桥梁主动防撞设施研究

2019年第24期（8月 下）

桥梁主动防撞设施研究

康磊

（河北冀通路桥建设有限公司，河北 石家庄 050000）

摘要：针对桥梁撞击这一实际问题，在简单介绍桥梁和船只撞击后破坏特点的基础上，提出桥梁采取主动防撞措施的必要性，然后在此基础上对现在几种常用的主动防撞设施进行深入分析，包括直接构造弹性变形型与直接构造抗压变形型两类，并提出在桥梁主动防撞设施选型时需要注意的问题，以此为实际的桥梁防撞工作提供参考依据。关键词：桥梁防撞；主动防撞设施；桥梁安全中图分类号：U443.26

文献标识码：A

0 引言

通过对历史上被撞毁桥梁的分析可知，这些桥梁绝大部分都没有采取有效的主动防撞措施；而且即便有少部分采用了防撞措施，也由于防护能力不足无法抵抗撞击，导致桥梁结构被毁。因此，研究并设计出合理有效的主动防撞设施是具有重要现实意义的。

2 桥梁主动防撞常用设施

2.1 直接构造弹性变形型主动防撞设施2.1.1 缓冲材料方式

是指将护舷材料设置到桥墩的周围，其中护舷材料有很多种，如圆形、弓形、槽型与空气型。圆形护舷材料变形量和它的反力基本成正比；空气型护舷材料在变形产生初期时反力较小，但槽型和弓形则在变形产生初期有很大的反力。基于此，当缓冲材料规模完全相同时，不同护舷材料对能量的吸收有较大差别，如图1所示。

1 桥梁主动防撞必要性

从理论的角度讲，如果撞击力超过桥墩所能承受的极限，则抗冲击能力不仅无法由桥墩结构来提供，而且无法由船只来提供，其原因为：

（1）桥墩总是具有较大刚度，无法通过塑性变形这一方式来化解撞击产生的动能；

（2）为保证上部结构安全性，桥墩不能发生大位移；（3）无论与桥墩发生撞击的船只撞击点刚度大小，其变形量都只能由这一部位钢板等材料的压扁长度来提供，所以变形往往不会很大，由变形化解的能量只占总动能很小一部分。

可见，如果桥梁未设置主动防护设施，船只将与桥墩发生直接接触。因两者都具有很大的刚度，不会发生大变形，对撞击后动能的缓解很小，所以会产生巨大撞击力，导致船毁桥塌[1]。

对此，对桥梁而言，其抗冲击能力基本上仅可以由主动防撞设施来提供，用它化解转撞击后产生的力，将船只与桥梁的损失都降到最小。

现在我国相关规范并未针对桥梁的主动防护设施给出明显的设计要求，但国外对这一方面是十分重视的，如美国在很早就提出了采用主动防撞设施的主要目的在于使采用这一设施的桥梁及其墩身都免遭由于船只撞击产生的损坏。采用合适的主动防撞设施来改变撞击力作用方向，或直接吸收撞击后产生的能量，加速撞击动能的消散，确保桥墩不会因为撞击而损坏。

变形量

图1 不同类型缓冲材料变形量和反力之间的关系

①圆形护舷材料：内、外径分别为0.75m和1.60m，反力为460kN，吸收能为245kN·m；②弓形护舷材料：深度与宽度分别为1.0m和0.655m，反力为550kN，吸收能与圆形护舷材料相同，均为245kN·m；③槽型护舷材料：深度与直径均为3m，反力在5000～6000kN范围内，吸收能为这四种护舷材料中的最大，为903kN·m；④空气型护舷材料：长度与直径分别为9m、4.5m，反力为3860kN，吸收能处在圆形、弓形护舷材料和槽型护舷材料之间，为608kN·m[2]。

可见，相较于圆形和弓形护舷材料，槽型与空气型护舷材料具有更大容量。采用这些材料能在发生撞击以后发挥良好防撞功能。然而，如果船只以较快的速度撞向桥墩，只用这一种方法还远远不够。

收稿日期：2019-04-08

作者简介：康磊（1987—），男，助理工程师，主要研究方向为桥梁工程。

902.1.2 绳索方式

是指把钢丝绳展开至墩身周围的水面上，在桥墩与船只发生撞击时，钢丝绳由于具有弹性变形能力，所以能起到吸收冲撞能力的作用。虽然在实现过程上比较简单，用材省，但对于大型船只造成的撞击吸收撞击能量的效果不够理想。因此只作为针对中小型船只撞击的防护设施，也可安装在防撞系统的周围，将其作为第一道防护设施[3]。2.1.3 浮筏式无损防撞

