桥墩防撞设施的研究与评价

形，大量吸收碰撞能量；另一方面利用箱格结构的刚度较实体结构为低，
可减小冲击荷载。 3）优缺点 优点：对高能量的激烈碰撞能起到较好的防护作用； 缺点：装臵随抵抗能量的增大，自身和船舶的损坏也越严重。顾永宁 教授对箱式塑性防撞装臵的撞击问题进行了有限元数值模拟，得出直接抗 压变形型防撞装臵一般只保护桥梁而不保护船的结论。
对工业、贸易和社会造成的间接后果
损失。
环境的破坏
①清除费用;②自然恢复费用;③长期生态破坏。
撞击事件中，煤粒的泄漏、石油的泄漏会引发水体污染，水生植物、动物死亡以
及长期生态污染。
综上所述，从安全上、经济上以及环境保护上来看，船桥碰撞及桥墩防撞设施研
究具有极大的现实意义。

2. 国内外研究现状及评述
电信息提醒过往船舶。
2.3 桥墩防撞设施的要求：
防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位臵、桥墩的外形、水 流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行。陈国虞[5]提出桥 墩的防撞设施应满足:(1)兼顾水运、桥梁和航道等几方面的利益；(2)满足通航要求；
(3)能够适应水位变化的要求；(4)吸收能力大；(5)撞后恢复，能够多次使用；(6)安

泉州市公路局与福州大学土木建筑工程学院专家研究，采用大型空间有限元防 真分析和缩尺模型试验，对大桥防撞岛在船撞力作用下的力学行为以及防撞岛的实
际船撞力进行研究。

陈国虞对防撞设施的选择（包括防撞设施的种类、选择的原则、综合要求及桥 墩防撞的工作程序）进行了探讨和总结：

陈炜、肖波等针对武汉天兴洲公铁两用长江大桥1号墩防撞设计与分析。提出适
合该桥梁防撞要求的等截面桥墩防撞设施，并采用有限元方法对船与该防撞装臵的 碰撞过程进行了模拟，得出了桥梁设计所关心的技术指标，满足了设计要求。

有关工程指挥部总结出杭州湾跨海大桥防撞四大原因，以为其他大桥的防撞提 供参考：大桥桥形为S形，能与杭州湾的不同水流构成垂直，这样，航船穿过大桥的 航道时就不会因水流的流向而撞上桥墩；在大桥的南北航道桥墩上安装防撞套箱； 大桥外围设桥标、航标，引起过往船舶注意；大桥设AIS系统和VTS系统，利用无线
①失去生命；②抢救船只的费用;③船只维修或更换的费用;④在维修期的货物； ⑤在维修期的收益损失；⑥损失桥梁拥有者和使用者的索赔费用;⑦安全保险费 船舶拥有者的损失 的增长。
①公路和铁路的不方便费用；②桥梁或船只的破坏阻塞了一条重要航道，使港 口中断使用的费用;③在重要时间内由于交通运输破坏引起的商贸和公益方面的
自由升降的柔性防撞护套。
2.5.3 直接构造变位型——重力方式
该方式由重物及其支撑结构组成。其防护的主要机理是利用摩擦力或重力产生的复
原力使重物来回移动，从而把船舶的撞击能量转化为重物的势能和重物周围水的动能。该 种设施规模大，冲撞时的反力大，宜设在较开阔的水域，可抵抗中型吨位船舶的撞击。由 于直接构造变位型防撞设施需要重物的支撑，且维护管理较复杂，碰撞损坏后维修困难再 加上造价较高，此种类设施不常用。
图为：广东佛山九江大桥被撞
桥梁被撞引发的经济损失
损失分类 细节描述 ①桥梁损坏部件的抢修费用；②桥梁维修或更换费用。如果是收费通行的桥梁， 则在维修或更换期间收益的损失；③由事故带来的更多的维修或更换要求的附 桥梁拥有者的损失 加费用。
①丧失生命；②车辆和货物的损失；③对死难人员用一定数额的费用代替，则 桥梁使用者的损失 死难人员的损失可用经济损失的形式表示。
的损害。
2006年7月6日，京杭运河老德胜桥被一艘船撞击后拱肋严重受损。有关部门不得不 紧急封桥，大修一个月后才恢复通行。 2007年6月15日，广东佛山九江大桥被一艘运沙船撞击桥墩，造成大桥南岸200米桥 面坍塌，4辆汽车坠入江中，7名司乘人员以及2名桥面巡桥工人失踪。
在我国，仅武汉长江大桥，自
2.5.4 间接构造弹性变形型——桩群方式
1）防撞原理利用桩群的联合弹性变形缓冲吸收船舶的冲撞能量，为适 应高能量撞击防护的需要，在桩的顶部互相联接，以使整个防护系统共同 变形来吸收船舶动能。另外，还可将更多的单桩合成一根桩，并将桩顶用 横梁或锚链联系起来以便共同受力。 2）结构形式按照桩的材料使用方式，桩方式防撞装置可分为木桩群、 钢桩和砼桩群等结构形式。 3）优缺点
水 利 工 程专题
指导教师：
主 讲 人：
目
录
选题的意义与背景 国内外研究现状及评述 桥墩防撞设施的分类及评述 结论与展望


