張錫祥，王智祥，巫祖烈，王家林，杜柏松

(重慶交通大學，重慶 400074)

一種新型FRP 橋墩防撞浮箱結構

張錫祥，王智祥，巫祖烈，王家林，杜柏松

(重慶交通大學，重慶 400074)

介紹了一種具有自定位功能的弱接觸連接構造和具有高消能效果的新型FRP橋墩防撞浮箱結構，它可適用于橋區(qū)水位變幅較大和墩的抗力遠低于其設防船撞力的橋墩防撞保護工程，可獲得“既不傷墩、又少傷船、還少結構自傷”的最佳防護效果，是實現(xiàn)橋墩“和諧防撞”與“長效防撞”的技術創(chuàng)新嘗試。

橋墩;防撞浮箱;纖維增強復合材料;外圍箱體結構;內襯柱殼薄壁構件

浮體式保護結構，是目前橋墩防撞應用得最多和最最好的防撞結構形式［1-2］。

以鋼浮箱為代表的浮體式保護結構，主要通過浮箱和船舶在撞擊區(qū)域共同產(chǎn)生的破壞性變形來吸收和耗散船舶的撞擊動能實現(xiàn)對橋墩的防撞保護［3-4］。

隨著工程實踐的深入，鋼浮箱暴露出如下2類重要缺陷:

1)鋼浮箱依靠自身和船舶“兩撞俱損”的破壞性變形來吸收船舶撞擊能量的防撞機理，存在“只注重保護橋墩，不注重保護船舶”及“以浮箱和船舶的損傷代價換取橋墩安全”的設計理念缺陷?，F(xiàn)有鋼浮箱能將船舶擊動能轉換為浮箱與船舶的變形能，是以二者的巨大撞擊損傷，有時甚至是毀滅性的撞擊損傷為代價換來的［5-6］。因此，這種防撞保護設計理念，既缺少“人性化保護”內涵，又難達到“船橋和諧防撞”的設計最高境界。

2)鋼浮箱較剛硬的結構形式及其與橋墩較剛硬的接觸連接方式，存在“浮箱自身的能量吸收和動量緩沖性能較差”及“浮箱與橋墩的連接方式不能弱化船撞力的傳遞”的結構構造缺陷。鋼浮箱因其剛度較大，受撞后的剛體位移也較大并較快，故對船撞力的衰減作用不大，易使橋墩受到硬性撞擊傷害，并使那些自身抗力較低的橋墩受到致命傷害。因此，這種防撞保護結構的結構構造，既難達到“強化消能、弱化傳力”的防撞保護效果，還使浮箱撞損后難以修復而不能對橋墩提供“長效防撞保護”。

橋梁工程師和設計、研究人員為改變鋼浮箱的上述缺陷進行了大量的理論和試驗研究，但都因鋼浮箱材料特性的先天缺陷及結構構造的傳統(tǒng)模式局限而收效甚微，致使鋼浮箱的工程應用受到一些制約和質疑［7-8］。為改變鋼浮箱的技術現(xiàn)狀和提升浮體式保護結構的技術水平，筆者從材料源頭和結構形式入手，研發(fā)出一種由纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)設計建造，結構既強又柔還完全彈性，與橋墩的接觸連接和傳力弱化，既能隨水位變化上下自由浮動、又能保持與橋墩的相對平面位置不變;不僅抗撞和消能功能比鋼浮箱更強、而且自身和船舶的撞損比鋼浮箱和對應船舶更小的新型橋墩防撞浮箱結構。為實現(xiàn)橋墩“和諧防撞”和“長效防撞”進行技術創(chuàng)新嘗試。

1 工程背景

FRP橋墩防撞浮箱新結構的設計研究，結合重慶菜園壩長江大橋和黃花園嘉陵江大橋的橋墩防撞工程進行。以圖1所示的菜園壩大橋為例，該橋船撞倒塌風險最高的主橋P15過渡墩和P16輔助墩的船撞倒塌頻率已大于美國《AASHTO》規(guī)范“重要橋梁的目標倒塌概率(即可接受風險)10-4”，并且橋墩自身的抗力比其設防船撞力低90%左右(表1)［9］。橋梁管養(yǎng)單位對此高度重視，面向全國發(fā)出橋墩防撞設計方案競標邀請，征求能有效解決該橋“弱墩抗強撞”技術難題的最優(yōu)設計方案。