根据现行规范提出的船只撞击力大小的计算公式，结合动能缓冲基本原理，设计出一种由具有较高能量吸收率的钢丝绳制成的桥墩防撞圈，再通过对这些防撞圈的组合，形成一个整体柔性防撞设施。当船只撞上这一设施后，船只立即后退，并使船只和这一防撞设施之间的接触点发生滑动，不再将船头卡住，受到撞击的防撞设施能快速恢复，无需频繁修理，支持多次使用，从而实现了理想的三不坏目标，即桥梁不坏、船只不坏和防撞设施不坏。2.2 直接构造抗压变形型主动防撞设施2.2.1 缓冲工事

缓冲工事由于撞击发生变形时，应综合考虑弯曲与抗压变形两种。通常是利用弯曲变形进行采用梁构造工事的制造，利用抗压变形进行采用空心管、多孔或折架构造工事的制造。

其中，对梁构造而言，因为和道路上使用的隔离格栅相似，所以它的构造比较简单，但吸收能量不大；同时，会伴随撞击方向改变而表现出不同性能。这种装置需要设置在和桥墩相距较远的地方，并需要解决支撑点构造方面的实际问题[4]。

对于多孔构造，它主要通过板发生抗压变形来吸收撞击产生的能量。它的优点在于即便撞击方向发生变化，也能保持应有的能量吸收能力。但存在制作周期长的缺点，而且由于属于薄板构造，所以抗腐蚀性较差。可能与桥墩发生撞击的船只类型多种多样，发生撞击的部位的强度也会有很大差别，所以研制能使反力与变形量相互关系变为直线的材料，是这种工事推广应用的当务之急。

空心管构造主要是把不同形状的空心管重新排列成类蜂窝状，然后设置在目标桥墩的周围。不同断面形状的空心管，缓冲效率有所不同，一般以六角形断面的空心管，其缓冲效率最高。2.2.2 浮式消能防撞设施

即在墩身的周围设置浮箱与套箱，借助橡胶与钢结构实现消能。该防撞设施由两部分组成，分别为橡胶件和钢结构。它可在受到浮力作用后，在桥墩竖向移动。这种防撞设施主要具有下列几个特点：

（1）对墩身外形是否光滑、几何尺寸是否准确都提出了很高的要求；

（2）可良好适应水位发生的变化，有效保护范围也较大；

交通世界TRANSPOWORLD（3）在潮水涨落时，防撞设施和承台之间的接触位置容易发生磨损，需要及时维护；

（4）当水位相对较低时，设施会在承台上发生搁浅，使其承受更大压力；

（5）如果墩身外形和承台的高度不满足要求，而强行采用这一防撞设施，将起到适得其反的效果[5]。2.2.3 固定套箱消能防撞设施

将防撞设施直接安装到承台上，利用墩身承台来支撑，不会因为水位的变化而发生移动。设施主体由橡胶件、钢板与型材三部分组成，其中钢结构提前做好防腐处理。这一防撞设施主要具有以下特点：

（1）为了顺利安装这种防撞设施，应在承台施工中预埋防撞设施的预埋件。

（2）为能适应水位发生的变化，更好地保护墩身，应适当增加套箱的高度。2.3 主动防撞设施选型注意事项

（1）桥梁所处环境条件往往十分恶劣，潮流流速、波浪和潮差都很大，这些都需要在防撞设施的选型中予以充分考虑[6]。

（2）当水底表面存在厚度较大的软土层时，由于持力层所处深度较大，所以不建议采用具有较大水平方向上抗力的主动防撞设施。

（3）考虑水对主动防撞设施材质的腐蚀影响。（4）水上施工难度较大，所选主动防撞设施应尽量便于施工、修复与日后维护。

3 结语

综上所述，当桥梁未采用主动防撞设施时，一旦受到船只的撞击，将产生巨大能量，使桥梁结构损坏。因此，在实际工作中，应根据桥梁实际情况，结合环境等基本要素，选择技术可行、经济合理的主动防撞设施。

参考文献：

[1] 洪茂枝. 桥梁主动防撞研究[J]. 福建交通科技，2019

（1）：121-123.

[2] 刘畅，周曙，张彩云. 一种新型的桥梁主动防船撞监测

预警系统[J]. 价值工程，2018（11）：187-1.

[3] 程呈. 基于云平台的桥梁主动防撞预警系统设计[J]. 科技

风，2018（8）：34，36.

[4] 邓清文，孙中懿，王端，等. 桥梁桥体主动防撞报警系

统设计[J]. 仪器仪表用户，2016（12）：16-19.

[5] 陈明栋，黄世连. 通航河流桥梁主动防船撞措施探讨[J].

水道港口，2013（2）：157-162.

[6] 王淑，任慧，云霄，等. 通航桥梁主动防船撞系统及其

性能分析[J]. 中国公路学报，2012（6）：94-100.

（编辑：姬瓅瓅）

91