橋梁防船撞技術及設施淺析

黃 河

中國公路工程咨詢集團有限公司 北京 100000

1 引言

最近幾年,在中國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展、城市化建設進程不斷加快的共同作用之下,交通運輸產(chǎn)業(yè)迎來了新的“發(fā)展春天”,橫跨海峽、江河、湖泊的橋梁與日俱增,而船舶數(shù)量、噸位、航速均在快速提升,在該種大背景之下,船舶撞擊橋梁事故層出不窮,并且該種態(tài)勢仍持續(xù)增長。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,自上世紀六十年代開始,一直到本世紀初期,大型撞船事故高達42起。引起撞船事故的誘因包括多種,最為主要的三種因素便是人為操控失誤、設備產(chǎn)生異常、氣候惡劣。可見,僅僅依靠航道管理單位進行調(diào)控并不能從根源上降低撞船事故發(fā)生率。

2 防撞保護系統(tǒng)的作用

根據(jù)美國空中通道橋事故、瑞典阿爾默橋事故進行深入、全面的調(diào)查分析之后可以發(fā)現(xiàn),早期大部分橋梁基本沒有配設防撞保護系統(tǒng),盡管個別橋梁加裝了該系統(tǒng),但是也由于防護能力較弱而同樣導致了嚴重的后果。

從理論定義方面進行分析,如果橋墩承受力較低,在船舶撞擊力之下,橋梁的抗沖擊力無法由橋墩全部提供,具體如下:

(1)通常情況下,橋墩剛度均非常大,因而當橋梁受到撞擊時,無法形成足夠變形來緩解沖擊力。

(2)為了確保橋梁上部結構的安全,橋墩的位移量必須控制在特定區(qū)間之內(nèi)。

(3)對于肇事船舶而言,無論船頭剛度多小,船頭鋼板的壓扁長度均是變形量大小的決定條件,正是基于該點,變形量將非常有限,緩解的撞擊動能要遠遠低于撞擊能量。

通過上述分析可以得知,如果橋梁沒有加裝防護系統(tǒng),那么當船舶撞擊橋梁時,其將同橋墩直接接觸。因二者剛度非常大、變形量相對較小,無法對撞擊動能進行緩解,所以將會形成非常高的撞擊力,如此一來,船壞橋塌的現(xiàn)象將十分普遍[1]。基于此,防撞保護系統(tǒng)將直接決定橋梁的抗沖擊能力,同時會起到一定的緩沖作用,降低船舶、橋梁的損壞程度。

3 防撞結構設計原則

(1)通過對大量撞擊事故進行分析得知,水中建筑物在上下游方向被撞擊的概率要遠遠高于航道內(nèi)外側。同時,船舶在建筑物上下游進行撞擊時,其所產(chǎn)生的法向速度也更高。因此,在上下游配設防撞裝置時,應確保其強度更高。

(2)當船舶、橋梁發(fā)生撞擊事故時,船艏上部離水面距離較大,并且呈現(xiàn)出向前突出的形態(tài),尤其是一些大型船舶處在空載狀態(tài)之下,該種狀況更加凸現(xiàn)。發(fā)生撞擊事故時,若船艏因受到外力而產(chǎn)生損壞,那么船舶上部將更加侵入被撞物,因此防撞結構、主體結構間必須保持適當距離。

(3)在對防撞結構進行設計的過程之中,必須要確保其具有一定的變形量,這樣才能保證其吸收更多能量,使防撞結構、船體受到的損傷降到最低。

(4)對于防撞結構而言,在確保其實現(xiàn)相應功能的基礎之上,應使其日常維護費用降到最低,同時還要對被撞后的維修進行綜合性考慮。

4 橋墩防撞方案的比較

防撞設施包括兩種類型,一是間接形式,特點為:在橋墩之外加設一些防撞設施,橋墩并不承受直接的沖擊力,例如錨系浮體式、樁群式等[2]。在地質(zhì)條件優(yōu)良、深度較淺的水域中應用非常廣泛。二是直接式,基本特點為:撞擊力緩沖后直接作用在橋墩,例如緩沖體壓壞變形式、護弦式等。

借助多種途徑對目前國內(nèi)外應用最廣泛、效果最良好的橋梁防撞模式進行全面調(diào)查,對防撞措施的類別、應用場合等進行比較:

(1)重力擺式防護系統(tǒng)。該種防撞系統(tǒng)的基本原理實質(zhì)上就是依靠同船舶接觸過程中所產(chǎn)生的外力來推動重力擺進行運動,然后借助重力擺位移、流體效應,吸收撞擊能量。但是該種防護系統(tǒng)在具體應用過程之中存在一個十分突出的弊端,即體積非常龐大,投資成本較高,并且后期的維護難度較高。

(2)薄殼筑沙圍堰防護系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)的應用范圍十分廣泛,其典型的形式是用鋼板樁聯(lián)結在一起形成圓柱形圍堰外殼,內(nèi)部用松散的材料或混凝土填充。具備諸多突出特點,如施工建造便捷、投資成本較低、后期維護保養(yǎng)簡單、可吸收較大的撞擊能量等。該系統(tǒng)可以有效降低船舶的損傷程度。

