怎样实现桥墩柔性防撞

怎样实现桥墩柔性防撞陈国虞张澄倪步友王礼立黄德进张忠伟上海海洋钢结构研究所宁波大学摘 要 “船撞桥墩,古已有之,于今尤烈”。

今天海洋环保日益被重视，撞破燃油舱或液货舱，使油料或化学品外泄，引起的后果就不仅是桥梁、船东和货主的损失。

因此，桥墩柔性防撞，在“保护桥的同时也保护船”的任务就更迫切了。

桥墩柔性防撞的物理意义是指：初撞时反力小位移大、吸能大、反力作功小。

本文阐述一种由作者实现的方法：生产出钢丝绳复合吸能防撞圈，达到柔性和高吸能；在众多防撞圈的外面包络强的外钢围，使这些防撞圈得到高的受力同期性；外钢围尖形，能滑开船头，使船的大部分动能保留在船上，而不参与交换。

实现了桥墩柔性防撞。

关键词 桥墩柔性防撞 柔性防撞 防撞1前言“船撞桥墩,古已有之,于今为烈”[7]。

今天海洋环保日益被重视，1982年我国颁布了海洋环境保护法，追究破坏海洋环境者的责任。

船撞桥墩时，如撞破燃油舱或液货船的液货舱壁，使油料或化学品外泄，引起的后果就不仅是桥梁、船东和货主的损失，更严重的是破坏海洋环境；不仅有当时的人身和财产的损失，也可能危害子孙后代。

从前，有人认为桥墩防撞只要保护桥就可以了。

实际上桥墩是水中新建的障碍物，桥位、桥型和净宽选择不当时，船撞桥便会增加。

正确地选择桥位、桥型和净宽，采用足够的海事设施和管理，提高海员素质做到安全驾驶，并在桥墩设置柔性防撞装置，在桥、航双方的努力下，便有可能大幅度减少船撞桥事故的发生。

桥墩柔性防撞的装置和过程是：桥墩的防撞装置要柔软，当船万一撞上桥墩时，防撞装置稍为后退一点，同时给船头一个侧向力，拨开船头，使船的动能大部分保留在船上；同时防撞装置消耗掉一部分能量。

消耗掉的这部分能量是不对船作功的，如果它占的比例大，便减轻了对船的破坏。

实现桥墩柔性防撞的途径不止一条，液体、气体和固体的缓冲原理均有可能作成防撞装置：·液压缸缓冲装置：例如航空母舰上的拦阻系统[1]，油缸阻尼加上一组1:10的钢丝绳滑轮组，使40吨重、速度为70m/s的飞机在50 m内停下来。

但液压缸系统在桥墩周围设置比较困难，有兄弟单位利用液压原理在研究“充水胶囊束”[4]，是有前途的。

·橡胶气囊装置：例如浮式充气橡胶碰垫[2]，已有海洋平台使用过，接触面足够柔软，但吸能少，价值很高，适应侧面靠船，目前还不适合桥墩柔性防撞的要求。

·钢丝绳复合吸能防撞圈：这是一种专门为防御船撞桥而研制出来的、固体摩擦和变形吸能的元件，具有大的吸能比，外面加上能使多圈同期作用的钢围，尖形的钢围能滑开船头，使大部分动能保留在船上而不参与交换，便可实现桥墩柔性防撞。

2柔性防撞的物理意义桥墩柔性防撞的物理意义是指：初撞时反力小位移大、吸能大、反力作功小。

其中初撞时反力小位移大是容易实现的，用中空的管状或圈状的防撞元件便可以了，它的“力-位移”曲线（“F-△L”曲线）的数学特征是凹曲线，即y”>0。

但要同时吸能大，能量被防撞装置消耗掉，船的损坏就小，因此不能用橡皮管、橡皮圈，因为橡皮弹性好、吸能少。

在“力-位移” 曲线的特征是返回段下的面积（图右Ⅱ）小。

图1左，为橡胶厂给用户提供的碰垫“力-位移”曲线（只有上升段，而且是用静载荷作出的）[3]，凸曲线为鼓形碰垫，凹曲线为管形碰垫。

可以看出中空的管状或圈状的防撞元件已经实现初撞时反力小位移大。

图1右是作者供应的钢丝绳复合吸能防撞圈的“力-位移”曲线，包括吸能（上升段）和放能（下降段）两个部分。

图1 橡胶碰垫和吸能防撞圈产品目录中提供的“力-位移”曲线 图2是动载的“力-位移”曲线，图2中的曲线上升和下降段包络的面积代表消耗的能，图2左面是橡胶鼓形碰垫，可以看出橡胶元件消耗的能很少。

