桥墩防撞设施研究及其应用综述

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α 收稿日期: 1996—08—05
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面板的变形所吸收能量为 206. 33 kJ。此外, 还可以从缓冲工事的吸收能量推算出冲撞速 度, 船舶的对地速度为1. 17 kn, 对水速度为 1. 88 kn。 (未完, 待续)
图 2 各种缓冲材料的变形量和其反力的关系
较大。因而相同规模的缓冲材料, 在变形量一 定时槽型与弓型对能量的吸收差别很大。 在 这些缓冲材料中, 目前使用的最大容量由表 3 所示。 与圆型、弓型相比, 槽型和空气型的
表 3 各种缓冲材料的尺寸和特性
型 式
尺 寸
圆 型 外径 1. 5m ×内径 0. 75m
多孔构造是通过板的抗压变形吸收能 量。其优点是即使冲撞方向变化, 其能量吸收 性能也不会发生大的变化。 缺点是制作时间 长, 因其为薄板构造, 易被腐蚀。 对于这种构 造, 刚体船首的侵入量和反力的关系, 如图 7 所示。根据图 7 中的反力曲线形状可知, 在薄 板格栅中填塞的硬质聚胺酯模板复合材料与 其他曲线差别很大。冲撞船舶多种多样, 船首 的强度也各不相同, 因此, 研究制造出使变形 量和反力的关系成直线变化的复合材料, 才 更适合于这种缓冲工事。
【关键词】 桥墩 防撞 设施 综述
1 前言
随着交通建设的蓬勃兴起, 船舶对桥梁 的冲撞事故也会不断增加。 作为此类事故的 防止对策: 第一, 要确保有足够的航道, 严格 执行和运用航道法及航行辅助设施, 以避免 船舶靠近桥梁的危险区域。第二, 在桥梁危险 区域设置防护设施, 使冲撞损伤减小到最低 限度。本文仅就第二个防止对策, 综合评述国 内外几种船舶冲撞防护设施的方式、分类和 实例。
锚板应力分析选用AN SYS 工程分析系 统中的三维等参应力实体, 推荐单元形式为 8 节点六面体单元, 过渡单元可采用三棱柱 单元和四面体单元。根据锚板形状, 划分单元 时内密外疏。 底部单元划分还要考虑支承宽 度, 并尽可能用较少的单元数, 以节省运行时 间。 3. 3 计算条件及假定
根据该锚板设计和使用特点, 确定以下
图 3 绳索方式防撞设施
于吸收大型船舶冲撞所产生的大冲撞能量不 理想, 作为小型船舶冲撞的防护设施或者安 装在大规模防撞设施周围作为第 1 次能量吸 收的效果较好。 3. 1. 2 实例
(1) 缓冲材料方式 ① 濑户大桥 (日本) 1981 年 9 月至 1983 年 5 月期间作为试 验在濑户大桥 5# 桥墩周围设置了橡胶制空 气式缓冲材料和钢制缓冲材料, 如图 4 所示。 空气式缓冲材料是 6 个直径为 4. 5 m、长 12. 0 m 和 6 个直径为 4. 5 m、长 9. 0 m 的缓 冲件。 缓冲件之间在其断面中心处用链条连 接, 各缓冲件安装有不绕轴旋转的垂重链 (< 32 mm , 4 链)。 试验结果为: 各缓冲件内压下降 0. 004 ~ 0. 017 M Pa, 其他连接钩环、系泊用链、垂 直用链均有不同程度的腐蚀。 ② 岩黑岛桥 (日本) 岩黑岛桥 2# 桥墩的角部设计装置了槽 型缓冲材料防撞设施, 如图 5 所示。这种防撞 设施能吸收的最大冲撞规模为 200 t 的船, 航速为 2. 8 kn, 100 t 的船, 航速为 3. 4 kn。 (2) 绳索方式 ① 柜石岛桥 (日本) 该桥与岩黑岛桥 2# 桥墩相同, 在桥 2#
2 各种防护设施的分类和评价
按冲撞能量吸收方式和设置场所的不 同, 各种防撞设施的分类如下: 2. 1 按船舶冲撞能量吸收方法分类
弹性变形型 —— 因弹性变形吸收冲撞能 量。
抗压变形型—— 因压缩压屈、弯曲破坏 等来吸收冲撞能量。
变位型 —— 利用重力或浮力产生的还原 力吸收冲撞能量。 2. 2 按设置场所分类
(b) 缓冲效率和变形率的关系
图 8 空心管构造缓冲效果
3. 2. 2 实例
