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 J

1 1 1 2000 1323 无钢围，单个直接冲击

2 2 2 2

3 10000※7705 有钢围，共同吸能，

3 1 1

4 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。