于是研究出钢丝绳复合吸能防撞圈（图2右面），它上升和下降段包络的面积很大，能消耗70-85%左右的能。

回程曲线与横坐标包络的面积代表回程时作用到船上的功。

可以看出鼓形碰垫这部分比例很大；钢丝绳复合吸能防撞圈与鼓形碰垫相反，回程作用到船上的功很少。

图2 动态“力—位移” 曲线，围着的面积代表耗能3．从单个吸能圈到防撞装置现在生产的钢丝绳复合吸能防撞圈，大号的每个吸能10000-20000 J，要成百上千个才能实现桥墩防御大船的撞击，于是在防撞圈之外作一钢围，一方面将船撞上来的力及时分布到各个防撞圈，另一方面将船头滑开。

因此，这一钢围子必须强度大、刚性好。

图8所示的就是众多防撞圈外面设有钢围的防撞装置。

在建设它之前，先作中间试验。

图3是一段钢围子连同4个和8个防撞圈组成的1:1分段的动态“力—位移”图，4个圈的是单层，8个圈的是双层。

单层的后退400mm左右，双层的后退800mm左右。

说明4个圈在单层钢围的作用下得到联动，双层的分段在双层钢围的作用下也得到联动。

（由于落锤试验机的功能不够，它只能给出120000 J左右的能量，所以对8个圈的试样来说，并没有打到位。

）图3的实验曲线开始段所代表的曲线峰是接触时的耗能，需要积累实验另行讨论。

图3 单层、双层的分段在有钢围时的“力—位移”图4．整圈钢围的同期作用试验桥墩4面都有钢丝绳复合吸能防撞圈，外面有钢围包络起来，只要钢围足够强，船从任何方向撞向桥墩，所有的钢丝绳复合吸能防撞圈都起作用。

现用试验证明如下：图4是试样和试验时船对墩的方向。

防撞圈的外径是300mm。

表1是试验的结果。

图4 整圈钢围和多个钢丝绳复合吸能防撞圈的同期作用试验表1 Ф300mm防撞圈同期作用试验的结果序 受 力圈数 (个) 平均值 冲击能量 吸收能量 备 注 受压 受拉 受剪 样本数 J J1 1 1 2000 1323 无钢围，单个直接冲击2 2 2 23 10000※7705 有钢围，共同吸能，3 1 14 2 8000※6313 有钢围，共同吸能※ 这两项均应给予12000 J 以上的能量与实验平行地用动载有限元分析方法对此实验装置进行计算，在0.04秒(40ms)后，6个圈达到同期作用。

（另有单独的报告）5 滑动船头所需要的侧向力——用设在船头的侧推螺旋桨推动船头的力船头撞上桥墩外面的防撞装置的钢围后，一段时间内力上升很少，船只基本上以其原速沿钢围外壁滑动，船头受侧向力以船的重心为轴转动，多大的力可以使船头转动呢？人们认为要转动运动中的船的船头，其力小于船头从静到动的力，就是小于船首离码头时所需的侧推力（将船头由静止到开始运动的力）。

在造船设计中，这个船首侧推时由静到动的力有一张选用图，图中的点是实际建造船时选用的点，图中的每一根短线是动力机械制造厂供应的一种机型，对应一定的推力。

这样便知道了当力增大到多大时船头开始转动。

[10]图5 拨动船头需要的力6 防撞装置的动载有限元分析有了钢丝绳复合吸能防撞圈的受力和吸能特性等原始资料，则钢围使防撞圈同期作用、钢围在撞击初期给船头一个侧向力拨开船头、撞击过程的力和功等，都可以用动载有限元分析方法进行模拟计算。

本文采用LS-DYNA3D进行数值分析，它是一个有着通用性和广泛用途的国际著名的非线性结构动力响应分析有限元程序，采用高效的显式时间积分技术，能模拟多种材料和几何的高度非线性问题，尤其在模拟瞬间事件，如高低速碰撞等方面获得广泛使用。

