鄭偉峰， 周銳根， 高 昊， 殷永高， 章 征， 王君杰

(1.安徽交控建設(shè)管理有限公司， 合肥 231499； 2.同濟大學 土木工程學院， 上海 200092；3.合肥工業(yè)大學， 合肥 230009)

船舶經(jīng)水路運輸通過河海中建設(shè)的橋梁時，因各種原因(如船舶失控、偏航、大霧等)造成船舶與橋梁之間的碰撞。國內(nèi)，戴彤宇等[1]分析研究了1959年—2000年長江干線上10余座橋的172起船撞橋事故；王君杰等[2]統(tǒng)計了國內(nèi)1960年—2008年因船舶撞擊而發(fā)生橋梁倒塌的平均事故率約為0.73起/年；陳國虞[3]列舉了2007年—2011年國內(nèi)20余起較大的船撞橋事故。國外，PIANC(國際航海協(xié)會常務會議)建立了1960年—1990年的151起船撞橋數(shù)據(jù)庫[4]；Y Fujii等[5]對日本沿海船舶碰撞事故進行了研究；丹麥和瑞典合營的一家公司建立了一個包含252個事故的數(shù)據(jù)庫[6]。船撞橋的后果往往都比較嚴重，橋塌船沉，車毀人亡。2007年的廣東九江大橋船撞橋事故[7]導致200多m的橋面倒塌，運砂船沉沒，4輛車落水，9人死亡或失蹤；2008年，浙江金塘大橋船撞橋事故[3]導致預制梁破壞，4人死亡。2017年廣東洪奇瀝大橋散貨船撞到引橋右墩，船舶船頭受損，橋墩嚴重變形，橋面塌陷，交通中斷。

為減小橋梁船撞事故帶來的危害，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計合適的防撞設(shè)施十分必要。現(xiàn)有的防船撞設(shè)施主要由混凝土、鋼材、木材、橡膠、復合材料和輕質(zhì)填充材料等組成?；炷帘徽J為是脆性材料，受拉、受壓時其“力-變形”曲線只有彈性階段，沒有塑性階段，因此只有彈性功且值很小[3]。鋼構(gòu)件在發(fā)生碰撞時會產(chǎn)生很大的永久彈塑性變形，且在塑性變形的過程會吸收大量能量，因其造價低廉，是目前使用最多的防撞材料。木材的剛度較小，作為護舷布置在橋墩上可起到緩沖墊層的作用，使撞擊持續(xù)時間延長，削減撞擊力，但其強度較低，因此多用于內(nèi)河小船航道上[3]。橡膠材料彈性好，變形后可恢復原狀，可將存儲的能量釋放出來，因此耗能很少[8]，主要起緩沖吸能的作用。復合材料也是一種脆性材料，變形過程中從彈性極限到斷裂階段應變改變量很小，變形耗能很少[9]。輕質(zhì)填充材料包括泡沫、聚氨酯等，毛竹、泡沫鋁或橡膠粒等通過擠壓、摩擦、變形壓潰實現(xiàn)耗能，它們主要作為輔助材料參與變形調(diào)諧，對受力和做功貢獻不大[9]。

以上幾種材料很少單獨使用，多以2種或2種以上材料通過物理或化學方式進行組合，得到一種在防船撞性能相互補充、相互加強的形式。如鋼-橡膠組合防船撞裝置[10-13]、鋼筋混凝土-橡膠組合防船撞裝置[3]、復合材料與輕質(zhì)填充材料組合防船撞裝置[9,14]、鋼材-木材組合防船撞裝置[3]等。對于復合材料與輕質(zhì)填充材料組合防船撞裝置，目前存在以下主要問題：1) 因節(jié)段間的接頭技術(shù)不成熟，在波流荷載作用下發(fā)生過接頭斷裂事件；2) 填充材料為脆性材料，內(nèi)部填充的泡沫強度低，難以抵抗大型船舶的撞擊，適用范圍有限；3) 復合材料防撞裝置生產(chǎn)過程質(zhì)量控制難度大。

為解決傳統(tǒng)浮式防撞裝置的缺陷，本文提出了預壓式鋼-橡膠組合防撞裝置，旨在利用橡膠的優(yōu)良耗能性能及鋼-橡膠協(xié)同耗能體系，以提升防撞裝置的耗能能力，減小裝置被撞后的損傷程度。