圖1 菜園壩長江大橋立面布置(單位:cm)Fig.1 The elevation layout of Caiyuanba Yangtze River Bridge

因該橋位于城市中心，橋區(qū)水位變幅在30 m左右，出于環(huán)境景觀和通航要求，設計方案排除了浮體式保護結構以外的其它橋墩防撞結構形式;又因鋼浮箱通過消能降低的船撞力比例一般為30%左右［10-11］，較難勝任該橋“弱墩抗強撞”的技術要求，加之鋼浮箱存在“和諧防撞”和“長效防撞”的技術缺陷，促使筆者研發(fā)出新型FRP橋墩防撞浮箱結構參與設計競標并獲得第一名。專家評審意見認為，設計方案的創(chuàng)新性、實用性、經(jīng)濟型、消能效果及與環(huán)境協(xié)調等綜合最優(yōu)。

表1 菜園壩長江大橋P15、P16橋墩的防船撞擊設計參數(shù)Tab.1 The design parameters for the pier protection of Caiyuanba Yangtze River Bridge in the ship collision

2 FRP橋墩防撞浮箱的結構形式

2.1 FRP橋墩防撞浮箱的總體結構形式

FRP橋墩防撞浮箱的總體結構形式，為圍護在橋墩四周的FRP外圍箱體結構與附著于外圍箱體結構內表面上的一排FRP內襯八邊形柱殼薄壁構件組成的組合結構(圖2)。FRP外圍箱體結構，為浮箱的抗撞消能主體結構和浮力平衡結構;FRP內襯柱殼構件，為浮箱與橋墩的弱接觸連接支承結構和撞擊緩沖結構。

2.2 FRP橋墩防撞浮箱的細部結構形式

FRP外圍箱體結構，立面形式為上下端向內倒角的近似矩形截面，平面形式為帶有分水尖的近似回形截面。分水尖正對船舶正撞的上游或下游方向(即橫橋向)，用以卸掉船舶撞擊浮箱的部份附連水流質量和改變撞擊船舶的運動方向(圖2)。

圖2 FRP橋墩防撞浮箱的總體結構形式Fig.2 The FRP floating pontoon protection structure

FRP外圍箱體結構，在立面上分為頂艙、中艙和底艙結構。頂艙和中、底艙可沿立面拆分為2個獨立的結構，中、底艙為沿高度不可拆分開的整體結構(圖2)。

FRP外圍箱體結構，在平面上分為前箱、中箱和后箱結構。前、中、后箱通過3者組合面上的卡槽和卡榫實現(xiàn)浮箱的平面自鎖連接和拆分組裝(圖2)。

FRP外圍箱體結構的頂艙結構，為內帶橫隔板的閉口箱形結構。頂艙四周底板上設有都向橋墩方向傾斜的斜面，斜面上設有由上滾筒、下滾筒和中連桿組成的自平衡定位滾筒。定位滾筒的上滾筒可沿斜面上下滾動，由此帶動穿過頂艙內壁板的中連桿推動下滾筒與橋墩的立面接觸并沿橋墩立面上下滾動(圖3)。

圖3 FRP浮箱外圍箱體結構頂艙細部結構形式Fig.3 The top hold detail structure formation of the periphery box structure for the FRP floating pontoon

FRP外圍箱體結構的中艙結構，為不帶頂板和縱橫隔板的開口箱內布滿FRP八邊形柱殼薄壁構件和四邊形柱殼薄壁構件的結構形式。少量的FRP四邊形柱殼構件，安裝在中艙前、中、后箱的卡槽位置附近，大量的FRP八邊形柱殼構件，布滿在中艙結構的其余位置。FRP八邊形柱殼件和四邊形柱殼構件，高度與中艙結構的開口箱同高，上、下端開口，下端平置于中艙底板(即底艙頂板)上，各柱殼構件相互之間及其與箱壁之間完全密貼(圖4)。

