為橋墩穿上防撞“鐵布衫”

文|廣東省公路事務中心

華南理工大學

廣州市恒津路橋設計咨詢有限公司

近年來，隨著我國經濟的快速發展，船運流量、船運噸位也在逐年增大,橋梁墩、臺受船舶撞擊的危險也相應增加。自然環境、通航環境、船舶狀況、船舶操縱者，以及管理者等諸多方面因素，導致船舶與橋梁發生碰撞的事故每年都有發生。在橋墩防撞研究領域，研究者提出了新的“三不壞”原則，即保證橋墩不發生損壞，船舶與防撞裝置盡量不損傷。橋梁防撞的研究重點已從傳統的防撞設施逐漸轉移到了各種新型的防撞裝置上。

鋼-聚氨酯夾層板新型橋墩防撞浮箱示意圖

防撞浮箱外形及斷面

鋼-聚氨酯夾層板

“鋼-聚氨酯夾層板曲面結構橋墩防撞浮箱研究”項目研發的圓環型防撞套箱，具有可浮動、可轉動特性，能有效撥開撞擊船頭，提升內河航道圓柱形橋墩的防撞效果，實現了對橋墩和船舶的有效保護。該種橋墩防撞套箱整體呈曲面圓環形，斷面呈橢圓形，采用抗沖擊性能較好的鋼－聚氨酯夾層材料制造，表面光滑，可轉動和隨水位浮動，有利于適應不同的船頭高度，碰撞時容易撥開船頭，回避或減弱了撞擊力，提升了整體防撞性能，可工廠化、系列化、標準化生產，裝配化安裝，是橋墩防撞理念和方法研究的一次新突破。

設計一件高品質的“鐵布衫”

內河航道具有水位變化大、航道寬度余量小、船型多樣、漂浮物多、水流速快且方向不穩定的特點。傳統的內河航道主要靠防撞設施吸收撞擊能量的橋墩防撞設施，在船舶撞擊后修復或更換難度大，費用較高。因此，項目提出了以防撞箱轉動撥開船頭，將船的動能大多保留在船上，回避或減弱撞擊為主的防撞新理念，研發一種整體呈曲面的圓環形結構，可隨水位浮動和轉動的橋墩防撞浮箱。該種防撞裝置是目前國內外最接近“三不壞”原則的防撞浮箱。

以防撞箱轉動撥開船頭的防撞原理研究

目前，橋墩防撞套箱的共同點是箱體不能轉動，防撞原理主要靠箱體變形來吸收撞擊能量。這導致碰撞過程中，防撞箱及船舶都受到較大損傷，修復難度大，也帶來較大的經濟損失。項目提出了以防撞箱轉動來撥開船頭的防撞原理和方法，將橋墩防撞結構設計為整體呈曲面圓環形、斷面呈橢圓形的新型防撞浮箱，適用于內河航道橋墩防撞，最大程度緩解各種船頭的撞擊。

采用鋼-聚氨酯夾層板材料制造防撞浮箱

文獻顯示，美國海洋戰爭中心研究了夾層板與普通鋼板的沖擊對比試驗，夾層板的抗沖擊性能遠高于普通鋼板。鋼-聚氨酯夾層板具有結構簡單、抗疲勞性能好、剛度大、強度高、減振緩沖性能好、重量輕、制造方便等特點，適用于防撞浮箱的制造。項目采用鋼-聚氨酯夾層板制造橋墩浮箱，可進一步提高防撞箱的抗撞擊性能。由于防撞箱本身剛度和強度的提高，可減少內部大量的加勁肋和型鋼支架，節省鋼材用量。

鋼-聚氨酯防撞浮箱動力碰撞模擬計算

項目采用顯式動力瞬態非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了船舶撞擊橋墩的仿真模型，分析了不同聚氨酯厚度、不同鋼板厚度、不同外形尺寸條件下的防撞套箱的抗沖擊性能。聚氨酯層具有明顯的彈性，通過聚氨酯層的彈塑性變形能有效延長船舶和浮箱的接觸碰撞時間、消耗轉移船舶初動能、有效降低碰撞力峰值。改變內、外層鋼板厚度能明顯改變鋼-聚氨酯浮箱的整體剛度，影響船舶和浮箱的接觸碰撞時間及碰撞力峰值。夾層材料的彈塑性變形，可以在碰撞過程中使得船舶動能得到有效緩沖消耗，降低或避免橋墩與船舶的撞擊破壞。采用鋼-聚氨酯夾層材料制造的橋墩防撞浮箱，能夠有效地發揮其抗沖擊、耐撞擊的防撞耗能作用。