1. 选题的意义与背景
交通是国民经济的大动脉，其中陆运和水运占举足轻重的地位，而两者都离不开
桥梁。江河湖海是船只的航行通道，但对陆上交通则是天然障碍，于是促进了桥梁的 建设；事故不断发生。在我国，一方面航运繁忙的河流上己修建了大量的桥梁，并 计划修建更多桥梁。另一方面，通航密度的增加、船舶的尺寸和排水量趋于大型化。
1958年建成到2012年共被撞70余 次，其中除3次因桥梁的高度小 于船舶的高度而撞到钢梁外，其
余均撞在桥墩上。最近一次撞击
发生在2011年6月6日，一艘万吨 级油轮撞上武汉长江大桥7号桥 墩，这是10余年来，长江大桥发 生的最大一起桥墩遭撞击事件。
武汉长江大桥摄影图
武汉长江大桥7号桥墩被撞
图为：撞上桥墩的空驳船受损严重
研究内容归纳为：对防撞概率进行研究、通过数值模拟防撞力的计算问题、对防撞
装臵碰撞分析、有限元仿真分析研究航船的碰撞动能转化等。研究方法归纳为：实
验研究法；简化解析法；经验公式法；数值模拟法；计算机仿真技术在其中的应用； 非线性有限单元法。
2.1 国外的研究现状：
在日本、丹麦、美国、意大利和德国等一些发达国家，十九世纪六七十年代就对桥 区通航环境与安全进行了研究，并做过一些碰撞模拟试验和调查研究。
4）改善方法 为了减少撞击中抗压变形型防撞设施和船舶的损坏，最近几年建成的大能量防撞设 施大多采用抗压变形型防撞设施和直接弹性变形型防撞设施联合使用的形式。前者一般附 着于桥墩作为后者的支撑，并阻止船舶对桥墩的深度破坏，后者主要用于改变船舶的撞击
方向并降低船舶的撞击力来保护前者。如我国黄石长江大桥管理局设计的可随水位涨落而
刚性人工岛防护主要是靠在船舶撞击到桥墩之前使其搁浅停止而对桥墩进行保护
的。 3）优缺点 优点：对桥梁保护很好。 缺点：规模、质量大；对建造的水深和河床基础要求较高，所占航道多，压缩过 水断面，增大流速，加剧河床冲刷；船舶和防撞设施破坏大；碰撞后维修工程大。
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2.5.6
间接构造变位型——浮体系泊方式
处。 缺点：设施的设置水域一般要求很大；吨位小的船舶，船头的水下部分可能压迫
并掠过拦截设施，继续向桥墩撞击；高速行驶的大型船舶，船首如果尖锐，可能会切 断钢绳。 3）改善方法 鉴于钢丝绳容易腐蚀而需要定期维修，目前有人提出用尼龙绳作为锚缆，它抗拉 强度高，弹性变形大，不易受海水腐蚀，能吸收大量撞击能量。
