新型桥墩防船撞装置的探讨

陆明龙

摘要：船舶与通航桥梁的碰撞事故在世界范围内频繁发生，有可能造成巨大的人员伤亡和严重的环境污染。为桥墩设置一种物理保护系统是减轻事故破坏的可行性方案。针对船撞桥的问题，简述了桥墩防撞的目的和意义，总结了桥墩防撞设施的分类，并探讨了新型的防撞装置。

关键词：桥墩；船只；碰撞；防撞设施；新型防撞装置

1前言

跨越沿海或内河繁忙航道的桥梁结构，由于气候、驾驶员操作失误、机械故障等不利因素，容易被船舶碰撞。在被船舶碰撞的情况下，桥梁受到巨大的能量，难免会损坏甚至倒塌。根据美国国有公路运输管理员协会（AASHTO）的统计结果，在1960年至2002年间，全球共有31座主要桥梁因船只的碰撞而倒塌，造成342人死亡。桥梁由于船舶碰撞造成的人员伤亡和经济损失则更加严重了。

我国最早建成的长江大桥武汉大桥，据统计，武汉大桥自建成到2000年，共被船只碰撞70余次，其中桥墩受撞的次数高达67次。武汉大桥由于被桥梁碰撞留下的风险是十分巨大的。2007年，广东九江大桥桥墩因受船只碰撞，倒塌长度200余米，8人在事故中死亡。我国建成的桥梁众多，因受船只碰撞造成的威胁十分巨大。桥梁防撞的意识必须引起工程人员的重视，设计出能承受船舶碰撞产生的冲击荷载的桥梁结构是至关重要的。另外，给桥墩提供一种保护装置，将船舶施加在桥墩的冲击荷载降低到非破坏性水平，使暴露在外的桥墩的损伤最小化，是桥墩防撞的主要研究内容。

2防撞设施的分类

目前，防撞设施可分为主动防撞设施和被动防撞设施两大类。主动防撞设施是指通过航标、桥涵标及相关警示标志、导航系统等引导船舶沿正确航道行驶的设施，如航标灯、雾天黄灯、闪灯系统、雷达靶、GPS卫星导航区域系统、激光预警系统、VTS监控系统等预警式设施。主动防撞装置在船舶撞上桥墩之前就发出信号让驾驶员注意，保持警惕，及时调离前进的方向，是一种非接触式防撞设施。由于主动防撞设施并不能完全保证船舶不会撞上桥墩，故需增加在发生碰撞时减轻破坏和损失的防护装置，这种防护设施就称为被动防撞设施。

上世纪80年代，日本学者按照设施设置的地点，把被动防撞设施分为直接构造和间接构造。直接构造的原理是通过削弱船撞力和加强桥墩等措施，利用桥墩的抵抗力承受船的撞击而不发生破坏。间接构造的基本原理是：船在撞上桥墩时，先撞到桥墩外的防护装置，吸收船舶的一部分或全部能量，“御敌于国门之外”，船只撞不到桥墩，使桥墩免受损伤和破坏。

1991年，国际桥梁及结构工程协会将防撞结构分为以下5种：1）挡板系统；2）支撑桩系统；3）系缆桩系统；4）人工岛系统；5）浮动保护系统。每个保护系统都有自己的应用领域，通常可根据桥梁所处的环境及通航情况设置防撞设施。

我国学者在1995年，根据船撞桥后的损伤结果把防撞设施分为以下三种：①保护桥墩，防撞设施不损坏的设施；②但保护桥墩，防撞设施损坏的設施；③能同时保护桥墩、船和防撞设施，也称“三不坏”防撞设施。

3新型防撞装置

对于传统的防撞装置，虽在一定程度上能保护桥墩免受破坏，但不能保证碰撞后防护装置和船只不会受到损害。防护装置如果碰撞后毁坏了，那么事故之后就要更换防护装置，防护装置由于其性能要求高，其成本往往是很大的，更换一次装置需要花费很多的人力和财力，甚至会影响航道的通行，较长时间阻止航道畅通。同理，船只如果在碰撞后发生破坏，不仅造成船上的人员伤害，大范围漏油还会导致下游水环境污染，给人用水造成威胁。因此，我们需要研究前己叙述的“三不坏”防护装置。以下主要探讨最近我国学者和专家们研究并应用于实际工程中的新型防撞装置。

3.1双壁钢围堰自旋浮筒

双壁钢围堰主体结构由两层钢围堰，钢围堰之间设w型钢折板组成。w型钢折板可以起缓冲作用，延长碰撞的时间。外层钢围堰设置自旋浮筒，自旋浮筒环绕着橡胶层，浮筒内部设置横隔板。在碰撞的过程中，自旋浮筒由于接触面的摩擦力带动浮筒自旋，同时拨动船头，改变船体行驶的方向，减小船只的损伤。自旋浮筒和双层钢围堰两者的变形可以抵抗冲击力，消耗能量，从而达到减小桥墩的损伤程度。双壁钢围堰自旋浮筒是一种改进后的新型桥墩防撞装置，生产成本低，施工方便，对于中小型桥梁通航较小的具有良好的防撞效果，应用前景好。

3.2 FRP防撞浮箱

纤维增强复合材料（FRP）是指经一定工艺程序复合形成的新型高性能材料，具有强度高、耐腐蚀性强、可工厂预制等优点。FRP防撞浮箱总体结构形式是由外围箱体结构、附在外围箱体结构内壁板上的薄壁消能简体和挂在外围箱体结构外壁上的薄壁消能简体组成。其中，外围箱体结构的材料是FRP，主要承受外来荷载的撞击。箱体结构内壁上的消能简体，能减小箱体结构与桥墩的接触，发生撞击时可消耗能量。箱体结构外壁上的消能简体在碰撞时，可通过自身的变形将传递的动能转化为内能，作为缓冲结构延长撞击的时间。

FRP防撞浮箱应用于我国重庆的黄花园嘉陵江大桥，具有高性能的耗能能力，结构新颖，更换方便，显著降低了碰撞力，延长碰撞持续时间，具有很好的应用前景。

3.3 SPS夹层板（聚氨酯钢夹层结构板）防撞套箱

防撞套箱整体结构构造比较简单，形状为曲面圆环形，套箱由里到外材料为钢板+聚氨酯芯层+钢板。SPS夹层板是指在两层钢板件浇注聚氨酯弹性体而形成的复合结构构件。构件里的钢板主要承受冲击力，聚氨酯层可以吸收能量，传递分散应力，减小对桥墩的冲击。SPS夹层板具有质轻高强、加工方便、减震缓冲性能好、抗冲击性能好、修理方便、绿色环保等优点。SPS夹层板属于浮动式装置，可以随水面高度变化而上下浮动。SPS夹层板防撞套箱与普通的防撞装置相比，表面光滑，且能转动。当船撞到套箱时，SPS夹层板防撞套箱能拨开船头，改变船的前进方向，大大降低了船舶的损伤程度，是属于“三不坏”装置。目前，我国广东江门市小冈大桥20#桥墩的防撞装置应用了SPS夹层板防撞套箱。SPS夹层板防撞套箱是一种新型的防撞装置，在很多方面有创新，具有良好的应用前景和参考意义。

4结语

船舶与桥墩碰撞的事故影响到桥梁的运营安全，带来极大的破坏成本和严重环境后果。桥梁防撞装置各有优缺点，根据工程实际情况，安装耗能能力强且“三不坏”的新型桥墩防船撞装置，对桥墩和船的安全运行至关重要。