淺談橋墩抗船撞能力評估及防撞方案研究

摘要 橋墩與船舶碰撞事故時有發生，為評估已建橋梁橋墩的防撞性能，指導橋墩防撞設計方案，該文以長江某橋5～7號橋墩為研究對象，通過MIDAS Civil有限元軟件建模，分別模擬不同水位下橋墩在順橋向及橫橋向受到1MN的水平力作用時，在橋墩危險截面處產生的最大內力，根據數值結果，指導橋墩防撞設計。

關鍵詞 橋墩危險截面；船舶撞擊力；有限元；復合材料

中圖分類號 U443 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0176-03

0 引言

國外統計數據顯示，1960—2019年間，世界范圍內發生了37起由船撞引起的橋梁倒塌或重大損毀事件，平均每年都會因船撞造成1座大型橋梁的倒塌或損毀，事故不但會對橋墩造成破壞，降低其承載能力，甚至造成橋梁倒塌，造成了嚴重的經濟損失和惡劣的政治影響。因此，有必要評價既有和新建大橋的橋墩抗船撞性能，如果橋墩抗船撞性能不強，則需要依據計算結果進行合理的抗船撞設計。

2020年4月，交通運輸部與國家鐵路局、國鐵集團聯合發布了《船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動實施方案》（交辦水〔2020〕69號），全面排查和治理船舶碰撞橋梁安全隱患，建立健全防范化解安全風險的長效機制，堅決防止重特大事故發生。在此背景下，該文針對已建成的長江某橋5～7號橋墩進行橋墩抗船撞能力研究。

該橋是一座跨越長江的特大型橋梁，橋位所在河段目前航道等級為Ⅲ級，道路等級為Ⅰ級，于2007年5月正式建成通車。該橋最低通航水位為242.74 m，最高通航水位為263.38 m。主橋全長544 m，為（146 m+252 m+146 m）連續剛構橋，橋梁全長1 092.8 m，寬15.5 m，共22孔。該橋5號、6號主墩采用雙薄壁柔性墩，5號墩基礎為擴大基礎；7號交界墩為空心薄壁墩，6、7號墩基礎為承臺接群樁基礎。

該文針對該橋主通航孔的5～7號橋墩進行抗撞能力評估，按照相關規范進行建模[1，2]，計算橋墩危險截面處能夠承受的最大內力，繼而推算出5、6號墩受到5 000噸級、7號墩受到3 000噸級船舶橫向及縱向撞擊時所能承受的最大撞擊力，根據計算結果對橋墩的抗撞能力進行評估，并設計合理的防撞措施。

1 橋墩抗撞性驗算

1.1 橋墩在單位水平荷載下的受力分析

以5～7號墩為研究對象，利用MIDASCivil程序建立了橋墩順橋向和橫橋向受到1 MN水平荷載時，其危險截面的最大內力。

模型中主梁與主墩采用剛性連接進行模擬，主梁與交界墩采用彈性連接及剛性連接進行模擬，樁基采用節點彈性支承來模擬樁土相互作用，土里的部分均根據地層狀況進行土彈簧約束，樁基與橋墩之間采用剛性連接模擬。荷載方面，考慮了結構自重、二期恒載（橋面鋪裝、欄桿等）、汽車荷載和船撞力，橋墩的船撞抗力計算荷載組合按（1.0自重+1.0二期恒載+0.4車輛+1.0船撞力）取值。

計算結構抗力時，由于受水平力的位置不同，對結構本身的極限船撞力也有很大影響。計算過程中選取組合（自重+二期恒載+車輛+船撞力）中最不利的工況。該橋最不利截面選取如下：墩截面、樁截面、擴大基礎截面。按配筋條件，對墩柱截面進行抗彎及抗剪承載力驗算，在相同水位上施加不同的水平作用力，直到橋墩（或樁基）不再滿足自身強度要求時為止，則所施加的水平力即是該橋墩在此水位下的自身極限船撞力。

按照規范要求，撞擊力著力點選在水面以上2 m處。該文分別選取高、中、低水位進行計算。計算結果見下表1。

1.2 船舶撞擊力

根據《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG/T 3360-02—2020）[2]中5.1-3節針對輪船的設防船撞力的計算規定，并結合該地區代表船型及航行速度計算船舶撞擊力，計算值詳見表2。

2 防船撞方案研究

分析表明，由于枯水期P5及P7號墩不涉水，該研究不予考慮，中洪水位期P5及P6墩抗撞力差不超過10%；高洪水位期，P5橋墩自身抗力滿足要求，P6及P7墩抗力差分別為17.6%、64.9%。部分水位橋墩下船舶撞擊力已經超出了橋墩本身所能承受的極限，為了確保橋墩的安全，削減船舶撞擊力，需要在橋墩上設置防撞裝置。