以50000t散货船撞桥墩为例，桥墩防撞装置的计算模型为每距1m 设置1个防撞圈，共设置700个，划分为20775个节点，20986个单元，如图6所示。

其作用力方向与长轴平行，着力点在斜边上。

图6 桥墩防撞装置的有限元模型防撞圈外的钢围设计得足够强，在将船头滑开的同时，将船撞上来的力及时分布到各个防撞圈，设计多个不同强度和刚度的外钢围，用动载有限元分析的方法，逐个计算出它们的应力分布图，从中选择外钢围。

不出现破坏、不出现扭曲变形（允许局部达到屈服点），即认为设计得足够强。

这样，用动载有限元分析方法对同期性计算的结果如图7所示，撞后0.3秒有400个圈已受力，1.7秒时700个圈已同时受力。

图7 受力的防撞圈个数与撞击时间的关系根据上述原理设计出的桥墩防撞装置如图8所示。

桥墩的外面有一层内钢围，内钢围和外钢围之间的是钢丝绳复合吸能防撞圈，如果有多层钢丝绳复合吸能防撞圈则层间还需要设置钢围，以分布撞击力，实现受力的同期性。

建议桥墩外形设计成尖形，图中加尖的钢架便没有了。

为了不增加桥墩的负担、也为了适应水位的涨落，防撞装置可以放在趸船（浮筏）上，外钢围和钢丝绳复合吸能防撞圈在趸船上滑动，防撞装置和趸船都有滑动和防腐蚀措施。

图8 桥墩柔性防撞装置图计算条件和结果本文用显式方法求解碰撞运动方程。

显式积分是条件稳定的，采用显式求解方法特别是在求解大型结构的短时强非线性问题时，显式方法具有明显的优越性，LS-DYNA3D是采用显式求解方法。

前后处理是由美国ETA公司的FEMB软件完成的。

有限元模型包括桥墩、桥墩防撞装置以及载重量为50000吨级的散货船。

桥墩防撞装置是完全按照实际几何尺寸（取自实际工程图）建立的全尺寸模型。

船用钢材的性能对应变率是高度敏感的。

其屈服应力和拉伸极限强度随应变率的增加而增加，所以在材料模型中我们引入了应变率敏感性的影响。

本次计算中采用Cowper-Symonds模型，D和q是材料常数，在这里我们取D=40.4，q=5。

桥墩防撞装置是由数百个钢绳防撞器和钢围子组成，钢绳防撞器的材料模型是按照实验曲线拟合得到的考虑粘性效应的非线性弹簧。

桥墩的材料模型按混凝土模型来计算。

计算过程中的初始条件和边界条件为：船以4m/s的速度正面撞向防撞装置。

桥墩下端固定。

货船的质量按满载排水量62500吨，并考虑10%的附带水质量。

在船与防撞装置之间以及防撞装置与桥墩之间定义了面对面的接触，另外,在碰撞过程中，考虑到其它构件也会发生接触，所以在可能发生接触的构件之间也定义了不同的接触。

选取几个代表性时刻的防撞圈变形状况图中的一个如图9所示。

先是撞击区的防撞圈承受较大的力，随后通过钢围子的变形使其他区域的防撞圈（弹簧）依次受力。

同期作用时间显然既与防撞圈的力学特性有关，也与钢围子的力学特性有关。

(e) t=2333 ms图9 撞击力峰值时防撞装置变形简图动载有限元分析得到力的时程曲线如图10右显示，在1.25秒之前，力足以拨动船头，但不急剧上升，1.25秒后上升，2.3秒时达到最大值。

这时的防撞装置变形如图9所示，虽然变形很大但并未破坏。

图10左是一张对比图[5]，它的浮式防撞装置是用钢板变形吸能的，可以看出，除了没有初撞时的后退段（位移很大，力上升很少）之外，初撞时力上升很快刚性较大。

图10 动载有限元分析得到的力与时间曲线7讨论：长江第一桥已建成45年，被撞70余次，只有一次受损最大——在没有防撞装置的情况下，5号墩撞出水泥沟深150mm。