鋼-聚氨酯防撞浮箱等效靜力碰撞模擬

項目通過研究撞擊過程中船舶撞擊力和速度的變化，分析了船舶、防撞套箱、橋墩之間的能量轉換及受力變形。鋼-聚氨酯防撞浮箱具有良好的受力性能，在等效靜力荷載作用下，其應力、位移值均在合理范圍，能有效提升整體防撞性能。

全新的橋梁防撞浮箱

項目通過理論研究、動力碰撞及靜力仿真模擬計算、工程驗證等手段，對鋼-聚氨酯夾層板曲面結構橋墩防撞浮箱進行了系統研究，取得了多項技術創新成果。項目研發了一種整體呈曲面圓環形、斷面呈橢圓形的新型橋墩防撞浮箱，適應于內河圓柱形橋墩防撞，可工廠化、系列化、標準化生產，模塊化安裝。

研究人員首次采用抗沖擊性能好的鋼-聚氨酯夾層材料板制造橋墩防撞浮箱，提高了整體防撞性能，且提出了具有可浮動、可轉動特性的防撞浮箱結構體系，能有效撥開撞擊船頭，提升了防撞效果，實現了對船舶和墩身的有效保護。

該種新型的橋墩防撞浮箱在碰撞時容易轉動撥開船頭，可節省內部大量的加勁肋和型鋼支架。與同類鋼防撞箱相比，防撞性能可提高3倍，鋼材用量減少30%以上，工程造價相當，可工廠化、系列化、標準化生產，裝配化安裝。與國內外同類技術比較，研究成果具有明顯的先進性、科學性、使用性。

防撞原理不同

傳統的防撞設施吸收大部分的撞擊能量，新型防撞浮箱利用了圓環型防撞套箱的可浮動、可轉動特性。項目研究總結了套箱撥開撞擊船頭的防撞新理論，撞擊時容易撥開船頭，將船的動能大多保留在船上，回避或減弱了撞擊力，在撞擊過程中能有效保護橋墩。

制造材料不同

傳統防撞套箱采用鋼材制造，需焊接大量的加勁肋和型鋼支架提升套箱的剛度和強度，而項目采用了抗沖擊性能好的鋼－聚氨酯夾層材料板制造，可提高整體的防撞性能。

防撞箱構造不同

傳統防撞套箱形狀、結構多樣化，新型防撞套箱整體呈曲面圓環形，斷面呈橢圓形，提高了防撞箱本身剛度和強度，減少內部焊接大量的加勁肋和型鋼支架，減輕了自重，進一步豐富發展了圓柱形橋墩防撞理論體系。

廣東省清遠市陽山縣水口大橋工程應用

新會小岡大橋工程應用

制造安裝工藝不同

傳統鋼防撞套箱鋼材用量大，現場焊接工作多，新型防撞套箱可工廠化、系列化、標準化生產，模塊化安裝。

新型曲面形防撞套箱可以安裝在原墩柱上，也可以安裝在另增設的防撞樁上，是一種內河航道上性價比高，適應性強的橋墩防撞設施，具有廣泛應用推廣前景。

橋梁無懼船撞

項目的研究成果已在兩座實橋防撞工程中得到應用。

2014年3月成果應用在廣東省清遠市陽山縣水口大橋的橋墩防撞工程。根據橋梁養護單位反映，平均每年有4艘至8艘載砂船撞擊大橋，而該防撞設施很好地保護了橋墩。2016年4月成果應用在廣東省省道271線新會小岡大橋的橋墩防撞工程，過去兩年，橋墩防撞設施避免了數次橋墩被撞事故。

實施效果表明，內河航道具有水位變化大、航道寬度余量小、船型多樣、漂浮物多、水流速快且方向不穩定的特點。項目研究成果可用于內河航道上圓柱形橋墩的防撞，防撞效果好、性價比高，經濟、社會效益顯著，推廣應用前景廣闊。