FRP外圍箱體結構的底艙結構，為內帶縱橫隔板的閉口箱形結構。底艙結構的內外壁板與縱橫隔板將其分成若干個獨立的箱室，每個箱室的壁板和底板上設有與水流連通的圓孔。壁板卸流孔用來卸掉撞擊船舶攜帶的部份附連水流質量，底板進出水孔引水進入底艙各箱室壓重使底艙淹沒在水中。

FRP內襯八邊形柱殼薄壁構件，高度與FRP外圍箱體結構的中、底艙同高，上、下端開口，下端約2/5高度淹沒在水中。各內襯柱殼構件沿橋墩四周立面呈相互抵緊的一字式密貼排列，構件的背立面與中、底艙結構的內壁板迎墩面密貼，前立面與背立面和橋墩表面平行，并與橋墩間留有不小于自平衡定位滾筒的下滾筒直徑的平面距離(圖2)。

圖4 FRP浮箱外圍箱體結構中艙細部結構形式Fig.4 Detail structure view of the center tank of the periphery box structure for the FRP floating pontoon

FRP橋墩防撞浮箱新結構，為全FRP結構。各構件分別為碳纖維增強復合材料(CFRP)或玻璃纖維增強復合材料(GFRP)或芳綸纖維增強復合材料(AFRP)桿系構件或薄殼構件。各構件的材料選擇和截面尺寸，根據(jù)構件的抗撞受力要求和能量吸收、動量緩沖要求按復合材料力學理論分析計算和設計確定。

3 FRP橋墩防撞浮箱的連接方式

3.1 浮箱各構件的內部連接方式

浮箱外圍箱體結構的頂艙與中、底艙的立面連接，采用“戴帽式”的連接方式。通過將頂艙的“帽口”套戴在中、底艙上端的“頭部”，使頂艙與中、底艙連成立面整體結構。這種連接方式，可通過頂艙的“帽口”約束中、底艙內外箱壁的向背位移但不約束其向向位移，從而使中、底艙外箱壁受撞后能向內位移推壓箱內的多邊形柱殼構件產(chǎn)生擠壓變形和運動摩擦而消能，還有利于浮箱后期維修時揭開頂艙帽蓋更換中艙內部份撞壞的多邊形柱殼構件。

浮箱外圍箱體結構的前箱、中箱和后箱的平面連接，采用“自鎖式”的連接方式。通過將中箱沿其組合面上“上大下小、外窄內寬”的通長卡榫(燕尾榫)豎向插入前、后箱組合面上對應位置和對應形式的卡槽(燕尾槽)，使前、中、后箱自動鎖緊并連成平面整體結構，從而保證外圍箱體結構既可分箱預制和現(xiàn)場快速組裝及撞壞后拆分維修更換，又可使外圍箱體結構的前、中、后箱互為依托整體受力和變形，還可省去采用常規(guī)螺栓連接方式的施工麻煩與后期維修養(yǎng)護。

浮箱內襯柱殼構件與外圍箱體結構的連接，采用“卡口式”連接方式。通過將各內襯柱殼構件背面上的兩個卡口卡入外圍箱體結構中、底艙內壁板迎墩面上對應位置的卡榫，使內襯構件附著于外圍箱體結構上。這種連接方式，既使二者連接簡單且無硬性約束，又使外圍箱體結構受船撞擊時增加了柱殼構件的緩沖支承接觸連接，還使外圍箱體結構不因柱殼構件受撞產(chǎn)生的大變形和崩潰破壞而受到附加約束傷害。

3.2 浮箱與橋墩的連接方式

3.2.1 浮箱“平時”與橋墩的連接方式

浮箱平時(未受船撞擊時)與橋墩的連接方式，為浮箱與橋墩“既不脫離、又不壓實”的弱接觸連接方式和“浮箱既能隨水位變化上下自由浮動、又能保持與橋墩的相對平面位置不變”的自定位連接方式。