图 10 濑户大桥 5# 桥墩钢制缓冲工事
该缓冲工事于 1981 年 10 月 12 日尚在建设时, 为了 加固 5# 桥墩, 一艘运土船, 碰撞了该墩西南向的钢制缓 冲工事的角部。 当时, 水流与船的前进方向相反, 流速为 1 kn。这次事故使该缓冲工事发生了宽约 3 m , 高约 3 m , 凹入约为 30 cm 的变形, 运土船未被破坏。冲撞的运土船
重为 502 t, 长×宽为 42. 5m ×11 m , 体积为 600 m 3, 顶推船为 115 t, 长×宽为 23. 73 m × 7 m , 功率为 330 kW ×2。可以从缓冲工事的 变形量推算出其吸收能量为 284. 3 kJ , 因复 合材料的压坏所吸收能量为 77. 96 kJ , 因侧
弓 型 深度 1 m ×宽 0. 655 m
槽 型 深度 3 m ×直径 3 m
空气型 长度 9m ×直径 4. 5 m
反力 kN 吸收能量
460 245 kN ·m
550 245 kN ·m
5000~ 6000
4 903 kN ·m
3860 2 608 kN ·m
容量大得多。 这些缓冲材料在船舶靠岸发生 冲撞时, 防撞能力较好。 但是, 在船舶具有相 当速度而发生冲撞时, 仅用这种方式不太理 想。 不过, 在许多大规模防撞设施的周围, 很 多仍使用各种缓冲材料以缓和小型船舶冲撞
1996 年 12 月 第 21 卷
中 南 公 路 工 程 第 4 期 (总第 79 期)
桥墩防撞设施研究及其应用综述
曾 克 俭α
(湖南省交通科技信息中心, 长沙市, 410007)
【摘 要】 综合评述和介绍了国内外桥墩防撞设施的研究和应用情况, 包 括各种防护设施的分类和评价, 各种防撞设施的现状和使用实例。
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1996 年 12 月 第 21 卷
中 南 公 路 工 程 第 4 期 (总第 79 期)
QM - 7 型锚板应力分析
张玉中 李瑞林 杜冬峡α
(河南省交通公路工程局, 郑州市, 450052)
【摘 要】 介绍了用 AN SYS 工程分析系统对预应力群锚体系中的 7 孔锚 板进行应力分析的基本过程, 对计算结果进行了较为详细的分析, 并提供了锚板 部分断面应力分布等值区域彩色照片。本次分析锚板型式虽然单一, 但作者认为 分析的结果及应力分布状态对同类型锚板具有普遍意义。
或者大型船舶的初期冲撞。 绳索方式是将钢丝绳在桥墩附近水面水
平地展铺, 当船舶冲撞时, 由钢丝绳的弹性变 形吸收冲撞能量。 如图 3 所示。 这种方式对
圆型 弓型 槽型 空气型 图 1 各种缓冲材料
的关系由图 2 所示。圆型的变形量大致与其 反力成正比例, 空气式的在变形初期反力相 对较小, 而槽型、弓型的在变形初期反力相对
3 锚板有限元的划分
3. 1 QM - 7 型锚板简介 QM - 7 型 锚 板 高 60 mm , 直 径 135
mm , 7 个锚孔大端直径为 28. 85 mm , 小端直 径 为 18. 8 mm , 设 计 周 边 支 承 宽 度 为 21 mm , 钢绞线单根设计张拉力为 175 kN 。锚板 材质为热处理 45 号钢, 极限抗拉强度 900 M Pa。 屈服极限强度 750 M Pa。 3. 2 单元划分原则
空心管构造是将各种形状空心管排列成 蜂窝状安装在桥墩周围。 图 8 示出了 4 种断 面形状不同的空心管的变形量和载荷的关 系。 其中, 六角形空心管的缓冲效率明显高
些。
图 7 刚体船首侵入量和反力的关系
①R ichm ond - San R afael 桥 (美国)
该桥在易撞桥墩周围设置的 缓冲工事为木制桁架构造, 如图 9 所示。 该工事涉及水面上下范 围为+ 4. 5m~ - 1. 5 m。
直接构造 —— 设施与桥墩相连安装。 间接构造 —— 距离桥墩安装。 根据以上分类, 各种方式的防撞设施如
表 1 所示。
表 1 各种防撞设施的分类
弹性变形型—缓冲材料方式、绳索方式