1 工程概況

池州長江公路大橋為主跨828 m的雙塔斜拉橋，跨徑布置為(828+280+100+105+210+105)m，橋墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，Z0～Z4墩承臺均為低樁承臺，Z5～Z10墩承臺均為高樁承臺。橋梁總體立面布置如圖1所示。主跨828 m可通航凈空寬度610 m，北側(cè)248 m為上行航道，南側(cè)362 m為下行航道，副通航孔通航凈寬240 m，輔助通航孔通航凈寬180 m。根據(jù)航路規(guī)劃要求，主通航孔供船隊及 50 m 以上的船舶航行，240 m副通航孔供50 m以下的小型船舶航行，輔助通航孔供中小型船舶或船隊通航。

單位：m

由圖1可知，Z0～Z3墩所在河道不具備通航條件，可不設(shè)防撞裝置；Z4～Z10墩均在通航孔附近，存在船撞風險，需設(shè)防撞裝置。其中，Z4、Z5為主塔墩，已設(shè)置相應的防撞裝置；而Z6～Z10墩尚無防撞裝置，因此本文以Z6～Z10墩為設(shè)防對象，提出預壓式鋼-橡膠組合防撞裝置方案，并進行設(shè)計，通過數(shù)值模擬分析防撞裝置方案的防撞性能。

2 防撞裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

由于池州長江公路大橋各橋墩滿足船撞力設(shè)防標準的要求，因此其防船撞結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計原則為：

1) 增強橋梁的抗撞撞能力，增加安全儲備。

2) 防止橋梁在船舶撞擊下的局部破損，改善橋梁的長期性能，減少運營期的維護工作。

3) 適當?shù)乇Ｗo船舶。

4) 綠色環(huán)保，從防撞結(jié)構(gòu)所使用的材料、制造過程、維護等方面，減少能源消耗、化工污染等。

2.2 防撞裝置方案

Z6～Z10墩設(shè)計代表船舶為3 000 t級輪船，設(shè)計撞擊速度為2 m/s，其中，Z6、Z7、Z10墩為單柱墩，Z8、Z9墩為雙柱墩。本文提出了4套鋼-橡膠組合防撞裝置方案，其中方案1～方案3均針對單柱墩進行設(shè)計，方案4針對雙柱墩進行設(shè)計。防撞裝置采用自浮式防撞裝置以適應水位的變化，結(jié)構(gòu)整體自浮比約0.65。為便于后期維護，結(jié)構(gòu)整體采用節(jié)段裝配形成。

2.2.1 方案1

防撞裝置方案1主要包括外圍鋼箱與內(nèi)圍橡膠組件，如圖2所示。橡膠圈組件采用2×2的模塊，單個橡膠圈為鋼板-橡膠圈，外徑為90 cm，內(nèi)徑為50 cm，橡膠圈內(nèi)外壁放置鋼板圈加強橡膠圈的耗能能力。外圍鋼箱截面內(nèi)部布置加強板與加勁肋增加整體剛度，外圍鋼板采用2 cm，增加局部強度。橡膠組件之間采用低發(fā)泡泡沫材料填充，改善橡膠圈的自浮性能。

方案1在船舶撞擊下的受力機制為：從外圍鋼箱將船舶荷載傳遞至內(nèi)圍橡膠組件，通過壓縮橡膠圈耗散能量，且因橡膠圈的緩沖消能作用，可保護船舶和外圍鋼箱，延長使用壽命。

(a) 總體平面布置

(b) 節(jié)段A大樣

(c) 1-1剖面

2.2.2 方案2

防撞裝置方案2主要是由內(nèi)鋼管①、外鋼管②、法蘭盤③、橡膠輪胎④、橡膠護舷⑤、鐵鏈掛鉤⑥等組件組成，如圖3(a)、(b)所示。內(nèi)外鋼管間放置205/50R17廢舊橡膠輪胎，輪胎與內(nèi)外鋼管之間孔隙、輪胎內(nèi)填充堆密度約500 kg/m3建筑陶粒，如圖3(c)所示。外鋼管②靠近航道一側(cè)采用鐵鏈掛鉤⑥懸掛廢舊輪胎(無需填充陶粒)，用加厚鋼板的方式來抵御小船撞擊及防止鋼材腐蝕。為減小外鋼管②靠近墩柱之間的摩擦損耗，在外鋼管與墩柱接觸部位布置橡膠護舷⑤，護舷表面安裝四氟滑塊以減小摩擦系數(shù)、增加耐磨性。結(jié)構(gòu)段之間在法蘭盤③處用M9×50高強螺栓連接成整體。

(a) 總體平面布置

(b) 節(jié)段A大樣

(c) 1-1剖面

方案2在撞擊下的受力機制為：當船舶撞擊裝置時，通過鋼管變形、橡膠輪胎壓縮、建筑陶粒摩擦來消耗能量。該防撞方案的主要特點：結(jié)構(gòu)整體性好，維護方便。