浮箱與橋墩的弱接觸連接方式，主要通過浮箱外圍箱體結構的自平衡定位滾筒和內襯柱殼構件與橋墩的接觸連接實現(xiàn)。首先，外圍箱體結構的自平衡定位滾筒，能保證其與橋墩四周時刻貼緊且不脫離的前提下，只傳遞滾筒的部份自重而不傳遞其它荷載給橋墩;其次，外圍箱體結構底艙的開孔箱室及內襯柱殼構件平衡水流壓力的水阻作用，可使內襯構件在水流作用與水流阻力平衡時不貼緊橋墩對其施壓，或在水流阻力小于水流作用下使迎水面一方或最多兩方的內襯構件減壓后貼上橋墩，但傳給橋墩的水流作用力經(jīng)其緩沖折減與水阻抵消已大幅降低，從而使橋墩不被壓實。

浮箱的自定位連接方式，也通過浮箱外圍箱體結構的自平衡定位滾筒和內襯柱殼構件配合實現(xiàn)。首先，自平衡定位滾筒的下滾筒與橋墩表面時刻貼緊并沿橋墩表面上下滾動的運動方式，有助于浮箱隨水位變化的上下浮動就位;浮箱內襯柱殼構件與橋墩不接觸或雖接觸但不壓實的接觸方式，可使二者接觸面上的摩擦力小于浮箱的重力和浮力，保證浮箱的內襯構件對浮箱上下浮動的立面就位不構成干擾與阻礙。其次，利用頂艙四周的自平衡定位滾筒都與橋墩表面貼緊的周向約束作用和極端情況增加的內襯柱殼構件對橋墩一側或相鄰兩側表面貼上的空間約束作用，使浮箱受涌浪作用不易偏轉與晃動或少量偏轉、晃動后容易回位，從而使浮箱在不受船撞擊時與橋墩保持“立面位置自動就位和平面位置相對不變”的自定位連接方式。

3.2.2 浮箱“撞時”與橋墩的連接方式

浮箱“撞時”(受船舶撞擊時)與橋墩的連接方式，為保持浮箱通過外圍箱體結構的自平衡定位滾筒與橋墩的弱接觸連接方式繼續(xù)有效的基礎上，增加浮箱內襯構件對橋墩進行撞擊緩沖與作用面積擴散的弱接觸支承連接方式。浮箱受船撞擊向橋墩方向運動和位移時，帶動浮箱外圍箱體結構受撞一側的頂艙中的斜面也向橋墩方向運動和位移，迫使該斜面上的定位滾筒相對于斜面向上運動，使得定位滾筒在整個船撞運動過程中與橋墩的相對平面位置和接觸方式始終保持不變，從而保證浮箱在受船撞擊全程仍不通過定位滾筒傳遞船撞力給橋墩。當浮箱的內襯柱殼構件與橋墩撞擊接觸時，柱殼構件的高強度和低剛度迫使其壓壞前產(chǎn)生大變形以吸收船舶撞擊能量，加上內襯柱殼構件與橋墩的大面積支承接觸，使橋墩直接承受的船撞作用經(jīng)外圍箱體結構消能后再經(jīng)內襯構件的弱化傳力作用得以進一步削弱。