直接 构造
抗压变形型—缓冲工事方式

变位型—重力方式

弹性变形型—桩方式

间接 构造
抗压变形型—沉箱方式、人工岛方式
变位型—浮体系泊索方式
规模小
安装 维护管 容易 理容易
缓冲材料方式 ×
0
0
0
0
绳索方式 ×
0

0
0
缓冲工事方式 0
0
△ △×
重力方式 0
0
× ××
桩方式 ×


0

沉箱方式 0

△×0
人工岛方式 0
×
××0
浮体系泊索方式 0
×
△ △△
×—— 差 0 —— 好 △—— 一般
α 收稿日期: 1996—09—23
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3 各种防撞设施的现状
3. 1 直接构造弹性变形型 3. 1. 1 种类和特征
直接构造弹性变形型, 有缓冲材料方式 和绳索方式等。构件在弹性领域内变形, 不需 更换, 可利用船舶的系泊用材料等既成品。
缓冲材料方式是将圆型、弓型、槽型和空 气型等的护舷材料安装在桥墩周围。 如图 1 所示。 这些缓冲材料的变形量和其反力特性
【关键词】 AN SYS 程序 主应力 锚板 预应力锚固体系
1 前言
长期以来我国预应力锚固体系的研制和 开发主要建立在试验的基础上, 缺乏科学的 理论依据, 特别是群锚中的锚板, 系多孔块体 结构, 内部受力状况极为复杂, 手工难以计 算。作者借助于大型程序AN SYS 对QM - 7 型锚板进行了应力分析, 揭示了锚板内部的 应力分布状况, 为进一步改进和优化锚具设 计提供了理论依据。
这种形式的防撞设施有缓冲工事方式。 它是在缓冲工事构件的塑性变形范围内, 通 过其塑性变形吸收船舶的冲撞能量。 缓冲工 事的变形即破坏性要考虑弯曲变形和抗压变 形。 一般是利用前者的变形制作梁构造的缓 冲工事, 利用后者的变形制作成多孔构造、桁 架构造、空 心管构造的缓冲工事。
梁构造由于类似于安装在道路上的隔离 栏栅, 因此, 它比其他构造要简单和吸收能量 小; 并且随冲撞方向的不同其性能也会有较 大改变。 该形式的装置要求安装在距桥墩有 足够距离的地方, 在安装的同时要解决该装 置支撑点的构造等问题。
1961 年 8 月 5 日, 美国海军 一艘排水量为 1 450 t 的舰只由 于舵故障而冲撞该缓冲工事。 其 结果是, 受冲撞部分的缓冲工事 完全被破坏, 桥墩无损伤, 冲撞舰 只也损伤轻微。
图 9 木制桁架构造缓冲工事
② 濑户大桥 (日本)
该桥 5# 桥墩西面设置多孔构造钢制缓冲工事, 其他 面设置了空气式缓冲工事。 分布在南北两侧桥墩拐角部 分和其他部分。 它们的断面形状如图 10 所示。
2 程序的选择
锚板应力分析不同于一般结构, 这是由 于锚板本身的复杂形状所造成的, 其难点有 两个, 一个是单元划分, 一个是结果整理。 一 般程序要求结点和单元排序的连续性, 结果 整理是在单元和节点应力打印输出后由计算 者手工完成。 而 AN SYS 程序恰恰弥补了上 述不足, 从而成为本次计算选用程序。
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图 5 岩黑岛桥槽型防撞设施设计图
桥墩的墩角处装置了槽型缓冲材料, 其他处 在航道侧的 3 个边侧采用了绳索方式防撞设 施, 如图 6 所示, 大致以水面附近为中心上下 排列着 17 根钢丝绳 (< 20 mm )。 3. 2 直接构造抗压变形型 3. 2. 1 种类和特征
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图 6 柜石岛桥 2# 桥墩防撞设施设计图
防撞设施一般要求满足以下性能:
(1) 对船舶的冲撞能量有优良的吸收 性能;
(2) 防护设施的规模要尽可能小, 使之 对船舶航行水域的影响不大;
(3) 设施的制作、设置、施工、维护以及 管理既经济又简便。
各种防撞设施的特性如表 2 所示。
表 2 各种防撞设施的特征
防撞设施
Байду номын сангаас
能量吸 收性好
设 置 水域小
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