2.2.3 方案3

防撞裝置方案3主體結(jié)構(gòu)由橡膠組件構(gòu)成，橡膠圈組件采用2×3的模塊，單個橡膠圈為鋼板-橡膠圈，外徑為90 cm，內(nèi)徑為50 cm，橡膠圈內(nèi)外壁放置鋼板圈加強橡膠圈的耗能能力，如圖4所示。橡膠組件之間采用低發(fā)泡泡沫材料填充，改善橡膠圈的自浮性能。

方案3在船舶撞擊下的受力機制為：通過壓縮橡膠圈耗散能量，且因橡膠圈具有消能與恢復變形的功能，既可保護船舶，其重復使用性也得到提高。

2.2.4 方案4

防撞裝置方案4主要由鋼箱、橡膠圈、加強板、連接板及法蘭盤組成，如圖5所示。其中鋼箱與加強板、連接板、法蘭盤組成鋼骨架。為減小橡膠圈靠近墩柱之間的摩擦損耗，在鋼箱與墩柱接觸部位布置橡膠護舷，護舷表面安裝了四氟滑塊以減小摩擦系數(shù)、增加耐磨性。方案4節(jié)段橫截面構(gòu)造與方案1相同，如圖2(c)所示。

方案4在撞擊下的受力機制為：當船舶撞擊裝置時，通過橡膠圈變形、鋼管變形來消耗能量。該方案主要特點是橡膠圈與鋼骨架連接方便，構(gòu)造簡單，維護較為方便。在小碰撞下橡膠圈可防止鋼管破損腐蝕。

2.2.5 方案比選

Z6～Z10墩防撞設(shè)計方案比選如表1所示。

防撞裝置方案1的耗能機制為：壓縮橡膠圈先吸收能量，待橡膠圈到達極限后，鋼骨架變形耗能。

(a) 總體平面布置

(b) 節(jié)段A大樣

(c) 1-1剖面

(a) 總體平面布置

(b) 節(jié)段A大樣

防撞裝置方案2的耗能機制為：鋼管先受壓變形耗能后，壓縮橡膠圈耗散能量。

防撞裝置方案3全部采用橡膠組件，故其初始節(jié)段的耗能機制與方案1相似，當橡膠圈耗能達到極限后，殘余動能依賴船舶耗散。

表1 各防撞方案性能對比

防撞裝置方案4的節(jié)段構(gòu)造與方案1的節(jié)段構(gòu)造相同，因此其耗能機制與方案1相同，即橡膠圈先受壓耗能，待其達到極限耗能后，鋼骨架發(fā)生變形耗散能量。

綜合分析以上4種方案，方案1與方案2的耗能能力均比較出色；方案3的外圈沒有鋼箱，使得其耗能能力與保護能力不如方案1；方案4的節(jié)段構(gòu)造與方案1相同，因此耗能性能與方案1基本相同，耗能能力比較出色。此外，方案1結(jié)構(gòu)簡單，造價較低；方案2節(jié)段構(gòu)造較為復雜，造價較高。綜合功能性與經(jīng)濟性2方面，方案1最合適。

2.2.6 防撞裝置材料特性

鋼筒與橡膠圈組合防撞裝置利用了鋼材的高耗能性能，以及橡膠緩沖性好、恢復變形能力強的優(yōu)點，通過橡膠承受的初始預壓力來提高鋼與橡膠材料的協(xié)同工作性能。

1) 耗能性能

橡膠材料具有較好的緩沖消能性能，能夠有效提高防撞裝置的耗能性能，防撞裝置受到撞擊時，通過鋼管變形、橡膠輪胎壓縮、建筑陶粒摩擦來消耗能量。另外，利用橡膠材料的可恢復變形性可提高防撞裝置的重復利用率。