4 FRP橋墩防撞浮箱的消能模式

4.1 浮箱外圍箱體結構的變形消能、摩擦消能和潰散消能

浮箱外圍箱體結構的消能，主要通過外圍箱體結構中艙內的八邊形和四邊形柱殼薄壁構件相互之間及其與箱壁之間“平時既不受力、也不傳力”、“撞時相互擠壓、相互運動”的特殊結構行為實現(xiàn)。當船舶以任一角度撞擊到浮箱外圍箱體結構任一部位時，受撞部位的外圍箱體結構的中、底艙外箱壁借助其高強度、低剛度保證其不被撞壞的前提下產(chǎn)生向內位移的大變形，從而擠壓中艙箱內的八邊形柱殼構件和四邊形柱殼構件，迫使箱內每個柱殼構件都產(chǎn)生不同程度的相互擠壓變形和相互運動摩擦，并使撞擊區(qū)域的部份柱殼構件在大能量撞擊時可能破壞，從而使這些柱殼構件為外圍箱體結構提供變形較大的變形能和作功時間較長的摩擦能及能耗最高的潰散能;外圍箱體結構同時借助FRP材料完全彈性和低應變速率的優(yōu)異性能，通過緩慢地釋放變形能反推船舶作功形成浮箱阻力功，以進一步消耗船舶的撞擊動能和進一步增加浮箱總的撞擊作功時間，使浮箱外圍箱體結構通過正向作功吸能和反向作功耗能這兩種消能模式可消耗船舶撞擊動能的70%左右。

4.2 浮箱內襯柱殼構件的變形消能和潰散消能

浮箱內襯八邊形柱殼薄壁構件比外圍箱體結構內的柱殼構件剛度更低和約束更弱的結構特性，使內襯柱殼構件隨浮箱外圍箱體結構位移撞擊到橋墩時，可產(chǎn)生比箱內柱殼構件更大的擠壓變形，也允許受撞的內襯柱殼構件部份壓壞，從而使受撞的內襯柱殼構件能通過其更大的變形消能和潰散消能來吸收浮箱外圍箱體結構消能后剩余的部份撞擊動能，并同時將剩余的船撞力經(jīng)變形緩沖和支承面積擴散后再傳給橋墩，使橋墩直接承受的船撞力可進一步降低至其可承受的水平。

4.3 浮箱內外水流的阻力消能

浮箱外圍箱體結構的底艙獨立開孔箱室構造、卸流孔構造及內襯柱殼構件的上下端開口構造，使浮箱受船撞擊向橋墩方向運動時，一可利用卸流孔卸掉船舶攜帶的部份附連水流質量，并利用這部分水流沖擊外圍箱體結構的底艙底板增大箱體向下的運動作功而抵消其向橋墩運動的部份水平運動作功;二可利用底艙各箱室和內襯構件自身不規(guī)則變形對水流的阻力和其內水流對運動水流的阻力，從而為浮箱提供抵抗船舶撞擊作功的水流阻力功，以此再消耗船舶的部份撞擊動能和延緩浮箱撞擊到橋墩的作功時間，使其能與浮箱一道在受船撞擊的第一時間參與能量吸收和動量緩沖，并能在幾乎不增加浮箱結構成本的前提下利用水流獲得額外的附加消能效果。

5 FRP橋墩防撞浮箱的防撞保護效果

5.1 “和諧防撞”保護效果

FRP橋墩防撞浮箱結構，依據(jù)“強化消能、弱化傳力”及“增大人性化保護效果，實現(xiàn)船橋和諧防撞”的全新設計理念，設計、創(chuàng)造的“具有自定位功能和弱接觸連接構造及高消能效果”的全新結構形式、連接方式和消能模式:①可使經(jīng)浮箱能量吸收和動量緩沖傳給橋墩實際承受的船撞力小于橋墩自身抗力，首先保證橋墩不被撞傷和全橋受力安全;②可使經(jīng)浮箱柔性抗撞和彈性反推反作用于船舶的撞擊力小于船舶的破壞荷載，同時保證船舶不被撞壞或減小船舶和船上人員的撞擊傷害;③可借助浮箱高強度、低剛度、完全彈性的材料和結構優(yōu)勢減小自身的撞擊損傷并使箱壁主承力結構不撞壞，保證浮箱在船撞全程都不退出工作，從而使浮箱獲得“既不傷墩、又少傷船、還少結構自傷”的結構功能最大化的防撞保護效果，達到“船橋和諧防撞”的設計最高境界。

