橋墩防撞技術研究綜述

鐘鵬 豐火雷 周開發

摘 要：隨著我國交通運輸業和海外貿易經濟的蓬勃發展，江海之上出現越來越多的大型橋梁，往來的貿易船舶也絡繹不絕，橋船間的撞擊事故也頻繁發生。為此，很多學者進行了相關研究，提出了不同的橋船碰撞的理論，并設計出了許多橋墩防撞裝置。本文就目前應用的防撞技術作了介紹和評述，并提出了一種基于Origami結構的智能化橋墩防撞設計思路，以供相關方面參考。

關鍵詞：橋墩防撞;Origami結構;智能化體系

1 橋墩防撞設施介紹

防撞設施可分為主動防撞設施和被動防撞設施。主動防撞設施是指在船橋相撞之前，船舶會發出聲、電、光等預警信號來加以引導，但這并不能從根本上保護橋墩，只能起到輔助作用。被動防撞設施是指在船相距橋梁較近時，為了防止船舶直接撞上橋墩而設置的阻攔和護墩裝置。20世紀80年代，根據設置場所的不同，日本學者巖井·聰將各種被動防撞設施分為直接構造型和間接構造型。直接構造型是指設施與橋墩直接相連安裝，間接構造型則是安裝在距橋墩一定距離的地方。本文將對橋墩的被動防撞設施進行介紹。

1.1 防撞鋼套箱——直接構造抗壓變形型

作為鋼結構防撞裝置的基本類型，鋼套箱型橋墩防撞裝置充分利用了鋼材自身的特性。它采用Q235鋼進行全焊接，其主體結構有：底板、甲板、內圍板、外圍壁、橫縱艙壁等，設置多室構造套箱和橡膠緩沖層，這種結構不僅吸能效果好，自重也小。由于鋼材具有一定的塑性，在碰撞過程中，鋼結構可以產生塑性形變，由此吸收巨大的沖擊能。鋼結構又具有較大的剛度，它可以在一段較長的時間內抵抗撞擊帶來的影響，從而很大程度地降低真正傳至橋墩實體的撞擊力。此外，為了更好地發揮消能作用，將上百個滾筒橡膠護舷安裝在防撞套箱和承臺接觸的圍壁板上，改善其接觸條件。在鋼套箱遭受船舶撞擊后，這些橡膠護舷可以有效地分散撞擊力，確保橋墩實體不被破壞。

近年來，鋼套箱防撞設施已經應用到了大型橋梁的深水基礎防撞中，如國內已完成的港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、泉州灣跨海大橋以及膠州灣跨海大橋等。但是，一旦橋墩遭到了船撞，鋼套箱由于吸收了較多的能量，結構發生塑性變形而失去使用性能，導致鋼套箱需經常檢修和更換。同時，鋼套箱結構有較大剛度，撞擊過程船舶會受到損壞。

1.2 浮式柔性防撞護套——直接構造彈性變形型

浮式柔性護套適用于水位時高時低的的航道處橋墩，由于其主體是充氣膠囊，且為蜂窩狀，具有很好的彈性性能，可以同時兼顧橋墩和船舶的安全。附屬部分是鋼浮箱和柔性橡膠護舷，自重小，排水體積大，護套整體可隨著水位的升降而上下浮動。

當發生船撞事故時，來自船舶的動能絕大部分儲存在蜂窩狀充氣膠囊的彈性變形中。將無護套短時間內的集中撞擊轉變為延時性的柔性消能過程，從而實現既保護橋墩又不損壞船舶的目的。考慮到防撞護套承受撞擊后可能會局部受損，將充氣膠囊做成蜂窩狀，這樣即使局部受損也不會導致整體失效，提高了設施的實用性和耐久性。此外，浮式柔性防撞護套采用裝配式，方便安裝和維修。

1.3 薄壁圍堰防撞系統——間接構造抗壓變形型

薄壁圍堰防撞系統分為兩個圍堰：起防撞擊作用的上部鋼圍堰和起支撐兼防撞擊作用的下部混凝土圍堰。鋼圍堰的主體結構由頂部、底板、內外側板、隔膜、垂直和水平肋等板結構組成，下部由混凝土圍堰支撐，整個薄壁圍堰系統是在橋墩底部膨脹基礎上發揮作用。鋼圍堰的內部采用鋼支撐，兩個用鋼梁連接的鋼圍堰圍住兩個成對的立柱。但是，圍堰并不直接接觸橋墩和立柱。當船撞事故發生時，具有沖擊韌性的鋼圍堰吸收大部分能量，加之與橋墩實體有一定的距離，能夠延長抵抗撞擊時長，期間船舶本身也會發生變形和破壞，從而有效地降低船橋碰撞力。

薄壁圍堰防撞系統的優點在于：（1）圍堰底部采用混凝土，節省鋼材，更好地支撐頂部，即使水位較低，也能起到防碰撞作用;（2）整個系統大多由鋼結構組成，可方便工廠加工、現場安裝和維修;（3）圍堰直接取決于橋墩底部的膨脹基礎，沒有額外的施工基礎，避免了對原始橋梁基礎周圍土壤的破壞。但是，這種防撞系統只能保護橋墩，船舶會因變形太大而受損嚴重。

2 新型防撞設施的設計思路

通過分析目前的被動防撞設施，理想的裝置是需要同時兼顧橋梁、船舶和通航三方面的要求。本文基于Origami結構，提出一種新的設計思路。Origami結構的反復折疊，具有良好的伸縮性，不會占用太大的空間，對通航影響小。當船撞向這種防撞設施時，Origami結構會被壓縮，船舶的變形和破壞程度相對較小。Origami結構本身的凹凸、棱角性，能讓撞擊能在傳遞的過程中類似于光線在界面處反射逐漸被削弱，因而能量吸收和消耗效率高，從而極大程度地減少了對橋墩的損傷。此外，Origami結構在局部被撞擊損壞后，不會導致整體防撞設施的失效，維修時也可只對局部進行處理。

3 結論

每種防撞設施都有其優越性和局限性，具體采用何種類型的設施需要綜合考慮地理環境、船舶大小、航速、橋墩自身特點等多種因素。各種防撞設施并非是相互獨立的，具體應用時，可以相互借鑒、取長補短，以期達到最優狀態。Origami結構由于其優良的彈性性能和可觀的吸能效率，可以為橋墩防撞設施提供一種新的可行性思路。

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