新型橋墩防船撞裝置的探討

陸明龍

摘要：船舶與通航橋梁的碰撞事故在世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，有可能造成巨大的人員傷亡和嚴重的環(huán)境污染。為橋墩設(shè)置一種物理保護系統(tǒng)是減輕事故破壞的可行性方案。針對船撞橋的問題，簡述了橋墩防撞的目的和意義，總結(jié)了橋墩防撞設(shè)施的分類，并探討了新型的防撞裝置。

關(guān)鍵詞：橋墩；船只；碰撞；防撞設(shè)施；新型防撞裝置

1前言

跨越沿海或內(nèi)河繁忙航道的橋梁結(jié)構(gòu)，由于氣候、駕駛員操作失誤、機械故障等不利因素，容易被船舶碰撞。在被船舶碰撞的情況下，橋梁受到巨大的能量，難免會損壞甚至倒塌。根據(jù)美國國有公路運輸管理員協(xié)會（AASHTO）的統(tǒng)計結(jié)果，在1960年至2002年間，全球共有31座主要橋梁因船只的碰撞而倒塌，造成342人死亡。橋梁由于船舶碰撞造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失則更加嚴重了。

我國最早建成的長江大橋武漢大橋，據(jù)統(tǒng)計，武漢大橋自建成到2000年，共被船只碰撞70余次，其中橋墩受撞的次數(shù)高達67次。武漢大橋由于被橋梁碰撞留下的風險是十分巨大的。2007年，廣東九江大橋橋墩因受船只碰撞，倒塌長度200余米，8人在事故中死亡。我國建成的橋梁眾多，因受船只碰撞造成的威脅十分巨大。橋梁防撞的意識必須引起工程人員的重視，設(shè)計出能承受船舶碰撞產(chǎn)生的沖擊荷載的橋梁結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。另外，給橋墩提供一種保護裝置，將船舶施加在橋墩的沖擊荷載降低到非破壞性水平，使暴露在外的橋墩的損傷最小化，是橋墩防撞的主要研究內(nèi)容。

2防撞設(shè)施的分類

目前，防撞設(shè)施可分為主動防撞設(shè)施和被動防撞設(shè)施兩大類。主動防撞設(shè)施是指通過航標、橋涵標及相關(guān)警示標志、導航系統(tǒng)等引導船舶沿正確航道行駛的設(shè)施，如航標燈、霧天黃燈、閃燈系統(tǒng)、雷達靶、GPS衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)、激光預警系統(tǒng)、VTS監(jiān)控系統(tǒng)等預警式設(shè)施。主動防撞裝置在船舶撞上橋墩之前就發(fā)出信號讓駕駛員注意，保持警惕，及時調(diào)離前進的方向，是一種非接觸式防撞設(shè)施。由于主動防撞設(shè)施并不能完全保證船舶不會撞上橋墩，故需增加在發(fā)生碰撞時減輕破壞和損失的防護裝置，這種防護設(shè)施就稱為被動防撞設(shè)施。

上世紀80年代，日本學者按照設(shè)施設(shè)置的地點，把被動防撞設(shè)施分為直接構(gòu)造和間接構(gòu)造。直接構(gòu)造的原理是通過削弱船撞力和加強橋墩等措施，利用橋墩的抵抗力承受船的撞擊而不發(fā)生破壞。間接構(gòu)造的基本原理是：船在撞上橋墩時，先撞到橋墩外的防護裝置，吸收船舶的一部分或全部能量，“御敵于國門之外”，船只撞不到橋墩，使橋墩免受損傷和破壞。

1991年，國際橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會將防撞結(jié)構(gòu)分為以下5種：1）擋板系統(tǒng)；2）支撐樁系統(tǒng)；3）系纜樁系統(tǒng)；4）人工島系統(tǒng)；5）浮動保護系統(tǒng)。每個保護系統(tǒng)都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域，通常可根據(jù)橋梁所處的環(huán)境及通航情況設(shè)置防撞設(shè)施。

我國學者在1995年，根據(jù)船撞橋后的損傷結(jié)果把防撞設(shè)施分為以下三種：①保護橋墩，防撞設(shè)施不損壞的設(shè)施；②但保護橋墩，防撞設(shè)施損壞的設(shè)施；③能同時保護橋墩、船和防撞設(shè)施，也稱“三不壞”防撞設(shè)施。