5.2 “長效防撞”保護效果

FRP橋墩防撞浮箱結構，在設防船撞力作用下外圍箱體結構的箱壁不會破壞，箱內多邊形柱殼構件和內襯柱殼構件允許破壞，從而使浮箱“在大能量撞擊后可修復繼續(xù)使用”，并且修復因只更換部份次要構件而比鋼浮箱的破壞性變形修復簡單、快捷和節(jié)省，加上FRP浮箱結構能在-30～70℃溫度范圍內正常工作結構性能不退化，能耐酸、堿、鹽介質腐蝕而減少后期養(yǎng)護，能抗水流、砂石沖刷不褪色和不附著青苔等菌類滋生物，結構材料的自然老化壽命不低于40年，故FRP防撞浮箱通過更換部份次要構件可實現(xiàn)對橋墩的“長效防撞保護”，獲得“安全保護最好、使用壽命最長、維修養(yǎng)護最省”的結構效益最大化的防撞保護效果。

6 工程算例

以重慶菜園壩長江大橋P15橋墩的防撞工程為例，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱的結構構造如圖2～圖4。方案設計的初步計算，只取FRP防撞浮箱的外圍箱體結構的中艙前箱和附著于前箱上的內襯八邊形柱殼薄壁構件進行防護3 000 t載重船舶以3.9 m/s的撞擊速度橫橋向正撞的簡化計算。計算采用ABAQUS有限元軟件完成，結構的有限元計算模型如圖5。不考慮中艙內多邊形柱殼構件摩擦消能和浮箱水流阻力消能的消能貢獻，僅中艙前箱結構和附著于其上的內襯八邊形柱殼構件降低的船撞力就高達65%左右，對應的船撞力作功距離約5.0 m，作功時間約2.0 s，撞擊結束后船舶離橋墩的安全距離約1.3 m。FRP防撞浮箱船撞作用區(qū)域附近的中艙外壁板和八邊形柱殼構件變形較大，且有部分柱殼構件破壞，在離撞擊區(qū)域較遠的其它部位，中艙外壁板和多邊形柱殼構件變形較小，也未發(fā)生破壞(圖6)。

P15橋墩要求FRP防撞浮箱抗撞消能后降低的船撞力比例約90%，其差額部分由浮箱外圍箱體結構中艙內多邊形柱殼構件的摩擦消能和底艙獨立箱室、內襯柱殼構件提供的水流阻力消能共同承擔，將在后續(xù)的施工圖設計優(yōu)化和更精確的結構計算中解決。

7 結論

1)FRP橋墩防撞浮箱結構依靠其全新的結構形式、連接方式和消能模式，使其具有“自定位、弱接觸、高消能”結構功能，不僅抗撞擊破壞的能力比鋼浮箱強，而且通過能量吸收和動量緩沖降低船撞力的比例也比鋼浮箱提高1倍以上，故能比鋼浮箱更好地對橋墩提供防撞安全保護。

2)FRP橋墩防撞浮箱結構，具有“和諧防撞”與“長效防撞”的技術、經(jīng)濟優(yōu)勢，是橋墩防撞工程的技術創(chuàng)新和技術進步，經(jīng)進一步研究完善推廣工程應用，將有助于橋梁防災減災技術實力的提升和橋梁、水運建設的和諧發(fā)展。

3)FRP橋墩防撞浮箱結構，反映浮箱外圍箱體結構內多邊形柱殼構件擠壓變形、摩擦運動、崩潰破壞及浮箱-水流耦合作用的結構分析和計算也是一項全新的理論研究課題，具有較高的難度。通過這些理論問題的研究解決，將推動橋墩防撞工程設計邁向“科學”、“經(jīng)濟”、“和諧”的更高水平。

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A Late－model FRP Floating Pontoon Protection Structure for Bridge Piers in the Ship Collision

ZHANG Xi-xiang，WANG Zhi-xiang，WU Zu-lie，WANG Jia-lin，DU Bai-song
(Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

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“l(fā)ong-term protection”for the pier in the ship collision.

bridge pier;protection floating pontoon in ship collision;FRP;periphery box structure;cylindrical thin-shell lining component

U443.26

A

1674-0696(2011)03-0388-06

2011-03-16;

2011-04-06

張錫祥(1954-)，男，四川大竹人，高級工程師，主要從事復合材料橋梁結構的設計和研究。E-mail:cqjdzxx@163.com。