折紙型蜂窩鋁板在橋梁防撞裝置中的應用

摘要：近年來，隨著我國交通運輸基礎設施建設的不斷推進，橫跨通航水道的大橋日益增加，由于各種因素干擾，船只碰撞大橋的可能性日益增大，且事故頻發。為克服傳統防撞裝置的不足，需要提供一種能解決其問題的新型技術方案。文章首先對折紙型蜂窩鋁板的結構特性及制作工藝進行了簡要介紹，再通過有限元分析對其防撞性能做了研究，給橋梁防撞結構設計提供了有益參考，最后提供了一種兼顧實用性與經濟性的橋梁防撞設施。

關鍵詞：蜂窩鋁；橋梁防撞；船舶撞擊

中圖分類號：U448.14" 文獻標志碼：A

0 引言

由于交通工程的蓬勃發展，橫跨河流、湖泊、海面的橋梁種類日漸增加，同時航運業的迅速增長也使得船只規模與船種日益提高和擴大。在此背景下，船舶碰撞橋墩的情況時有發生。2007年6月，一艘運砂船通過佛山九江大橋時撞上橋墩，橋墩當場被撞斷，共造成8人死亡。2010年11月，一艘船撞擊福州烏龍江大橋致使18人受傷。2019年1月，廣深高速的東洲河大橋B2～B3通用航空孔，遭到一貨船船艏傳遞帶的撞擊，造成大橋上承重梁體的支撐柱嚴重損毀。

事實上，船只碰撞橋梁事故遠不止于此，事故多發問題始終無法得到有效的控制。事故發生后將對經濟社會各方面造成巨大損失，這種損失不止局限于船舶和橋梁擁有者，同時還會對交通、經濟、環境以及民眾身心造成重大沖擊。所以，隨著人們關于船橋事故問題的深入研究，關于橋梁防撞措施的選擇問題已經成為國際上船舶設計組織、橋梁建設機構，以及我國航道保障部門所關注的重要課題。所以橋梁防撞措施的選擇，就必須要考慮適用性、耐久性、維護性、可維修性，還有經濟性等多方面因素。

1 橋梁防撞裝置介紹

1.1 防撞措施現狀

目前，我國最常用的防撞措施，可歸納為主動防撞和被動防撞措施兩種。考慮到主動防撞措施是一項相當復雜的系統工程，因此目前我國在實際工程中應用比較多的是被動防撞措施。

對于被動防撞措施來說，當前采用最多的防護措施形式為鋼套箱，其自身具有優越的特性，通過塑性變形來消耗能量，適合在各類型橋梁結構上應用，防護效果更佳。然而，由于鋼材自身的特性，在實際使用期間依然存在一些問題。鋼材屬于硬質材料，其彈性模量較大，與船舶發生撞擊時，不僅會對船舶造成很大的損害，還會威脅到船員的生命安全。此外，由于鋼材耐腐蝕性能較差，在水中浸泡時間過長會對鋼材產生腐蝕作用，極大降低防護效果。通過分析及總結往年多起船橋事故的經驗，防撞裝置也逐步發生轉變，由原來剛性的防撞措施過渡到柔性的防撞裝置。與剛性體系不同，柔性防撞體系多采用橡膠、高密度聚乙烯、聚氨酯、FRP、泡沫鋁、蜂窩鋁等作為吸能材料填充在防撞體系中，其剛度小于船艏剛度，在撞擊過程中能夠綜合橡膠護舷和鋼套箱的優點，降低船撞力的同時減小對船的傷害。柔性體系的核心在于吸能材料的設計，當前多采用泡沫鋁或蜂窩鋁材料進行設計，此類結構是以防撞圈為主的柔性防撞裝置。雖然現有橋梁防撞裝置采用了多種不同的結構及材料，但仍不可避免地存在著諸多不足。

