舶），因此對非通航孔橋墩進(jìn)行保護(hù)不容忽視。本文結(jié)合某大型跨海大橋，提出新型小水線面浮式攔截系泊體系的方案，用于保護(hù)非通航孔橋墩，并通過物模試驗(yàn)驗(yàn)證防撞效果，為以后大型橋梁非通航孔橋墩防撞提供技術(shù)參考。

1 小水線面浮式攔截系泊體系

1.1 線型優(yōu)化

跨海大橋所在位置水深很深，非通航孔橋梁自身的抗撞力較小，故需設(shè)計(jì)出能攔截大型船舶撞擊的柔性防撞裝置。因此，首先初步確定采用錨碇消能浮體攔截系統(tǒng)，通過移動錨碇的位置來吸收大型船舶的撞擊能量，以長距離消能完成攔截大型船舶的任務(wù)。考慮到該海域的海況較差，為使防撞裝置在惡劣海況下長久可用，決定將浮體進(jìn)一步優(yōu)化為小水線面浮式平臺，使其具有更好的耐波性，從而達(dá)到長期保護(hù)非通航孔橋墩的目的。防撞示意見圖2。

圖2 防撞示意

1.2 工作原理

新型防撞裝置由攔截平臺、攔截索、攔截錨鏈、浮子、躺鏈、錨碇沉塊和振蕩阻尼沉塊等組成，若干個(gè)浮體平臺間隔一定距離排列，攔截體系浮于水面之上，當(dāng)船舶撞擊浮體或攔截索時(shí)，浮體之間的攔截索可阻攔失控的船舶，使其與拖著錨碇和沉塊的浮體一起移動；錨碇和沉塊在水底移動可產(chǎn)生很大的摩擦力，用于吸收船舶的動能。設(shè)施示意見圖3～圖5。

圖3 小水線面攔截系統(tǒng)立面布置圖

該系統(tǒng)為新型小水線面雙體浮式結(jié)構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計(jì)構(gòu)想。小水線面攔截平臺見圖6，每個(gè)攔截平臺為一個(gè)攔截單元，多個(gè)單元水平間隔布置于海平面上，通過攔截索和攔截錨鏈相連接形成攔截體系；攔截索和攔截錨鏈上設(shè)有浮子，為攔截錨鏈提供浮力。該方案可根據(jù)實(shí)際的設(shè)防需要靈活布置。

圖4 小水線面攔截系統(tǒng)側(cè)面布置圖

圖5 小水線面攔截系統(tǒng)平面布置圖

圖6 小水線面攔截平臺示意

2 物模試驗(yàn)

物模試驗(yàn)?zāi)苤庇^地反映攔截系統(tǒng)在不同海況下的運(yùn)動和受力情況，可獲取更多可靠的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)可根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容分為攔截體系波浪力試驗(yàn)和攔截體系船撞效果試驗(yàn)，分別驗(yàn)證防撞系統(tǒng)的適應(yīng)性和防撞效果。

2.1 攔截體系波浪力試驗(yàn)

試驗(yàn)在不規(guī)則波浪中進(jìn)行（見圖7），不規(guī)則波浪的波浪譜采用JONASWAP波浪譜。受風(fēng)浪流水池寬度的限制，選取單個(gè)浮體在系泊狀態(tài)下的受力測試，在不同等級橫風(fēng)、橫流和橫浪作用下進(jìn)行物模試驗(yàn)。浮體模型由木材制作而成，滿足幾何相似準(zhǔn)則和重量相似準(zhǔn)則，試驗(yàn)前校正慣量和重心位置。

系泊錨鏈滿足重量相似準(zhǔn)則和彈性系數(shù)相似準(zhǔn)則，綜合考慮水池的設(shè)備能力和試驗(yàn)精度方面的因素，選取模型縮尺比λ=60。試驗(yàn)步驟為：

1）在慣量校驗(yàn)架上調(diào)整平臺模型的慣量和重心位置至要求值；2）在水池中生成要求波浪參數(shù)對應(yīng)的模擬不規(guī)則波浪、要求風(fēng)速和流速對應(yīng)的模擬風(fēng)及模擬水流，試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)見表1；

圖7 攔截系統(tǒng)在風(fēng)浪流作用下運(yùn)動及受力測試模型

3）根據(jù)試驗(yàn)工況下風(fēng)、浪、流相對浮體系泊系統(tǒng)的方向，在水池中安裝平臺和布置錨鏈模型，并給予一定的預(yù)緊力；

4）進(jìn)行橫風(fēng)、橫流、橫浪作用下的受力試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

通過開展不同試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)下的攔截體系波浪力試驗(yàn)，得到攔截系統(tǒng)運(yùn)動試驗(yàn)值和迎浪側(cè)系泊錨鏈?zhǔn)芰υ囼?yàn)值分別見表2和表3。