(3)人工島。其可以極大的提升橋梁的防撞能力。通常情況下,在建造橋墩的過程時一同建設完成,頂部略低于水面,具有十分平緩的斜坡,從而使船舶可以擱淺[4]。其投資成本低、施工便捷高效,即便發(fā)生撞船事故,其維修過程也十分方便。但該種系統(tǒng)在具體應用過程之中也存在一大缺點,即占用航道,使過水斷面急劇減小、增大流速,一般應用于地質(zhì)條件比較優(yōu)良的水域。

(4)集群式護墩樁。其由斜樁或豎直樁構成,在樁的頂部位置,運用緩沖梁進行聯(lián)接。為了滿足大變形量的需要,還可以把若干個單樁構成一個樁群。按照撞擊力的大小選擇合適的樁徑,防護系統(tǒng)可沿著順橋方向或者橫橋方向進行延伸。當遭受撞擊時,僅僅一部分單元受到損壞,便于后期修復。

(5)錨系浮體防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三大部分構成,即錨碇、鋼絲、浮體。即便應用于深水區(qū)域之中,該系統(tǒng)總投資成本仍較低,能起到良好的保護作用。但如果船舶吃水淺以及無球首,可能會導致浮體劃入船底部位,進而失效[5]。

(6)附著式防撞緩沖設施。其是由多種材料共同組成,如橡膠、木質(zhì)等柔性材料,以及液壓、彈簧緩沖墊等。通常附著于承臺側面或者墩身位置,如果橋墩受到外部撞擊,緩沖設施會把一部分能量快速吸收。

5 船撞力計算

本文選取某長江大橋為例,對船撞力進行分析運算。該橋通航孔橋墩按5000噸級進江海輪考慮防撞標準,撞擊力計算方式包括多種,如有限元瞬態(tài)動力分析法、經(jīng)驗公式法等,本文將上述兩種方法進行綜合運用。

目前,關于船舶撞擊力的經(jīng)驗公式,不同組織提出了十多種計算方式,按照各經(jīng)驗公式對橋墩船撞擊力進行運算分析,列出所求出的具體船撞力,見表1:

表1 船撞力計算比較表(正撞)

通過上表可看出,如果采用不同公式,所求出的船撞力也各不相同。以經(jīng)驗公式運算為重要基礎,借助有限元瞬態(tài)碰撞動力學分析法展開相應的分析運算,搭建合理的撞擊船舶與橋墩有限元模型,對碰撞變形、破損等進行模擬。有限元分析模型見圖1。

圖1 有限元分析模型

經(jīng)過對船撞動力仿真分析,參照相應的船撞經(jīng)驗公式,在無防撞消能設施情況下,得到橋墩船撞力的計算值,見表2。

表2 橋墩船撞力計算值

參照船撞力計算結果,橋墩船舶撞擊力非常大,必須要結合實際情況對防撞設施進行合理化設計。

6 防撞方案研究

目前所廣泛采用的防撞方式存在較大的局限性,并且在具體應用過程中具有諸多弊端。對國內(nèi)外眾多橋梁防撞措施進行深入調(diào)研與分析之后,提出一種新型防撞措施,即多級消能柔性防撞裝置。

該防撞裝置為一種可置于承臺或橋墩周圍的可隨水位變化而變化的浮式防撞體[6]。其主要是由內(nèi)層、外層兩種結構共同構成。內(nèi)部包含桁架支撐結構、密封艙室等,在同橋墩接觸位置裝配了若干個滾輪以及緩沖吸能阻尼元件；對于外部結構,其主要是由T 型鋼材、鋼板、吸能元件等多種材料構成,形成首層防撞結構,圖2展示了其結構詳情。

此種防撞裝置在具體應用過程之中具有多種優(yōu)點,主要可以歸結為以下三點:

(1)此種防撞裝置是直接套接于橋墩周圍的浮式鋼結構,并且具備消浪結構,能夠使防撞裝置、橋墩之間的撞擊次數(shù)得到顯著降低。

(2)此種防撞裝置由兩套防撞體構成,內(nèi)層為浮式鋼結構；外層主要為鋼板結構、阻尼吸能元件,其中內(nèi)層的主要作用是提供較大的浮力,外層的主要作用是有效降低撞船事故發(fā)生時,結構與結構之間所產(chǎn)生的摩擦力。

(3)同橋墩接觸的位置,配設了若干個滾輪,通過滾動摩擦的方式來降低摩擦力。當船舶撞擊橋墩的過程之中,如果碰撞力超過特定區(qū)間范圍,那么滾輪裝置將無法發(fā)揮相應的效用,立即退出工作形態(tài)；在此種狀況之下,內(nèi)壁上所存在的若干個緩沖吸能阻尼元件可以同橋墩進行直接接觸,并吸收一部分碰撞能量。

圖2 浮式多級消能柔性防撞裝置方案

7 結語

本文闡述了橋梁防撞保護系統(tǒng)的設計原則,詳細比較了現(xiàn)有防撞設施的特點及適用情況,結合工程實例對船撞力進行了計算對比,可為橋梁防撞系統(tǒng)的設計提供借鑒與參考。本文所提出的浮式多級消能柔性裝置具有消浪結構,可以使波浪對防撞設施所造成的不良影響降到最低。與此同時,該防撞裝置引入了一些先進材料、運用了滾動滑輪,使吸能效果、抗撞能力均得到了極大的增強。目前,該種裝置已經(jīng)成功應用于多座橋梁,取得了十分突出的效果。