（1）吸能材料的性能有限。當前，采用的防撞裝置中采用的多孔材料在承受擠壓時易發生局部屈曲，塑性發展不足，耗能水平有限。

（2）設計指標不完備。當前，針對橋梁抗撞的設計規范中，將動力荷載等效為靜力荷載，適用于橋梁的工程設計，但當采用防撞體系時，船體自身剛度、材料塑性等都會對防撞體系的性能有影響，規范未能給出完備的適用于防撞體系的設計指標。

（3）難以修復，不易更換。當前，防撞體系多采用一體化設計，裝置具有復雜的機械結構，在撞擊后修復成本高，在生銹后難以達到設計時的緩沖目的。橡膠類耗能材料的老化時間在10年左右，需定期整體更換。

因此，開展新型橋梁防撞體系研究，對改善橋梁防撞特性、提高橋梁結構安全可靠性具有重要意義。

1.2 折紙型蜂窩材料結構介紹

蜂窩材料是多孔材料的3種經典形式之一，另外兩種為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料。蜂窩夾層結構具有較高的比強度、比剛度，良好的隔熱、隔震、耐沖擊等優點，被廣泛應用到航空航天、航海和高速列車等領域。

折紙作為一門古老的美術，早已滲入各個領域之中。折紙的材料類型豐富多樣，同時折紙設計本身還具備了一些超材料的設計功能，能夠把傳統折紙設計方式轉變為實現各種功能的復雜三維結構設計模式。把折紙設計融入超材料的設計中，就可以打破傳統天然材料類型單一和設計功能不具備可控性的局限。本研究就是將折紙型蜂窩材料結構應用于橋梁防撞裝置，如圖1所示。鋁合金蜂窩面板的技術指標，如表1所示。

1.3 材料制作工藝

考慮到該結構的工作環境及耐久性要求，防撞系統的鋁合金蜂窩面板統一采用釬焊工藝進行制作，嚴禁膠粘。

1.3.1 工藝原理

鋁蜂窩板釬焊釬料的選用，一般采用比母材熔點低的鋁合金材料，對釬料、焊件加熱至比釬料熔點高，而比母材熔化溫度低，之后母材可以使用液態釬料進行潤濕，使焊件與母材之間填充接頭間隙并互相擴散以達到接合。

焊接鋁蜂窩板是以焊接鋁蜂窩為芯材，兩面敷鋁面板，組合后在專用工裝夾緊下置于釬焊爐中，在600 ℃左右的溫度場中一次性釬焊焊接而成的金屬結構性材料。焊接蜂窩板中的節點全部采用釬焊焊接方式，母材在焊接期間不會發生熔化，從而規避熔焊時出現晶粒長大、溶蝕等現象。鋁蜂窩芯加勁板與面板的焊接區一般呈雙面小角焊結構，蜂窩芯的鋁箔與鋁箔間呈全邊長范圍的搭接焊結構。

通過釬焊工藝成型的蜂窩結構具有高強、輕質、耐久、耐腐蝕、耐高溫、環保可回收等優點，且工藝全過程無煙無毒，適用于二維和三維成型。

1.3.2 工藝流程與設備

蜂窩面板制作的工藝流程如圖2所示。防撞結構的主體防護為懸掛式蜂窩板結構，防撞體系通過型鋼與混凝土剛性連接。防撞裝置在受到船舶撞擊并承受撞擊力時，利用蜂窩鋁板中高層結構以及低層結構在變形時的不協調性，提升了蜂窩鋁板的剛度，從而提升平面內的抗剪切性能。通過釬焊工藝成型的蜂窩結構相較于復合材料防撞裝置具有高強、輕質、耐久、耐腐蝕、耐高溫、環保可回收等優點，且工藝全過程無煙無毒，適用于二維和三維成型。

圖2 蜂窩面板制作的工藝流程

2 橋梁防撞安全評估及性能分析

2.1 橋梁撞擊場景的分析

2.1.1 撞擊速度

根據《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02—2020）［1］第5.1.5條規定，撞擊速度宜根據橋區水域的實測數據確定，若按不利考慮，取船舶過橋航速為3.0 m/s。