表2 攔截系統(tǒng)運(yùn)動試驗(yàn)值

表3 迎浪側(cè)系泊錨鏈?zhǔn)芰υ囼?yàn)值 k N

通過對橫風(fēng)、橫流、橫浪環(huán)境下的單個(gè)浮體進(jìn)行不同環(huán)境工況下的物模試驗(yàn)，得到響應(yīng)的迎浪側(cè)系泊錨鏈?zhǔn)芰υ囼?yàn)值。在工況4這種極端情況下（即風(fēng)速達(dá)到36.9 m/s），錨鏈的運(yùn)動幅度和受力值最大，最大值為1 430.70 k N，遠(yuǎn)小于錨鏈的拉力負(fù)荷8 640 k N，因此該攔截體系可在惡劣的海況下應(yīng)用。

2.2 攔截體系船撞效果試驗(yàn)

此次試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證防撞體系的防撞能力、為改進(jìn)設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)性意見和提供主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

試驗(yàn)選取的代表船型為10萬噸級散貨船，船舶最大失控漂移速度為3.0 m/s，對整個(gè)防撞體系進(jìn)行分析。雖然防撞體系的總體跨度很大，但基本單元為浮體+系泊錨鏈+消能錨碇+攔截索。因此，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取2個(gè)浮體的一段作為防撞體單元，各浮體之間的間距為500 m。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比為60，船模主體為木材，錨鏈模型選擇滿足單位長度重量相似準(zhǔn)則和彈性相似準(zhǔn)則的小型鏈條，彈性系數(shù)通過在末端加彈簧模擬。攔截索選擇滿足單位長度重量相似準(zhǔn)則的小型鏈條，鏈條兩端與滿足彈性相似準(zhǔn)則的彈簧系統(tǒng)連接。消能錨碇選取四棱臺結(jié)構(gòu)，采用水泥塊制作并用注鉛的方式，保證外形和重量相似。

在試驗(yàn)中，撞擊包括0°正撞和30°斜撞，撞擊點(diǎn)共有3個(gè)，分別為正撞浮體和攔截索上的2個(gè)浮標(biāo)（見圖8和圖9）。測力傳感器布置在2個(gè)浮體上船撞側(cè)的2#、3#和9#系泊線上及水面上的3道攔截索上。

圖8 船舶撞擊點(diǎn)和撞擊角度示意

圖9 不同撞擊點(diǎn)試驗(yàn)圖

在模型制作并安裝完畢之后，即可開始試驗(yàn)。首先進(jìn)行船模的速度標(biāo)定試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)自航船模螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使船模的航速達(dá)到要求的失控撞擊速度。隨后進(jìn)行不同方案的船模撞擊試驗(yàn)，控制船模在不同吃水下以不同方向、不同速度撞擊攔截索的不同位置，包括撞擊浮體、浮箱與墩臺間攔截索的不同部位等。

試驗(yàn)中采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)采集攔截索和系泊錨鏈的受力，同時(shí)用攝像裝置拍攝撞擊過程中船模的運(yùn)動狀態(tài)。圖10為攔截體系船撞試驗(yàn)現(xiàn)場圖。

經(jīng)過試驗(yàn)測試，得到攔截體系遭受船舶撞擊時(shí)攔截索和錨鏈的受力時(shí)程圖。圖11和圖12分別為船模正面撞擊浮體時(shí)錨鏈和攔截索的受力時(shí)程圖。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)整理，得到不同撞擊角度、不同撞擊位置下攔截索和錨鏈的最大受力值及船舶撞擊攔截體系時(shí)錨碇點(diǎn)最大移動距離見表4。

圖10 攔截體系船撞試驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖11 正撞時(shí)9#系泊錨鏈?zhǔn)芰r(shí)程圖

圖12 正撞時(shí)10#攔截索受力時(shí)程圖

表4 物模試驗(yàn)結(jié)果

通過物模試驗(yàn)驗(yàn)證，該攔截方案對10萬噸級散貨船滿載工況、3 m/s失控速度下的攔截是有效可行的，系泊錨鏈和攔截索最大受力分別為3 920 k N和1 589 k N，不會超過相應(yīng)的破斷負(fù)荷（錨鏈的破斷負(fù)荷為8 640 k N，攔截索的破斷負(fù)荷為5 239.5 k N），安全系數(shù)富余度較大。通過計(jì)算可知，該系統(tǒng)可有效攔截試驗(yàn)選取的代表船舶。

3 結(jié) 語

本文研究非通航孔橋梁防船撞的特點(diǎn)，并針對深水海域的非通航孔橋梁提出小水線面浮式攔截系統(tǒng)。詳細(xì)闡述該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和工作原理，并通過物模試驗(yàn)分析其防大型船舶撞擊的能力，得到以下結(jié)論：

1）深水海域橋梁非通航孔橋墩自身的抗撞能力較差，難以抵御大型船舶的撞擊，如遇大型船舶撞擊，傳統(tǒng)的防撞裝置難以達(dá)到保護(hù)橋梁的效果；

2）小水線面浮式攔截系統(tǒng)為新型防撞裝置，該系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性，可在惡劣海況下應(yīng)用。

3）通過物模試驗(yàn)?zāi)M10萬噸級散貨船撞擊小水線面浮式攔截系統(tǒng)的全過程，在發(fā)生碰撞時(shí)，浮體、系泊錨鏈、攔截索和消能錨碇共同作用，能成功攔截船舶撞擊。

4）該系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性，可為跨海大橋防大型船舶撞擊的防撞方案設(shè)計(jì)提供一定的參考。