桥墩防撞技术研究综述

钟鹏 丰火雷 周开发

摘 要：随着我国交通运输业和海外贸易经济的蓬勃发展，江海之上出现越来越多的大型桥梁，往来的贸易船舶也络绎不绝，桥船间的撞击事故也频繁发生。为此，很多学者进行了相关研究，提出了不同的桥船碰撞的理论，并设计出了许多桥墩防撞装置。本文就目前应用的防撞技术作了介绍和评述，并提出了一种基于Origami结构的智能化桥墩防撞设计思路，以供相关方面参考。

关键词：桥墩防撞;Origami结构;智能化体系

1 桥墩防撞设施介绍

防撞设施可分为主动防撞设施和被动防撞设施。主动防撞设施是指在船桥相撞之前，船舶会发出声、电、光等预警信号来加以引导，但这并不能从根本上保护桥墩，只能起到辅助作用。被动防撞设施是指在船相距桥梁较近时，为了防止船舶直接撞上桥墩而设置的阻拦和护墩装置。20世纪80年代，根据设置场所的不同，日本学者岩井·聪将各种被动防撞设施分为直接构造型和间接构造型。直接构造型是指设施与桥墩直接相连安装，间接构造型则是安装在距桥墩一定距离的地方。本文将对桥墩的被动防撞设施进行介绍。

1.1 防撞钢套箱——直接构造抗压变形型

作为钢结构防撞装置的基本类型，钢套箱型桥墩防撞装置充分利用了钢材自身的特性。它采用Q235钢进行全焊接，其主体结构有：底板、甲板、内围板、外围壁、横纵舱壁等，设置多室构造套箱和橡胶缓冲层，这种结构不仅吸能效果好，自重也小。由于钢材具有一定的塑性，在碰撞过程中，钢结构可以产生塑性形变，由此吸收巨大的冲击能。钢结构又具有较大的刚度，它可以在一段较长的时间内抵抗撞击带来的影响，从而很大程度地降低真正传至桥墩实体的撞击力。此外，为了更好地发挥消能作用，将上百个滚筒橡胶护舷安装在防撞套箱和承台接触的围壁板上，改善其接触条件。在钢套箱遭受船舶撞击后，这些橡胶护舷可以有效地分散撞击力，确保桥墩实体不被破坏。

近年来，钢套箱防撞设施已经应用到了大型桥梁的深水基础防撞中，如国内已完成的港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥、泉州湾跨海大桥以及胶州湾跨海大桥等。但是，一旦桥墩遭到了船撞，钢套箱由于吸收了较多的能量，结构发生塑性变形而失去使用性能，导致钢套箱需经常检修和更换。同时，钢套箱结构有较大刚度，撞击过程船舶会受到损坏。

1.2 浮式柔性防撞护套——直接构造弹性变形型

浮式柔性护套适用于水位时高时低的的航道处桥墩，由于其主体是充气胶囊，且为蜂窝状，具有很好的弹性性能，可以同时兼顾桥墩和船舶的安全。附属部分是钢浮箱和柔性橡胶护舷，自重小，排水体积大，护套整体可随着水位的升降而上下浮动。

当发生船撞事故时，来自船舶的动能绝大部分储存在蜂窝状充气胶囊的弹性变形中。将无护套短时间内的集中撞击转变为延时性的柔性消能过程，从而实现既保护桥墩又不损坏船舶的目的。考虑到防撞护套承受撞击后可能会局部受损，将充气胶囊做成蜂窝状，这样即使局部受损也不会导致整体失效，提高了设施的实用性和耐久性。此外，浮式柔性防撞护套采用装配式，方便安装和维修。

1.3 薄壁围堰防撞系统——间接构造抗压变形型

薄壁围堰防撞系统分为两个围堰：起防撞击作用的上部钢围堰和起支撑兼防撞击作用的下部混凝土围堰。钢围堰的主体结构由顶部、底板、内外侧板、隔膜、垂直和水平肋等板结构组成，下部由混凝土围堰支撑，整个薄壁围堰系统是在桥墩底部膨胀基础上发挥作用。钢围堰的内部采用钢支撑，两个用钢梁连接的钢围堰围住两个成对的立柱。但是，围堰并不直接接触桥墩和立柱。当船撞事故发生时，具有冲击韧性的钢围堰吸收大部分能量，加之与桥墩实体有一定的距离，能够延长抵抗撞击时长，期间船舶本身也会发生变形和破坏，从而有效地降低船桥碰撞力。

薄壁围堰防撞系统的优点在于：（1）围堰底部采用混凝土，节省钢材，更好地支撑顶部，即使水位较低，也能起到防碰撞作用;（2）整個系统大多由钢结构组成，可方便工厂加工、现场安装和维修;（3）围堰直接取决于桥墩底部的膨胀基础，没有额外的施工基础，避免了对原始桥梁基础周围土壤的破坏。但是，这种防撞系统只能保护桥墩，船舶会因变形太大而受损严重。

2 新型防撞设施的设计思路

通过分析目前的被动防撞设施，理想的装置是需要同时兼顾桥梁、船舶和通航三方面的要求。本文基于Origami结构，提出一种新的设计思路。Origami结构的反复折叠，具有良好的伸缩性，不会占用太大的空间，对通航影响小。当船撞向这种防撞设施时，Origami结构会被压缩，船舶的变形和破坏程度相对较小。Origami结构本身的凹凸、棱角性，能让撞击能在传递的过程中类似于光线在界面处反射逐渐被削弱，因而能量吸收和消耗效率高，从而极大程度地减少了对桥墩的损伤。此外，Origami结构在局部被撞击损坏后，不会导致整体防撞设施的失效，维修时也可只对局部进行处理。

3 结论

每种防撞设施都有其优越性和局限性，具体采用何种类型的设施需要综合考虑地理环境、船舶大小、航速、桥墩自身特点等多种因素。各种防撞设施并非是相互独立的，具体应用时，可以相互借鉴、取长补短，以期达到最优状态。Origami结构由于其优良的弹性性能和可观的吸能效率，可以为桥墩防撞设施提供一种新的可行性思路。

参考文献：

[1]吴官正.桥梁承台分水尖及钢套箱防撞性能研究[D].南京航空航天大学，2017.

[2]孙振.桥梁防船撞设施的比较研究[D].同济大学，2007.

[3]侯勇，侯刚.桥墩防船撞设施研究[J].高速铁路技术，2011，2（05）：63-65.

[4]吴广怀，于群力，陈徐均.非通航孔桥的大距离走锚消能式防撞系统[J].公路，2009（01）：213-218.