2.1.2 撞擊位置

根據《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02—2020）、《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）［2］，綜合考慮橋梁結構的特殊情況，取設計通航最高水位以上2 m作為撞擊力作用點，如表2所示。

2.2 船舶撞擊力分析

由于撞擊過程是一項十分繁雜的非線性動力學反應過程，因此整個撞擊過程中各種不確定性問題時時刻刻都會出現。目前，針對撞擊問題及防撞系統進行的實驗研究還非常少，一般都是通過基礎研究和有限元仿真來開展研究。

2.3 有限元模型分析

使用工程中的抗撞擊能力研究橋梁，通常船撞橋的撞擊力主要參考規范中的經驗公式來估算。由于經驗公式只考慮了局部影響情況，而實際航路上的船只類型、噸位等都發生相當大的變化，同時橋墩構造的類型以及幾何形狀上也存在著很多差異，使得經驗公式的計算結果容易出現很大的偏差。通過有限元仿真的方式，對船橋碰撞能力進行動力學計算，以減少船舶撞橋坍塌現象的發生，在一定程度上提升大橋防撞裝置建成后的抗撞能力計算精度［3］。

利用有限元分析軟件Abaqus，Midas等對船橋事故機制展開研究，主要是希望實現如下研究任務：通過大數據模擬計算的結果，計算橋梁防撞結構的動力響應，重點探索橋梁防撞結構的耐撞性能和在防撞措施折減下對橋墩的撞擊力。

為了達到上述研究目標，本文的主要研究內容如下：

（1）根據相關規范，分析船撞橋墩的撞擊角度、速度和位置。

（2）基于Abaqus，Midas有限元軟件，對排水量750 t和700 t駁船在不同工況時對橋墩撞擊進行有限元仿真，且對碰撞力的影響等計算結果進行有效分析。

（3）針對排水量750 t和700 t駁船的撞擊防撞裝置，利用Abaqus，Midas有限元軟件對各種載荷進行了有限元仿真，分析了材料和厚板影響碰撞系統的沖擊響應。

在不同撞擊形式下，船舶性能對防撞系統的抗沖擊功能影響如表3所示。

表3中的撞擊力均小于撞擊性能指標，表明船舶撞擊力經過折紙型蜂窩鋁防撞措施的折減后滿足防撞要求。

3 結語

本文排水量研究了船只與防撞措施碰撞時會產生的代表碰撞角度、船只與防撞措施的代表碰撞角度，以及能夠到達的范圍高度。建立了排水量750 t和700 t駁船的有限元模型，并通過數值仿真計算了在蜂窩鋁板防撞措施下，在不同情況下的船撞力。經過建模分析計算，根據橋梁的抗撞性能，采用折紙型蜂窩材料可以有效降低撞擊力，從而滿足撞擊性能指標，有效保護橋梁安全。

參考文獻

［1］中交公路規劃設計院有限公司公路橋梁抗撞設計規范：JTG/T 3360-02—2020［S］北京：人民交通出版社股份有限公司，2020

［2］中交公路規劃設計院有限公司公路橋涵設計通用規范：JTG D60—2015［S］北京：人民交通出版社股份有限公司，2015

［3］毛文杰船舶撞擊場景下的橋梁防撞結構設計及性能研究［D］武漢：華中科技大學，2019

（編輯 姚鑫編輯）

Abstract： In recent years， due to the continuous advancement of transportation infrastructure construction in China， the number of bridges crossing navigable waterways is increasing Due to various factors， the possibility of ships colliding with bridges is increasing， and accidents occur frequently In order to overcome the shortcomings of traditional anti-collision devices， it is necessary to provide a new technical solution that can solve their problems The article first briefly introduces the structural characteristics and manufacturing process of the origami honeycomb aluminum plate， and then studies its anti-collision performance through finite element analysis， providing a useful reference for the design of bridge anti-collision structures， thereby providing a bridge anti-collision facility that combines practicality and economy

Key words： aluminum honeycomb; bridge collision prevention; ship collision