乌龙江大桥新型复合材料(FRP)防撞体系设计

摘要：伴随着世界各地船舶撞击桥梁事故的不断发生，桥梁工程界也越来越重视对桥梁防撞体系设计的研究。目前，国内应用较为广泛的一般是钢套箱防撞体系。本文阐述的是一种新型复合材料(FRP)防撞体系的设计。新型复合材料(FRP)是一种树脂基纤维增强复合材料，该材料具有轻质、高强和耐腐蚀等优点，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域已得到广泛应用，近年来逐渐应用于土木与建筑工程，并受到工程界的广泛关注。新型复合材料防撞体系的研究与开发，使得国内桥梁工程防撞领域多了一种全新的选择。

关键词：桥梁；复合材料；防撞；设计

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

根据各种有关资料文献的介绍，船撞桥事故在世界各地一直在不断地发生，船撞桥事故的频率远比我们想象的更高。由船撞桥事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏是惊人的。很多船撞桥事故轻则损失数万元，重则人员伤亡、损失以数百万、数千万甚至数十亿美元计，大量的间接损失更是难以计算。在1970～1974 年间，美国内河上发生了811 起船撞桥事件，损失了2300 多万美元。由国际航海协会常务会议PIANC(Permanent International Association of Navigation Congresses) 第19工作组所建立的船撞桥国际数据库中包含了151 起事故，主要包括发生在北欧国家、日本、美国、德国、英国、法国、比利时和荷兰的船撞桥事故。据统计，在1960～1993 年的33 年中，全世界因船撞桥而导致损毁的大型桥梁已达29 座，其中美国15 座，死亡人数为321 人。美国的阳光大桥、澳大利亚的塔斯曼大桥等都在被船撞塌后重建。在我国，船撞桥事故也是频繁发生。如武汉长江大桥(公铁两用) 自从1957 年建成以来，大约发生了70 起船撞桥事故，其中直接经济损失超过百万的大事故超过10 起；南京长江大桥建桥至今已发生约30 起船撞桥事故；有报道说，白沙沱大桥发生的船撞桥事故达到了上百起之多。据不完全统计，仅发生在我国长江、珠江、黑龙江三大水系干线上的船撞桥事故就达到300起以上。

尽管并非每次碰撞事故都酿成桥毁人亡的重大惨剧，但桥梁的使用寿命、安全性及抗震能力的降低却是肯定的，由此造成中断交通、抢修线路的经济损失也逐年严重。针对这种情况，许多国家的交通部门均要求对一些重要的大型桥梁桥墩予以保护。为此，国外的学者已率先开展了相关的研究，提出了船桥碰撞理论，并设计出了一些桥梁防护设施。我国主要集中在借鉴和参考国外研究成果，进行实例桥梁的防撞装置的设计和应用，其成果被部分规范引用，但桥梁防撞击的研究工作和防撞装置的安装在我国仍然未能引起足够的重视。此外，现有防撞装置几何尺度偏大，外形欠美观，维护费用较高，也不能完全满足现代交通对桥墩防撞装置的要求。

复合材料防撞体系是一种基于能量吸收、动量缓冲而设计的新型防撞体系。能有效防止桥梁因船舶撞击力超过桥墩的设计承载力而造成结构毁坏，同时尽可能地保护船舶，将损失减小到最低程度。防撞体系的外壳为玻璃纤维增强复合材料，该复合材料防撞设施在工厂中采用真空导入成型工艺制备，可在外壳内部填充具有一定抗剪强度的耗能芯材，在复合材料防撞体系弹性变形时吸收碰撞能量，并能够同时保护船与桥墩（塔）。该防撞体系具有以下显著特点：

1）具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等性能。防撞设施的外表采用了强耐腐蚀、力学特性优越的纤维增强复合材料，两侧玻璃纤维面板中间用复合材料增强的芯材来提高结构件的刚度。

2）防撞体系为漂浮式。防撞体系可随水位高低上、下浮动；同时防撞体系在平面上呈六边形，当船撞发生时可发生略微转动，有助于拨离船舶行驶方向，减小碰撞力。

3）防撞体系安装便捷，可更换。防撞设施由各个独立的单元体通过法兰螺栓连成整体，单个单元节段损坏可方便更换。

4）防撞体系可设计性强，造价低。

5）造型美观、耐久性好、免维护。目前国内外公认玻璃纤维增强复合材料的使用寿命可在60年以上，且免除了后期防腐维护费用。

二、工程概况

乌龙江大桥位于福建省福州市乌龙江下游峡口处，乌龙江大桥于1971年9月竣工，是中国较早建成的一座大跨度预应力混凝土T 型刚构桥。大桥全长548m，桥跨结构为58m＋3×144m＋58m。乌龙江大桥由四个T构和三个简支挂梁组成，各刚构间采用33m简支T梁连接，T构与桥台间采用6m长搭板连接。桥宽12m，采用8m宽双箱断面，两侧挑出悬臂板各1.25m。主墩墩身采用钢筋混凝土空心板式桥墩，基础采用钢管桩基础。

