橋墩防撞技術(shù)研究綜述

鐘鵬 豐火雷 周開發(fā)

摘 要：隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)和海外貿(mào)易經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，江海之上出現(xiàn)越來越多的大型橋梁，往來的貿(mào)易船舶也絡(luò)繹不絕，橋船間的撞擊事故也頻繁發(fā)生。為此，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了不同的橋船碰撞的理論，并設(shè)計(jì)出了許多橋墩防撞裝置。本文就目前應(yīng)用的防撞技術(shù)作了介紹和評(píng)述，并提出了一種基于Origami結(jié)構(gòu)的智能化橋墩防撞設(shè)計(jì)思路，以供相關(guān)方面參考。

關(guān)鍵詞：橋墩防撞;Origami結(jié)構(gòu);智能化體系

1 橋墩防撞設(shè)施介紹

防撞設(shè)施可分為主動(dòng)防撞設(shè)施和被動(dòng)防撞設(shè)施。主動(dòng)防撞設(shè)施是指在船橋相撞之前，船舶會(huì)發(fā)出聲、電、光等預(yù)警信號(hào)來加以引導(dǎo)，但這并不能從根本上保護(hù)橋墩，只能起到輔助作用。被動(dòng)防撞設(shè)施是指在船相距橋梁較近時(shí)，為了防止船舶直接撞上橋墩而設(shè)置的阻攔和護(hù)墩裝置。20世紀(jì)80年代，根據(jù)設(shè)置場(chǎng)所的不同，日本學(xué)者巖井·聰將各種被動(dòng)防撞設(shè)施分為直接構(gòu)造型和間接構(gòu)造型。直接構(gòu)造型是指設(shè)施與橋墩直接相連安裝，間接構(gòu)造型則是安裝在距橋墩一定距離的地方。本文將對(duì)橋墩的被動(dòng)防撞設(shè)施進(jìn)行介紹。

1.1 防撞鋼套箱——直接構(gòu)造抗壓變形型

作為鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行全焊接，其主體結(jié)構(gòu)有：底板、甲板、內(nèi)圍板、外圍壁、橫縱艙壁等，設(shè)置多室構(gòu)造套箱和橡膠緩沖層，這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生塑性形變，由此吸收巨大的沖擊能。鋼結(jié)構(gòu)又具有較大的剛度，它可以在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)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(shí)體的撞擊力。此外，為了更好地發(fā)揮消能作用，將上百個(gè)滾筒橡膠護(hù)舷安裝在防撞套箱和承臺(tái)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(hù)舷可以有效地分散撞擊力，確保橋墩實(shí)體不被破壞。

近年來，鋼套箱防撞設(shè)施已經(jīng)應(yīng)用到了大型橋梁的深水基礎(chǔ)防撞中，如國內(nèi)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(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形而失去使用性能，導(dǎo)致鋼套箱需經(jīng)常檢修和更換。同時(shí)，鋼套箱結(jié)構(gòu)有較大剛度，撞擊過程船舶會(huì)受到損壞。

1.2 浮式柔性防撞護(hù)套——直接構(gòu)造彈性變形型

浮式柔性護(hù)套適用于水位時(shí)高時(shí)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(shí)兼顧橋墩和船舶的安全。附屬部分是鋼浮箱和柔性橡膠護(hù)舷，自重小，排水體積大，護(hù)套整體可隨著水位的升降而上下浮動(dòng)。

當(dāng)發(fā)生船撞事故時(shí)，來自船舶的動(dòng)能絕大部分儲(chǔ)存在蜂窩狀充氣膠囊的彈性變形中。將無護(hù)套短時(shí)間內(nèi)的集中撞擊轉(zhuǎn)變?yōu)檠訒r(shí)性的柔性消能過程，從而實(shí)現(xiàn)既保護(hù)橋墩又不損壞船舶的目的。考慮到防撞護(hù)套承受撞擊后可能會(huì)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(huì)導(dǎo)致整體失效，提高了設(shè)施的實(shí)用性和耐久性。此外，浮式柔性防撞護(hù)套采用裝配式，方便安裝和維修。

1.3 薄壁圍堰防撞系統(tǒng)——間接構(gòu)造抗壓變形型

薄壁圍堰防撞系統(tǒng)分為兩個(gè)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(jié)構(gòu)由頂部、底板、內(nèi)外側(cè)板、隔膜、垂直和水平肋等板結(jié)構(gòu)組成，下部由混凝土圍堰支撐，整個(gè)薄壁圍堰系統(tǒng)是在橋墩底部膨脹基礎(chǔ)上發(fā)揮作用。鋼圍堰的內(nèi)部采用鋼支撐，兩個(gè)用鋼梁連接的鋼圍堰圍住兩個(gè)成對(duì)的立柱。但是，圍堰并不直接接觸橋墩和立柱。當(dāng)船撞事故發(fā)生時(shí)，具有沖擊韌性的鋼圍堰吸收大部分能量，加之與橋墩實(shí)體有一定的距離，能夠延長(zhǎng)抵抗撞擊時(shí)長(zhǎng)，期間船舶本身也會(huì)發(fā)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(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）圍堰底部采用混凝土，節(jié)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(gè)系統(tǒng)大多由鋼結(jié)構(gòu)組成，可方便工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝和維修;（3）圍堰直接取決于橋墩底部的膨脹基礎(chǔ)，沒有額外的施工基礎(chǔ)，避免了對(duì)原始橋梁基礎(chǔ)周圍土壤的破壞。但是，這種防撞系統(tǒng)只能保護(hù)橋墩，船舶會(huì)因變形太大而受損嚴(yán)重。

2 新型防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)思路

通過分析目前的被動(dòng)防撞設(shè)施，理想的裝置是需要同時(shí)兼顧橋梁、船舶和通航三方面的要求。本文基于Origami結(jié)構(gòu)，提出一種新的設(shè)計(jì)思路。Origami結(jié)構(gòu)的反復(fù)折疊，具有良好的伸縮性，不會(huì)占用太大的空間，對(duì)通航影響小。當(dāng)船撞向這種防撞設(shè)施時(shí)，Origami結(jié)構(gòu)會(huì)被壓縮，船舶的變形和破壞程度相對(duì)較小。Origami結(jié)構(gòu)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(duì)橋墩的損傷。此外，Origami結(jié)構(gòu)在局部被撞擊損壞后，不會(huì)導(dǎo)致整體防撞設(shè)施的失效，維修時(shí)也可只對(duì)局部進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

每種防撞設(shè)施都有其優(yōu)越性和局限性，具體采用何種類型的設(shè)施需要綜合考慮地理環(huán)境、船舶大小、航速、橋墩自身特點(diǎn)等多種因素。各種防撞設(shè)施并非是相互獨(dú)立的，具體應(yīng)用時(shí)，可以相互借鑒、取長(zhǎng)補(bǔ)短，以期達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。Origami結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)良的彈性性能和可觀的吸能效率，可以為橋墩防撞設(shè)施提供一種新的可行性思路。

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