3新型防撞裝置

對于傳統(tǒng)的防撞裝置，雖在一定程度上能保護橋墩免受破壞，但不能保證碰撞后防護裝置和船只不會受到損害。防護裝置如果碰撞后毀壞了，那么事故之后就要更換防護裝置，防護裝置由于其性能要求高，其成本往往是很大的，更換一次裝置需要花費很多的人力和財力，甚至會影響航道的通行，較長時間阻止航道暢通。同理，船只如果在碰撞后發(fā)生破壞，不僅造成船上的人員傷害，大范圍漏油還會導致下游水環(huán)境污染，給人用水造成威脅。因此，我們需要研究前己敘述的“三不壞”防護裝置。以下主要探討最近我國學者和專家們研究并應(yīng)用于實際工程中的新型防撞裝置。

3.1雙壁鋼圍堰自旋浮筒

雙壁鋼圍堰主體結(jié)構(gòu)由兩層鋼圍堰，鋼圍堰之間設(shè)w型鋼折板組成。w型鋼折板可以起緩沖作用，延長碰撞的時間。外層鋼圍堰設(shè)置自旋浮筒，自旋浮筒環(huán)繞著橡膠層，浮筒內(nèi)部設(shè)置橫隔板。在碰撞的過程中，自旋浮筒由于接觸面的摩擦力帶動浮筒自旋，同時撥動船頭，改變船體行駛的方向，減小船只的損傷。自旋浮筒和雙層鋼圍堰兩者的變形可以抵抗沖擊力，消耗能量，從而達到減小橋墩的損傷程度。雙壁鋼圍堰自旋浮筒是一種改進后的新型橋墩防撞裝置，生產(chǎn)成本低，施工方便，對于中小型橋梁通航較小的具有良好的防撞效果，應(yīng)用前景好。

3.2 FRP防撞浮箱

纖維增強復合材料（FRP）是指經(jīng)一定工藝程序復合形成的新型高性能材料，具有強度高、耐腐蝕性強、可工廠預制等優(yōu)點。FRP防撞浮箱總體結(jié)構(gòu)形式是由外圍箱體結(jié)構(gòu)、附在外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁板上的薄壁消能簡體和掛在外圍箱體結(jié)構(gòu)外壁上的薄壁消能簡體組成。其中，外圍箱體結(jié)構(gòu)的材料是FRP，主要承受外來荷載的撞擊。箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上的消能簡體，能減小箱體結(jié)構(gòu)與橋墩的接觸，發(fā)生撞擊時可消耗能量。箱體結(jié)構(gòu)外壁上的消能簡體在碰撞時，可通過自身的變形將傳遞的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，作為緩沖結(jié)構(gòu)延長撞擊的時間。

FRP防撞浮箱應(yīng)用于我國重慶的黃花園嘉陵江大橋，具有高性能的耗能能力，結(jié)構(gòu)新穎，更換方便，顯著降低了碰撞力，延長碰撞持續(xù)時間，具有很好的應(yīng)用前景。

3.3 SPS夾層板（聚氨酯鋼夾層結(jié)構(gòu)板）防撞套箱

防撞套箱整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較簡單，形狀為曲面圓環(huán)形，套箱由里到外材料為鋼板+聚氨酯芯層+鋼板。SPS夾層板是指在兩層鋼板件澆注聚氨酯彈性體而形成的復合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。構(gòu)件里的鋼板主要承受沖擊力，聚氨酯層可以吸收能量，傳遞分散應(yīng)力，減小對橋墩的沖擊。SPS夾層板具有質(zhì)輕高強、加工方便、減震緩沖性能好、抗沖擊性能好、修理方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點。SPS夾層板屬于浮動式裝置，可以隨水面高度變化而上下浮動。SPS夾層板防撞套箱與普通的防撞裝置相比，表面光滑，且能轉(zhuǎn)動。當船撞到套箱時，SPS夾層板防撞套箱能撥開船頭，改變船的前進方向，大大降低了船舶的損傷程度，是屬于“三不壞”裝置。目前，我國廣東江門市小岡大橋20#橋墩的防撞裝置應(yīng)用了SPS夾層板防撞套箱。SPS夾層板防撞套箱是一種新型的防撞裝置，在很多方面有創(chuàng)新，具有良好的應(yīng)用前景和參考意義。

4結(jié)語

船舶與橋墩碰撞的事故影響到橋梁的運營安全，帶來極大的破壞成本和嚴重環(huán)境后果。橋梁防撞裝置各有優(yōu)缺點，根據(jù)工程實際情況，安裝耗能能力強且“三不壞”的新型橋墩防船撞裝置，對橋墩和船的安全運行至關(guān)重要。