2.1 防船撞設計

根據橋梁自身結構、設防代表船型，并結合防撞設施自身結構自重、船舶碰撞力及經濟適用性等情況，最終選定設置浮動式鋼覆復合材料防撞設施，當發生船舶失控撞擊橋墩，防撞設施通過自身結構的緩沖消能，降低船舶撞擊力，達到船橋雙保護的目的。浮動式鋼覆復合材料防撞設施內側設置拱形橡膠護舷，采用螺栓與支座連接，橡膠護舷表面安裝低摩擦系數PE材料耐磨板。

防撞設施整體采用多組分復合受力結構，防撞設施主要結構為加強型鋼板，其耐撞性較強。同時，在防撞設施的外側，還采用了高強度的纖維增強復合材料。在此基礎上，該項目提出在高強度纖維增強復合材料中添加氧化石墨烯（GO）的催化作用，從而提高該體系的整體抗撞性和減震耗能能力。另外，該材料還具有良好的耐腐蝕性，在水域無維護條件下可長期工作。

這種鋼－復合材料夾層浮式防撞裝置能夠隨水位上下起浮，因此其本身的型深可以不必過大，可以減少水的阻隔面積及材料用量，適合于水位相差很大，水流環境比較惡劣的工程。它由鋼材、復合材料夾層板，阻尼元件以及一些舾裝件等構成，其主體結構由內、外圍壁、底板、上甲板、下甲板、縱橫艙壁、橫艙壁等板架構件組成，每個設施主體都有幾個水密區域，里面有壓艙物，可以調節防撞設施的漂浮狀態，該裝置還使用了可以避免防撞設施結構損壞下沉的技術，因此降低了未來的維修費用。在一般條件下，浮箱處于正向浮動狀態。為便于在水面上進行安裝，浮動箱分前后兩塊，圍套在橋墩上，并用高強度螺栓將其連接為一體。

船舶碰撞后，無論處于通航高水位還是低水位，都會先與防撞設施相撞，而設施則會利用其自身的變形來抵消船舶動能。在碰撞過程中，加筋板結構、復合材料夾層板和阻尼元件發生變形，并通過材料失效來吸收一部分動能，而復合材料夾層板對船體的外部推力又會促使船體發生偏轉，沿著防撞設施外緣滑行，將多余的動能帶走，進而降低了傳遞給橋墩的作用力。防撞設施主要特點如下：

（1）能量傳遞：通過改變碰撞時刻的撞擊力，改變船體移動方向，利用水流將船舶從橋墩上推離，沿防撞設施外側滑動，將大部分動能帶走，大大降低了“船—橋”撞擊時的能量轉換效率。

（2）柔性防撞：其內部截面設置了耗能板，增強了防撞設施的整體緩沖耗能能力。復合材料又具有各向異性的特點，能夠最大效能發揮變形吸能作用。

（3）防腐蝕性能好、耐磨損、耐久性、耐撞性、抗疲勞性能優異，性能價格比高：鋼覆復合材料防撞設施防腐蝕涂層，耐腐蝕性能好，具有較長的使用壽命，維護量小可以經受小船多次沖擊，變形后可以自動恢復。

（4）容易替換：該防撞體系由各個獨立防撞節段組成，單位段受損后檢修和更換容易。

（5）所采取的防沉技術，能夠防止防撞裝置破損沉沒。

（6）橋墩的大小形狀對其影響不大，其尺寸可大可小。

（7）對航道影響不大。

（8）采用分段施工、現場組裝的方法，便于生產、運輸機現場安裝。

2.2 防撞設施消能效果分析

由于防撞設施結構復雜，撞擊過程中設計多種材料的變形受力，為準確計算防撞設施消能效果，采用仿真軟件，通過對船－橋結構精確建模，在虛擬條件下模擬船撞橋過程，從而獲得了船－橋碰撞的撞擊力時程曲線，以及橋梁等動態響應數據。

根據橋墩抗撞性能驗算結果，分別計算各橋墩最不利工況在加裝防撞設施后的響應。計算工況詳見表3。

通過比較該橋裸撞工況的撞擊力、橋墩基礎抗力、加裝防撞設施工況的撞擊力，驗證防撞設施的消能效果和橋墩抗撞能力的提升。

其中，P5、P6墩安裝防撞設施后，船撞力均低于墩柱的抗力，P7墩在安裝防撞設施后在正撞條件下不滿足，而在側面撞擊時滿足。為避免過往船只偏航影響橋墩安全，在P7墩處增加主動預警系統或者其他相關的警示裝置。計算工況詳見表4。

