_一种新型FRP桥墩防撞浮箱结构

P16 桥墩的防船撞击设计参数 菜园坝长江大桥 P15 、 桥墩设防 船撞力与 抗力差额 / MN 24． 0 28． 8 24． 0 28． 3
The design parameters for the pier protection of Caiyuanba Yangtze River Bridge in the ship collision 桥墩年倒塌频率 2010 年 下水 上水
The FRP floating pontoon protection structure
底舱结构。顶舱和中、 底舱可沿立面拆分为 2 个独 ， 、 立的结构 中 底舱为沿高度不可拆分开的整体结构 （ 图 2） 。 FRP 外围箱体结构， 在平面上分为前箱、 中箱和 后箱结构。前、 中、 后箱通过 3 者组合面上的卡槽和 卡榫实现浮箱的平面自锁连接和拆分组装 （ 图 2 ） 。 FRP 外围箱体结构的顶舱结构， 为内带横隔板
表1 Tab． 1 设计 墩号 水位 / m 194． 43 P15 166． 00 194． 43 P16 160． 00 1． 19 × 10 － 5 2． 85 × 10 0 1． 07 × 10
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加之钢浮箱存在“和谐防撞 ” 和“长效防撞 ” 的技术 促使笔者研发出新型 FRP 桥墩防撞浮箱结构 缺陷， 参与设计竞标并获得第一名。 专家评审意见认为， 设计方案的创新性、 实用性、 经济型、 消能效果及与 。 环境协调等综合最优
图3 Fig． 3
FRP 浮箱外围箱体结构顶舱细部结构形式
The top hold detail structure formation of the periphery box structure for the FRP floating pontoon
纵横隔板的开口箱内布满 FRP 八边形柱壳薄壁构 件和四边形柱壳薄壁构件的结构形式 。少量的 FRP 四边形柱壳构件， 安装在中舱前、 中、 后箱的卡槽位 置附近， 大量的 FRP 八边形柱壳构件， 布满在中舱 。 FRP 结构的其余位置 八边形柱壳件和四边形柱壳 构件， 高度与中舱结构的开口箱同高， 上、 下端开口， 下端平置于中舱底板（ 即底舱顶板 ） 上， 各柱壳构件 相互之间及其与箱壁之间完全密贴 （ 图 4 ） 。 FRP 外围箱体结构的底舱结构， 为内带纵横隔 板的闭口箱形结构。底舱结构的内外壁板与纵横隔 每个箱室的壁板和 板将其分成若干个独立的箱室，
浮体式保护结构， 是目前桥墩防撞应用得最多 ［1 － 2 ］ 。 和最最好的防撞结构形式 以钢浮箱为代表的浮体式保护结构， 主要通过 浮箱和船舶在撞击区域共同产生的破坏性变形来吸 收和耗散船舶的撞击动能实现对桥墩的防撞 ［3 － 4 ］ 。 保护 随着工程实践的深入， 钢浮箱暴露出如下 2 类 重要缺陷： 1 ） 钢浮箱依靠自身和船舶“两撞俱损 ” 的破坏 性变形来吸收船舶撞击能量的防撞机理， 存在“只 注重保护桥墩， 不注重保护船舶 ” 及“以浮箱和船舶 的损伤代价换取桥墩安全 ” 的设计理念缺陷。 现有 钢浮箱能将船舶击动能转换为浮箱与船舶的变形 能， 是以二者的巨大撞击损伤， 有时甚至是毁灭性的 ［5 － 6 ］ 。 因此， 撞击损伤为代价换来的 这种防撞保护 “人性化保护 ” 设计理念， 既缺少 内涵， 又难达到“船
的闭口箱形结构。顶舱四周底板上设有都向桥墩方 向倾斜的斜面， 斜面上设有由上滚筒、 下滚筒和中连 杆组成的自平衡定位滚筒。定位滚筒的上滚筒可沿 斜面上下滚动， 由此带动穿过顶舱内壁板的中连杆 推动下滚筒与桥墩的立面接触并沿桥墩立面上下滚 动（ 图 3 ） 。 FRP 外围箱体结构的中舱结构， 为不带顶板和
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1． 23 × 10 － 5 7． 23 × 10 0
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0 4． 63 × 10
0 2． 02 × 10 － 2
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1． 04 × 10 － 2 9． 52 × 10
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4． 49 × 10 － 5 1． 08 × 10
7． 34 × 10 － 5 1． 77 × 10
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2． 1
FRP 桥墩防撞浮箱的结构形式
庆菜园坝长江大桥和黄花园嘉陵江大桥的桥墩防撞 工程进行。以图 1 所示的菜园坝大桥为例， 该桥船 撞倒塌风险最高的主桥 P15 过渡墩和 P16 辅助墩的 船撞倒塌频率已大于美国《AASHTO 》 规范“重要桥 －4 ， 并且桥 梁的目标倒塌概率 （ 即可接受风险 ） 10 ” 墩自 身 的 抗 力 比 其 设 防 船 撞 力 低 90% 左 右 （ 表 1 ） ［9］。桥梁管养单位对此高度重视， 面向全国发出 桥墩防撞设计方案竞标邀请， 征求能有效解决该桥 “弱墩抗强撞” 技术难题的最优设计方案。
（ 重庆交通大学， 重庆 400074 ） 摘要： 介绍了一种具有自定位功能的弱接触连接构造和具有高消能效果的新型 FRP 桥墩防撞浮箱结构， 它可适用 “既不伤墩、 可获得 又少伤船、 还少结 于桥区水位变幅较大和墩的抗力远低于其设防船撞力的桥墩防撞保护工程， “和谐防撞” “长效防撞” 构自伤” 的最佳防护效果， 是实现桥墩 与 的技术创新尝试。 关 键 词： 桥墩； 防撞浮箱； 纤维增强复合材料； 外围箱体结构； 内衬柱壳薄壁构件 中图分类号： U443． 26 文献标志码： A 文章编号： 1674 － 0696 （ 2011 ） 03 － 0388 － 06
