陳國虞

（上海船舶運輸科學(xué)研究所，上海 200135）

0 引 言

本文以5萬～10萬噸級船舶乘潮（吃水14～15m）可到達的航區(qū)（如長江下游航道、珠江口伶仃洋航道、虎門航道、湛江港航道、象山港航道及一些沿海港灣和島嶼航道）為例，對橋梁防船撞方法和設(shè)施進行研究。

橋梁防船撞設(shè)施可分為主動防撞設(shè)施和被動防撞設(shè)施2類[1]。

1) 主動防撞設(shè)施又稱不接觸式設(shè)施，是指在船有可能撞上時即發(fā)出信號加以引導(dǎo)，以防止船撞上橋墩的措施[2]，例如：紅白相間標(biāo)志和橋梁下弦標(biāo)高警示[1]；霧天黃燈；雷達；遠紅外監(jiān)視；高頻、甚高頻電話聲訊提醒；激光（或紅外）測距聲光報警；船舶交通管理系統(tǒng)（Vessel Traffic Services, VTS）和衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)等。

2) 被動防撞設(shè)施又稱接觸式設(shè)施，可分為間接構(gòu)造和直接構(gòu)造2類，其中：間接構(gòu)造是指船撞力不傳到橋墩的設(shè)施[4]；直接構(gòu)造是指船撞力傳到橋墩的設(shè)施。直接構(gòu)造的力學(xué)原理相對更巧妙，通過消減船撞力來抵受船舶的撞擊，能在保護橋梁的同時保護船舶和周圍的環(huán)境，節(jié)省投資；其局限性是船舶折減后的撞力仍需由橋墩抵受。間接構(gòu)造需將船撞力全部在橋墩外承受，因而其設(shè)施費用往往比橋墩還貴，其中一些設(shè)施會破壞水域環(huán)境，一般僅在對自然的改變較少時才使用（如香港汀九橋）。

回顧近30年來防御船舶撞擊橋梁設(shè)施的發(fā)展可分3個階段：

1) 20世紀七八十年代以前，船舶較小，速度較慢，主要采用直接式防撞裝置，如木護舷、橡膠護舷和鋼格子結(jié)構(gòu)護舷等。對于萬噸級以上的船舶而言，其撞擊力達100MPa（萬噸力）以上，會撞散、撞癟橋墩，且船頭損傷過大會導(dǎo)致船舶泄漏或沉船。

2) 通常對通航大船的橋梁采用船與墩不接觸的間接防撞裝置，例如人工島。但是，這種阻攔式的間接防撞裝置有一定的局限性，在橋墩處水深太深和航道不夠?qū)挄r就不能用，不僅工程量較大，而且受影響的水道環(huán)境幾乎無法恢復(fù)。

3) 我國的水運、力學(xué)和造船等專業(yè)的人員合作研究出“有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防船撞裝置”[5-6]。該裝置基于沖擊動力學(xué)原理，采用具有“低波阻抗”（柔性）的防撞圈群支撐外鋼圍，可使傳到橋墩的撞擊力降至船撞力的 50%（即可成倍地提升原有橋墩的抗撞能力）。這種直接式橋梁防船撞裝置在一些橋梁上得到應(yīng)用。2002年，中鐵大橋局設(shè)計院在湛江海灣大橋采用這種“有外鋼圍-鋼絲繩防撞圈”的柔性防撞裝置，縮短了工期，節(jié)省了大量投資。隨后在象山港大橋等多座橋梁上也得到應(yīng)用。

1 20世紀用來防御小船的直接式防撞裝置

小型木護舷主要是將方木或圓木安裝在橋墩周圍。木材資源豐富的國家常采用多層方木構(gòu)成大型木護舷[7]。

在變形和斷裂過程中能消耗、吸收大量能量的結(jié)構(gòu)材料首推鋼材。為應(yīng)對500～5000t船舶的撞擊，研發(fā)了鋼格子結(jié)構(gòu)變形吸能防撞裝置。例如：日本在 1983年研發(fā)了鋼格子吸能式橋墩防船撞結(jié)構(gòu)（又稱多腔室緩沖結(jié)構(gòu)）[16]，并開發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)大變形計算程序，以此計算方法設(shè)計了本州附近的備贊-瀨戶橋，該“鋼結(jié)構(gòu)吸能碰墊可承受500t（注冊總噸GRT）的漁船以8kn速度撞擊，沖擊能約為10168.5J”；上海船舶運輸科學(xué)研究所于20世紀90年代在湖北黃石長江大橋建成了同類防撞裝置（見圖1），該防撞裝置能吸收船舶1/3的動能，減輕船頭的破壞，將傳到橋墩的船撞力從32.0MN減小到23.2MN，小于橋墩的最大承受力（27MN）[8]。

圖1 湖北黃石長江大橋變形吸能防撞裝置

圖1所示防撞裝置是我國第一座采用數(shù)值計算方法設(shè)計造的鋼結(jié)構(gòu)壓毀變形耗能防撞裝置（計算時分為500個單元），能讀出碰撞過程中每一瞬間的力和變形。該防撞裝置長30.44m，寬21.70m，高4.00m，吃水約2m，自重約350t，建造價格為450萬元，建成之后于1998年9月8日經(jīng)受一次空載駁船隊的撞擊，7艘空駁船中有3艘嚴重受損，橋墩得到良好保護，撞后防撞裝置即拆分拖航至船廠修理。