到目前为止，大多数的研究工作是从桥梁的角度出发，将船舶撞击力作为桥梁 可能承受的一种外载荷来研究：研究船对桥的撞击力、撞桥后桥体结构的动态响应问 题、从交通工程角度出发研究船撞桥的概率问题。当然也有从船舶角度出发研究撞桥 后的船体结构响应问题及防撞设施的研究。 近年来，国外一些研究人员开始对限制水域的通航问题利用CFD或EFD的方法着手 进行研究，取得了很大的进展，尤其是欧共体项目的开展，促进了整个通航环境与安 全领域学术水平的整体提高。流固耦合理论的应用为桥区通航环境与安全问题提供更 大的研究空间。新的研究集中在改进防撞体的结构形式和选取新型材料、动态模拟防 撞设施的吸能和消能效果。这些研究为合理选用和设计防撞设施提供了丰富的理论基 础。
装运输方便；(7)不因防撞设施产生新的问题；(7)价格便宜。
2.4 桥墩防撞设施的分类：
有按照船舶冲撞能量的吸收方法分类：弹性变形型、抗压变形型和变位型。有 也有按照设臵场所分类的：直接构造（设施与桥墩相连安装）和间接构造（距离桥 墩安装）。综上，目前国内外普遍选择的分类是由80年代日本的岩井•聪的分类法:1) 直接构造：弹性变形型:护舷方式、绳索方式；压坏变形型:缓冲体方式；变位型:重力 式。2) 间接结构:弹性变形型:桩方式；压坏变形型:沉箱式、人工岛方式；变位形:浮 体系泊缆方式。
优点：桩与桩的联合或与其它防护设施的共同使用后，能抵抗比较大
的船舶撞击；柔性好，对船舶与桥梁均有较好的保护；对设置水域大小要 求不高，能满足各种水深及基础的需要。 缺点：能量吸收性通常不高，维修困难。
2.5.5
间接构造抗压变形型——薄壳筑沙围堰和人工岛方式
该类装置主要有薄壳筑沙围堰和人工岛方式：其防护机理是靠材料的压缩、屈曲 变形破坏来吸收撞击能量。 1）薄壳筑沙围堰 薄壳筑沙围堰是针对大型船舶碰撞而设计的，独立于墩身布置，受到船舶撞击时， 在撞击力作用下，锚固在河底的钢板桩被拔出，围堰和船舶的构件屈曲变形、破裂和 崩溃，围堰内部的填充材料充分摩擦并部分外泄，从而达到大量吸收撞击动能的目的。 2）刚性人工岛
人。如：2002年5月26日，美国俄克拉荷马
州阿肯色河上，一艘拖轮顶着两艘运油的 空驳船撞上一座有20年历史的公路桥的一 个桥墩，造成公路桥坍塌，至少有17辆汽 车从20m高空坠入河中，死亡17人。

黄石长江大桥在3年时间内共发生碰撞桥墩事故20多起，其中一次船毁人伤，货物沉 没，桥墩受损，直接经济损失上千万元。这些后果对桥梁的寿命和安全运输造成了极大
4）改善方法 我国已经研究出了一种能同时保护船和桥墩的吸能防撞器，且能重复 使用，其结构是由内摩擦角较高的钢丝绳紧密堆垒压接而组合成的，吸能 效率为60%，变形恢复80%。
2.5.2 直接构造抗压变形型——缓冲体方式
1）防撞原理直接抗压变形型防撞设施的工作原理是靠设施的压屈、弯 曲破坏来吸收冲撞能量。 2）结构形式设施多采用钢箱格的结构，一方面利用箱格板梁的塑性变