三、防撞体系设计原则

通航水域中设置桥墩，是人为设立的障碍物。安设桥梁防撞保护设施，除了保护桥梁之外，还应保护通航船舶的航行安全、保护环境，以及与自然景观协调。

防撞体系的设计需要考虑桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素。新型复合材料防撞体系设计的原则如下：

（1）对撞击船舶的能量（动能）进行消能缓冲，使船舶结构不能直接撞击桥墩结构，或使船舶碰撞力控制在安全范围内；

（2）在各种水位条件和各种船舶的装载状态下，撞击的船舶结构不能直接触及墩壁，水下的球首部分不能直接撞击桩基础；

（3）防撞设施结构不能影响航道的通航尺度，占用航道尺度应尽量少；

（4）采用各种缓冲阻尼材料，尽量减小通航船舶的损伤；

（5）通过合理的结构形式和结构布置，使船撞事故发生后，通过防撞结构的变形、压溃和撕裂，拨动船头方向，让碰撞船舶带走更多能量，减少桥梁吸收的能量，降低船撞力；

（6）防撞设施具有很好的可靠性和安全性，制造、安装、维护和修理的经济性较好。

四、设计方案

传统的钢结构套箱消能设施利用钢材塑性变形破损消能，当船舶撞击钢套箱防撞装置时，防撞结构外层非连续（间断的）结构钢板发生大的变形，吸收了部分碰撞能量，并且延长了接触时间，使撞击力峰值得以降低，同时由于结构变形和相互作用，从而拨动船头方向，减少了船舶与结构间的能量交换。但钢套箱通常承受单次撞击，撞损后维修较困难；同时碰撞时船体易受损伤；另外钢材常年在水中易锈蚀，维护费用较高，故本项目依据工程自身特点，设计开发了新型自浮式箱型复合材料防撞体系。

1）基本构造

由于乌龙江大桥1#、4#墩位于滩地上，因此重点对2#、3#墩进行防撞设置。

防撞设计确定的代表船型为单只500t驳船，最大吃水深度1.6米。本设计采用的箱型复合材料防撞圈部分型号为H200，其高度为2m， 箱型截面宽度为1m，箱型防撞系统的外壳为纤维复合材料，在箱型复合材料防撞圈的内侧设置拱形橡胶护舷，橡胶护舷的高度为0.5m，橡胶护舷内侧与桥墩接触处采用30mm厚的四氟滑板，因此箱型复合材料防撞设施的外伸宽度略大于1.5m。箱型复合材料圈的顶部设置1m高的复合材料安全护栏，孔内穿高分子聚乙烯纤维高强缆绳。复合材料防撞圈采用节段工厂制造，现场通过法兰环连接成多边形防撞圈。复合材料防撞结构直接承受船撞的纤维复合材料单位宽度（m）的抗弯刚度需达到300000N.m2，平压强度需达到10MPa以上。外壳材料的弹性模量需约为钢材的1/10，保护钢结构船舶不受局部损伤。复合材料防撞箱内填充的轻质耗能芯材需采用复合材料加劲增强，具有一定的抗剪强度，达到1MPa以上。箱型防撞体系设计参见下图（图1、图2）。

(a) 立面布置图(b) 平面布置图

图1通航孔桥墩（2#、3#墩）防撞设计详细布置图

图2箱型防撞系统横截面图

2）防撞机理

在通航孔2#、3#桥墩防撞保护系统中，船舶若正对桥墩撞击，橡胶护舷首先与桥墩的棱边相接触发生弹性变形，吸收碰撞能量；当与船舶呈一定角度撞击后，防撞系统也可方便地转动一定的角度，从而迅速拨离船舶行驶方向；另外当船舶与防撞系统撞击紧密接触后，防撞系统箱型截面本身也能承受较大的撞击力，箱型截面外壳为弹性复合材料，其内部填充的耗能材料抗剪强度高，缓冲能力强。由于复合材料防撞系统具有自浮性、可转动性、缓冲性、弹性模量低等特点，因此可有效保护船舶不至于局部受损。

五、结束语

新型复合材料(FRP)防撞体系充分发挥了材料自身的轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等性能，与目前应用较为普遍的钢套箱防撞系统相比，具有耐腐蚀、免维护、安装方便、造价低等显著优势。通过在福州乌龙江大桥中的实际应用，取得了较好的经济效益和社会效果。同时，该防撞系统的研发，已获得多项国家专利。