桥和谐防撞” 的设计最高境界。 2 ） 钢浮箱较刚硬的结构形式及其与桥墩较刚 硬的接触连接方式， 存在“浮箱自身的能量吸收和 及“浮箱与桥墩的连接方式不 动量缓冲性能较差 ” 能弱化船撞力的传递 ” 的结构构造缺陷。 钢浮箱因 其刚度较大， 受撞后的刚体位移也较大并较快 ， 故对 ， 船撞力的衰减作用不大 易使桥墩受到硬性撞击伤 害， 并使那些自身抗力较低的桥墩受到致命伤害 。 因此， 这种防撞保护结构的结构构造， 既难达到“强 化消能、 弱化传力 ” 的防撞保护效果， 还使浮箱撞损 “长效防撞保护” 。 后难以修复而不能对桥墩提供 桥梁工程师和设计、 研究人员为改变钢浮箱的 上述缺陷进行了大量的理论和试验研究， 但都因钢 浮箱材料特性的先天缺陷及结构构造的传统模式局 限而收效甚微， 致使钢浮箱的工程应用受到一些制 ［7 － 8 ］ 。为改变钢浮箱的技术现状和提升浮 约和质疑
FRP 桥墩防撞浮箱的总体结构形式 FRP 桥墩防撞浮箱的总体结构形式， 为围护在 桥墩四周的 FRP 外围箱体结构与附着于外围箱体 结构内表面上的一排 FRP 内衬八边形柱壳薄壁构 件组成的组合结构 （ 图 2 ） 。 FRP 外围箱体结构， 为
浮箱的抗撞消能主体结构和浮力平衡结构 ； FRP 内 衬柱壳构件， 为浮箱与桥墩的弱接触连接支承结构 和撞击缓冲结构。 2 ． 2 FRP 桥墩防撞浮箱的细部结构形式 FRP 外围箱体结构， 立面形式为上下端向内倒 角的近似矩形截面， 平面形式为带有分水尖的近似
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体式保护结构的技术水平， 笔者从材料源头和结构 形式入手， 研发出一种由纤维增强复合材料 （ Fiber Reinforced Polymer， FRP ） 设计建造， 结构既强又柔 还完全弹性， 与桥墩的接触连接和传力弱化， 既能随 又能保持与桥墩的相对平 水位变化上下自由浮动、 面位置不变； 不仅抗撞和消能功能比钢浮箱更强 、 而 且自身和船舶的撞损比钢浮箱和对应船舶更小的新 型桥墩防撞浮箱结构。 为实现桥墩“和谐防撞 ” 和 “长效防撞” 进行技术创新尝试。
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桥墩设防 2050 年 船撞力 / 上水
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桥墩自身 实际抗力 / MN 3． 0 4． 2 3． 0 4． 7
2020 年 下水
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上水 3． 65 × 10 0
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下水
MN 27． 0 33． 0 27． 0 33． 0
1． 44 × 10
8． 59 × 10 － 5 6． 14 × 10 0 2． 47 × 10
第 30 卷第 3 期 2011 年 6 月
重 庆 交 通 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版） JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY（ NATURAL SCIENCE）
Vol． 30 No． 3 Jun． 2011
一种新型 FRP 桥墩防撞浮箱结构
张锡祥， 王智祥， 巫祖烈， 王家林， 杜柏松
A Late － model FRP Floating Pontoon Protection Structure for Bridge Piers in the Ship Collision
ZHANG Xixiang， WANG Zhixiang， WU Zulie， WANG Jia － lin， DU Baisong
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重 庆 交 通 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 水尖正对船舶正撞的上游或下游方向 （ 即横桥向） ， 用以卸掉船舶撞击浮箱的部份附连水
流质量和改变撞击船舶的运动方向 （ 图 2 ） 。 FRP 外围箱体结构， 在立面上分为顶舱、 中舱和
图2 Fig． 2
FRP 桥墩防撞浮箱的总体结构形式
（ Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074 ，China） Abstract： A late － model FRP floating pontoon protection structure with self － location function， weaker contact joint formation and higher energy dissipating effect for bridge piers in the ship collision is presented in this paper． The structure applies to the pier protection engineering where the water level around the bridge fluctuates largely or the actual resisting capability of the pier is insufficient for its designing ship collision force． With the structure， the optimized protection effect that “neither damage the pier nor harm its self structure and ship structure too much” can be achieved． It can be regarded as a trial of technical innovation to realize the “harmonious protection”and “long － term protection”for the pier in the ship collision． Key words： bridge pier； protection floating pontoon in ship collision； FRP； periphery box structure； cylindrical thin － shell lining component