大橋防撞攔截體系模型試驗

王金權， 陸 勇

（1.寧波市杭州灣大橋發展有限公司，浙江寧波315000；2.上海船舶運輸科學研究所，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域，這無疑提高了船舶在這些區域航行的難度，一旦船舶失控或出現人為失誤，很有可能導致船撞橋事故發生。近年來，國內外相繼發生多起非通航孔橋墩引發的船撞橋事故（如九江大橋船撞橋事故），造成重大財產損失和不良的社會影響[1]。

與主通航孔橋墩相比，非通航孔橋墩的結構強度通常較弱，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特的防撞裝置，主要應用于大型橋梁的非通航孔上。近年來，許多創新型非通航孔防撞裝置被設計出來，如自適應攔截網防船舶撞擊裝置、觸發旋轉式攔截消能系統、浮基高架攔阻防撞系統、墩臺浮體組合攔截系統、大距離走錨消能式防撞系統和樁基高架走錨消能式攔阻船舶系統等[2-7]。

研究發現，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，不能更好地保護橋梁，同時對海況的要求較高。以樁基高架走錨消能式攔阻船舶系統為例，該系統目前應用于金塘大橋西北側，由攔阻網、端部支撐架、輔助支撐、重力錨和錨鏈等構成（見圖1）。

圖1 樁基高架走錨消能式攔阻船舶系統

該防撞裝置主要應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行保護不容忽視。本文結合某大型跨海大橋，提出新型小水線面浮式攔截系泊體系的方案，用于保護非通航孔橋墩，并通過物模試驗驗證防撞效果，為以后大型橋梁非通航孔橋墩防撞提供技術參考。

1 小水線面浮式攔截系泊體系

1.1 線型優化

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，故需設計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，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。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，決定將浮體進一步優化為小水線面浮式平臺，使其具有更好的耐波性，從而達到長期保護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，若干個浮體平臺間隔一定距離排列，攔截體系浮于水面之上，當船舶撞擊浮體或攔截索時，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生很大的摩擦力，用于吸收船舶的動能。設施示意見圖3～圖5。

圖3 小水線面攔截系統立面布置圖

該系統為新型小水線面雙體浮式結構，采用模塊化的設計構想。小水線面攔截平臺見圖6，每個攔截平臺為一個攔截單元，多個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有浮子，為攔截錨鏈提供浮力。該方案可根據實際的設防需要靈活布置。

圖4 小水線面攔截系統側面布置圖

圖5 小水線面攔截系統平面布置圖

圖6 小水線面攔截平臺示意

2 物模試驗

物模試驗能直觀地反映攔截系統在不同海況下的運動和受力情況，可獲取更多可靠的數據。此次試驗可根據試驗內容分為攔截體系波浪力試驗和攔截體系船撞效果試驗，分別驗證防撞系統的適應性和防撞效果。

2.1 攔截體系波浪力試驗

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

系泊錨鏈滿足重量相似準則和彈性系數相似準則，綜合考慮水池的設備能力和試驗精度方面的因素，選取模型縮尺比λ=60。試驗步驟為：

1）在慣量校驗架上調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對應的模擬不規則波浪、要求風速和流速對應的模擬風及模擬水流，試驗環境參數見表1；

圖7 攔截系統在風浪流作用下運動及受力測試模型

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

4）進行橫風、橫流、橫浪作用下的受力試驗。

表1 試驗環境參數

通過開展不同試驗環境參數下的攔截體系波浪力試驗，得到攔截系統運動試驗值和迎浪側系泊錨鏈受力試驗值分別見表2和表3。

表2 攔截系統運動試驗值

表3 迎浪側系泊錨鏈受力試驗值 k N

通過對橫風、橫流、橫浪環境下的單個浮體進行不同環境工況下的物模試驗，得到響應的迎浪側系泊錨鏈受力試驗值。在工況4這種極端情況下（即風速達到36.9 m/s），錨鏈的運動幅度和受力值最大，最大值為1 430.70 k N，遠小于錨鏈的拉力負荷8 640 k N，因此該攔截體系可在惡劣的海況下應用。

2.2 攔截體系船撞效果試驗

此次試驗的目的是驗證防撞體系的防撞能力、為改進設計提出指導性意見和提供主要的設計參數。

試驗選取的代表船型為10萬噸級散貨船，船舶最大失控漂移速度為3.0 m/s，對整個防撞體系進行分析。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，試驗模型選取2個浮體的一段作為防撞體單元，各浮體之間的間距為500 m。

試驗模型的縮尺比為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則和彈性相似準則的小型鏈條，彈性系數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則的小型鏈條，鏈條兩端與滿足彈性相似準則的彈簧系統連接。消能錨碇選取四棱臺結構，采用水泥塊制作并用注鉛的方式，保證外形和重量相似。

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

圖8 船舶撞擊點和撞擊角度示意

圖9 不同撞擊點試驗圖

在模型制作并安裝完畢之后，即可開始試驗。首先進行船模的速度標定試驗，通過調節自航船模螺旋槳的轉速，使船模的航速達到要求的失控撞擊速度。隨后進行不同方案的船模撞擊試驗，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。

試驗中采用計算機實時采樣系統采集攔截索和系泊錨鏈的受力，同時用攝像裝置拍攝撞擊過程中船模的運動狀態。圖10為攔截體系船撞試驗現場圖。

經過試驗測試，得到攔截體系遭受船舶撞擊時攔截索和錨鏈的受力時程圖。圖11和圖12分別為船模正面撞擊浮體時錨鏈和攔截索的受力時程圖。經過一系列的試驗和數據整理，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錨碇點最大移動距離見表4。

圖10 攔截體系船撞試驗現場圖

圖11 正撞時9#系泊錨鏈受力時程圖

圖12 正撞時10#攔截索受力時程圖

表4 物模試驗結果

通過物模試驗驗證，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，不會超過相應的破斷負荷（錨鏈的破斷負荷為8 640 k N，攔截索的破斷負荷為5 239.5 k N），安全系數富余度較大。通過計算可知，該系統可有效攔截試驗選取的代表船舶。

3 結 語

本文研究非通航孔橋梁防船撞的特點，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。詳細闡述該系統的設計思路和工作原理，并通過物模試驗分析其防大型船舶撞擊的能力，得到以下結論：

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，傳統的防撞裝置難以達到保護橋梁的效果；

2）小水線面浮式攔截系統為新型防撞裝置，該系統具有良好的適應性，可在惡劣海況下應用。

3）通過物模試驗模擬10萬噸級散貨船撞擊小水線面浮式攔截系統的全過程，在發生碰撞時，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）該系統具有一定的創新性，可為跨海大橋防大型船舶撞擊的防撞方案設計提供一定的參考。