2) 防腐蝕、自漂浮能力

防撞裝置的橡膠圈與鋼骨架連接方便，構(gòu)造簡單，維護較為方便；在小碰撞下橡膠圈可防止鋼管破損腐蝕；外筒由鈦鋼復合板制作，耐強酸強堿，有良好的耐腐蝕性能。

防撞裝置外筒與內(nèi)筒之間填充輪胎，自浮比大約0.65；外筒、內(nèi)筒和隔板焊接連成封閉整體，提升裝置自浮能力。

3) 接觸-滑動裝置

防撞裝置中創(chuàng)新性地設(shè)置了接觸-滑動裝置，該裝置能使防撞裝置受撞時沿傾斜的墩塔上下滑動，減輕受撞時橋墩表面混凝土的磨損。

3 Z6墩船撞數(shù)值分析

船橋碰撞的撞擊力峰值與船舶航速、船舶載重、碰撞角度等因素密切相關(guān)[15-16]。根據(jù)前文分析，防撞裝置方案1與方案2的耗能能力均較好；方案3的耗能能力不如方案1與方案2；方案4的節(jié)段斷面構(gòu)造與方案1相同，耗能機制與方案1相似。因此，以Z6墩為例，對橋墩在無防撞裝置、使用防撞裝置方案1、使用防撞裝置方案2時，各自的撞擊過程進行數(shù)值模擬，分析不同條件下裝置的防撞性能。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[17]，碰撞角度取為20°。

3.1 有限元模型

船舶對橋墩的碰撞分析采用動力數(shù)值模擬法進行計算，碰撞分析軟件采用基于顯式算法的LS-DYNA。

3.1.1 船舶

在船艏與結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸的過程中，船艏結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)屈曲、壓潰等破壞現(xiàn)象。因此要得到一個真實的撞擊過程，必須準確地模擬船艏的形狀和構(gòu)造。 3 000 t級輪船的有限元模型如圖6所示。該模型對碰撞過程與結(jié)構(gòu)直接接觸的船艏部分作了比較精細的模擬，其中包括外板、各層甲板、橫向艙壁等主要板材及主要縱向桁材，最小單元網(wǎng)格的邊長為200 mm。船體中后部因遠離碰撞基礎(chǔ)區(qū)，實際上不發(fā)生變形，僅提供剛度和質(zhì)量的影響，因此可用剛性板進行簡化模擬。

3.1.2 橋墩

池州長江大橋水中橋墩具備整體抗撞能力，本文的計算分析旨在研究防撞裝置的緩沖消能能力，

圖6 輪船有限元模型

因此建模時將橋墩處理成剛體。彈性模量與泊松比按C40混凝土取值，分別為32.5 GPa、0.15。橋墩有限元模型如圖7所示。

圖7 Z6墩有限元模型

3.1.3 防撞裝置

防撞裝置鋼構(gòu)件建模與船艏相似，均采用殼單元，單元類型采用三角形單元與四邊形單元，單元尺寸基本與船艏相當。為控制沙漏，橡膠圈均采用四面體單元，網(wǎng)格尺寸與鋼板殼單元相當。橡膠圈與鋼構(gòu)件連接部位采用共節(jié)點連接方式。

鋼構(gòu)件材質(zhì)均采用Q345鋼，本構(gòu)模型采用雙線性彈塑性模型，考慮應變率效應，其本構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 Q345鋼材料參數(shù)

橡膠為超彈性材料，具有非線性、不可壓縮性和大變形的特點。本構(gòu)模型采用不可壓縮的Mooney-Rivlin模型[17]。橡膠硬度為(60±5)度，各參數(shù)如表3所示。

表3 橡膠材料參數(shù)

Z6墩防撞方案1與防撞方案2的有限元模型如圖8所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

3.2 計算結(jié)果分析

本文中防撞裝置的性能主要采用以下指標或變量來檢驗：

1) 船舶與橋墩的距離時程。若船舶在接觸橋墩之前已經(jīng)反向回彈，則可說明裝置能夠阻止船舶接觸橋墩。

2) 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系。具體是船舶耗能比例、裝置耗能比例、船舶殘余動能比例。通過這三者可判斷防撞裝置的耗能能力及對橋和船的保護能力。

3) 撞擊力時程。通過與無防撞裝置的撞擊力對比，得到的撞擊力削減比例也是衡量防撞裝置對橋、船保護能力的一個重要指標。

3.2.1 無防撞裝置

工況條件：3 000 t級輪船，撞擊速度2 m/s，撞擊角度與橋軸法線夾角為20°。碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)化、船舶耗能比例(船舶吸收的能量與初始動能的比值)、撞擊力與船速的時程曲線如圖9所示。

(a) 能量轉(zhuǎn)化(b) 船舶耗能比例(c) 撞擊力(d) 船速

當沙漏能占總能量比值小于10%時，說明計算結(jié)果可信。從圖9(a)可知，整個計算過程中沙漏能占總能量的比值約為2.5%，說明計算結(jié)果是可信的。由于沒有防撞裝置，船舶直接與橋墩發(fā)生碰撞。碰撞初始階段(t≤0.5 s)，船艏與橋墩接觸并發(fā)生明顯變形，此階段撞擊力較小，如圖9(c)所示。隨后船艏繼續(xù)被擠壓達到最大變形，撞擊力繼續(xù)增長(0.5 s～1.0 s)，如圖9(b)、(c)所示。之后船舶逐漸回彈，如圖9(d)所示，撞擊力逐漸衰減為零。碰撞過程的撞擊力峰值、船舶最大耗能比、殘余動能比如表4所示。