3 主動預警系統設計

根據該橋的結構特點以及通航凈高、凈空、航道等級等參數，船舶存在偏離航道行駛、過橋速度超速等安全風險時，需進行必要的預警和指導，防船撞預警監控系統的功能主要由四大模塊實現：船舶信息探測及收集部分、多源信息綜合處理部分、告警提示及控制部分、顯示及后臺管理部分。橋梁防船撞主動預警系統采用航道專用監控攝像機設備，對橋區水域航行船舶的位置進行實時探測并連續跟蹤，結合橋區的電子海圖、AIS信息、航行要求和用戶設置的告警規則，可采用人工智能算法對船舶航行行為進行評估，對船舶偏離航線、航速速度過快或過慢、淌航、掉頭、橫越、通航橋孔內追越或并列行駛等危險情況，自動向船舶駕駛員發出告警信息。

系統告警方式采用VHF電臺、LED警示屏、短信提示等多種手段相結合，對船舶駕駛員進行危險提示，減少事故發生的概率。系統為用戶提供以電子海圖為背景的橋區水域船舶航行態勢圖，管理人員可以一目了然掌握整個水域船舶航行情況，管理人員可以在海圖上設置多個警戒區和多種告警規則，當有船舶觸發告警規則后，系統自動向管理人員發出警告信息。

主動預警系統主要功能包括：

（1）船舶偏離航道預警；

（2）橋區超速航行報警；

（3）助航信息自動發布（如能見度）；

（4）圖像監控及拍照取證；

（5）聲光預警功能；

（6）數據查詢及大數據統計功能；

（7）模擬航標功能；

（8）電子圍欄功能。

船舶偏離航道預警：系統在橋梁檢測區域設置AIS傳感器探測船舶是否越界通航，系統如果探測到船舶越界航行，將通過語音對講系統向船舶及時發出報警信號，LED屏同步播放對應船舶偏航提示，并記錄相關偏航數據。

船舶自動識別系統（AIS）：配合全球定位系統（GPS）獲取船位、航速、變向速度和航向等船舶動態結合船名、呼號、吃水和危險貨物等船舶靜態信息。利用船舶AIS提供的位置信息對船舶行駛位置進行判斷其是否偏航。具有距離遠、數據準確、不受天氣影響的優點。

橋區超速警告：該系統接受船舶的AIS信號采集到進入橋區所有船舶的速度數據，當超過規定的安全航速時，會通過VHF語音通話系統給船只發出警告信息，LED屏同步播放對應船舶超速提示，并記錄相關超速數據。

助航信息自動發布：系統通過VHF自動向駛入橋區水域的船舶發布各種海事管制信息，如施工信息、水位信息、通航凈高、能見度、航道安全提示等，這些信息幫助船舶駕駛員更好地了解航道通航情況。

圖像監控及拍照取證：系統根據需要在橋區范圍安裝航道專用監控攝像機，全天候監控橋區的通航情況，監控范圍包括橋梁兩側航道及橋下通航區域。管理人員可以在網絡連接順暢的情況下在任何地點了解橋區的通航情況。

聲光預警功能：現場總控單元通過AIS解碼數據，檢測船舶是否進入橋區，通過VHF語音與LED警示屏顯示提醒進入橋區的船舶注意行駛安全。

數據查詢和大數據統計功能：每一次報警的時間、視頻資料、過往船只的資料都會被系統儲存起來，管理員可以在必要的時候，通過管理云端平臺查看、統計和打印數據。

模擬航標功能：通過AIS系統將橋梁的墩臺和危險位置發送給鄰近的船只，當路過的船只接近該虛擬標點時，AIS就會發出警報，提示船員注意安全。

電子圍欄功能：在防撞管理平臺對橋梁附近水域設置電子地圖進行規劃，形成電子圍欄區域，如果船舶進入電子圍欄區域，系統將自動向進入圍欄的船舶發出警告，確保大橋的安全。

4 結論

（1）根據該橋5～7號橋墩的實際尺寸及配筋計算得出，在最不利條件下，5號墩在中水位時由橋墩抗剪控制，6號墩在高水位時由樁基抗彎控制，7號墩在高水位時由橋墩抗彎控制。

（2）撞擊橋墩所產生的撞擊力，5號墩為52.2 MN，

6號墩為55.8 MN，7號墩為33.6 MN，在高水位情況下，均超過橋墩的極限抗撞能力。

（3）設置鋼覆復合材料防撞設施后，可以有效地降低船撞力，確保橋墩的安全性。

（4）通過設置主動預警設施，可對來往船只駕駛員進行危險提示，減少事故發生的概率。

參考文獻

[1]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]公路橋涵地基與基礎設計規范：JTG 3363—2019[S].北京：人民交通出版社股份有限公司， 2019.

收稿日期：2024-09-02

作者簡介：吳昀澤（1994—），男，本科，助理工程師，研究方向：橋梁設計。