3.2.2 防撞裝置方案1

工況條件：3 000 t級輪船，撞擊速度2 m/s，撞擊角度與橋軸法線夾角為20°。碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)化、船舶與裝置耗能比例(船舶與防撞裝置吸收的能量與初始動能的比值)、撞擊力與船橋距離的時程曲線、橡膠與鋼箱的耗能對比如圖10所示。

表4 無防撞裝置的碰撞響應最大值

(a) 能量轉(zhuǎn)化

(b) 船舶與裝置耗能比例

(c) 撞擊力

(d) 船橋距離

(e) 橡膠與鋼箱耗能對比

從圖10(a)可知，整個計算過程中沙漏能占總能量的比值約為3.0%，說明計算結(jié)果是可信的。船舶撞擊防撞裝置初始階段，橡膠圈先受壓變形，此時撞擊力與船舶耗能較小，如圖10(b)、(c)所示。之后橡膠圈被壓縮至最大變形，撞擊力和船舶耗能明顯增加，此階段主要依賴船艏壓縮變形與鋼骨架變形耗散船舶動能(0.5 s～2.0 s)。t=2 s之后，船舶回彈，橡膠圈儲存的內(nèi)能逐漸釋放，此階段船舶的耗能略有增長，防撞裝置釋放能量恢復部分變形，如圖10(b)～(e)所示。 碰撞過程的撞擊力峰值、船舶與裝置的最大耗能比、殘余動能比如表5所示。

由表5可知，相比于無防撞裝置，使用防撞裝置方案1后，橋墩的撞擊力峰值降低了34%，船舶的最大耗能比降低了40%。這說明防撞裝置對橋墩與船舶都起到了很好的保護作用。

3.2.3 防撞裝置方案2

工況條件：3 000 t級輪船，撞擊速度 2 m/s，撞擊角度與橋軸法線夾角為 20°。碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)化、船舶與裝置耗能比例、撞擊力與船橋距離的時程曲線、橡膠與鋼箱的耗能對比如圖11所示。

從圖11(a)可知，整個計算過程中沙漏能占總能量的比值約為9.5%，說明計算結(jié)果是可信的。碰撞初始階段(t≤0.4 s)，在船舶撞擊作用下，防撞裝置的位置發(fā)生改變，此階段撞擊力較小，如圖11(c)所示。隨后裝置被船艏卡緊，船舶與裝置都發(fā)生明顯變形，其耗能明顯增長(0.4 s～2.0 s)，如圖11(b)、(c)所示。之后船舶回彈，如圖11(d)所示，撞擊力逐漸衰減直至碰撞結(jié)束。碰撞過程的撞擊力峰值、船舶與裝置的最大耗能比、殘余動能比如表6所示。

表5 防撞裝置方案1的碰撞響應最大值

(a) 能量轉(zhuǎn)化

(b) 船舶與裝置耗能比例

(c) 撞擊力

(d) 船橋距離

(e) 橡膠與鋼箱耗能對比

由表6可知，相比于無防撞裝置，使用防撞裝置方案2后，橋墩的撞擊力峰值降低了22%，船舶的最大耗能比降低了44%。這說明防撞裝置對橋墩與船舶都起到了較好的保護作用。

表6 防撞裝置方案2的碰撞響應最大值

4 結(jié)論

1) 通過方案1～方案4受力機制的分析比較，方案1在隔離功能、橡膠耗能、鋼骨架保護、船舶保護、撞擊力削減幾個方面均有優(yōu)越的性能，因此方案1 為最合適的方案。

2) 通過有限元分析計算，方案1可將撞擊力峰值削減34%，方案2只能削減22%；而且方案1中橡膠的耗能量遠大于方案2中橡膠的耗能量。這說明方案1無論是從整體防撞性能還是從橡膠材料的有效利用率上，均優(yōu)于方案2。因此方案1 為最合適的方案。

3) 本文主要以防撞裝置的撞擊力削減量與耗能能力作為其防撞性能的評價指標，而防撞裝置的撞后損傷程度與可恢復性也是其防撞性能的重要指標，對防撞裝置受撞后的損傷程度與可恢復性仍需進一步研究。