此后，上海船舶運輸科學(xué)研究所于2004年初為蘇通長江大橋應(yīng)對5萬噸級船舶的撞擊設(shè)計了壓毀變形耗能方案（未實施）。防撞裝置總長145.35m，型寬60.70m，型深12.50m，結(jié)構(gòu)吃水8.20m，行船方向鋼結(jié)構(gòu)寬度16.00m，橋方委托施工方估計投資上億。

由這些案例可看出，鋼格子結(jié)構(gòu)吸能式橋墩防船撞裝置只有足夠大、足夠軟，才能達到吸能、減少船頭損壞、減小傳到橋墩的船撞力的目的[4-5]。表1為鋼格子結(jié)構(gòu)吸能式橋墩防船撞裝置設(shè)計案例（均經(jīng)過數(shù)值計算）。

表1 鋼格子結(jié)構(gòu)吸能式橋墩防船撞裝置設(shè)計案例

從表1中可看出，防撞裝置的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計各有不同。有的防撞裝置較軟，可減小傳到橋墩的力；有的防撞裝置很硬，吸能少，艏部破壞嚴重，船撞力增大，橋梁未得到保護[17-21]。通過分析上述案例可得出以下結(jié)論：

1) 防御500噸級至5000噸級船舶撞擊的直接式鋼格子結(jié)構(gòu)耗能防撞裝置國內(nèi)外都已建造；

2) 采用鋼格子結(jié)構(gòu)耗能式橋墩防船撞裝置，傳到橋墩的船撞力折減較少，若設(shè)計得不好，船撞力不但不折減，反而會增加[17]；

3) 防御5萬噸級船舶撞擊的直接式防撞裝置沒有建造，其中一個原因是太大、太貴。

由此，在20世紀后期，通航大船（5萬～10萬噸級）的橋梁沒有采用該方法。

2 通航大船的橋梁采用的間接式防撞裝置

20世紀后期，通航大船的橋梁采取的防撞措施為：加大通航寬度，把橋墩設(shè)置在航船行駛不到的地方（淺水區(qū)甚至岸上）；采用防撞墩群和人工島等間接式防撞裝置等。

2.1 設(shè)置墩外防撞墩

“墩外墩”的原理是：船在撞向橋墩時先撞到“橋墩外的防撞墩”（墩外墩），防撞墩吸收船舶的部分動能或全部動能。

設(shè)置墩外墩所需的自然條件是水深不深，墩的建造成本就不會太高，否則在墩外建設(shè)1個（或數(shù)個）水平抗力和寬度大于橋墩的墩外墩，成本會很高。

美國新陽光大橋（見圖2）凈高達到60m，凈寬達到364m，主塔為人工島，兩邊共設(shè)置36個防撞墩外墩，可防御87300t船空載時的撞擊[6]。

圖2 美國新陽光大橋

2.2 剛性人工島

人工島用砂石筑成，這種防撞設(shè)施對于保護橋墩來說是有效的，但對于保護船舶來說是無效的，船頭或船側(cè)碰撞之后通常會發(fā)生泄漏。因此，人工島對于其所在的港灣水域來說是比較危險的，一旦發(fā)生船撞事件，很容易造成水域污染。此外，在建造人工島時，拋石、吹沙等搬運海底物質(zhì)的工程會造成沖刷、回流、淤積和旋渦等問題。

20世紀80年代以來通航5萬噸級以上船舶的橋梁采用的防船撞措施舉例，見表2[14]。

表2 通航5萬噸級以上船舶的橋梁采用的防船撞措施

3 針對深水航道通航大船研發(fā)的直接式橋墩防船撞裝置

3.1 繼承與發(fā)展

1994年起針對深水航道通航大船研發(fā)的“有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防船撞裝置”[12]是一種黏滯性耗能直接式橋墩防船撞裝置，獲得了2項國家專利授權(quán)[10-11]。

在繼承方面：

1) 防撞裝置采用較小的迎撞角，結(jié)合福建泉州和浙江古橋的特點，將幾座橋的防撞裝置設(shè)計為75°迎撞角，可使橋墩受到的船撞力減小30%；

2) 在水位變化比較大的場合（例如有潮的河口、港灣和洪枯兩季水位差較大的內(nèi)河），選用浮式防撞裝置（外鋼圍和內(nèi)鋼圍都按駁船設(shè)計），其吃水線與來撞船舶的吃水線保持一致，可減少很多工程量。

在發(fā)展方面：

1) 鋼絲繩防撞圈由鋼絲繩緊密排列繞制而成，當(dāng)受徑向沖擊時，由于其具有中空的特性，初受力時抗力小、變形很大，便于撥開船頭。

2) 其“力-變形”曲線體現(xiàn)出黏滯性；精心布置的黏滯性防撞圈群延長了沖擊時間，并可消耗掉一小部分來撞船舶的動能。

3) 消耗的能量轉(zhuǎn)化成為熱能并不反饋給船舶，使得船頭反彈不大，船舶轉(zhuǎn)向之后向原來的航線繼續(xù)前進。

4) 由于撞擊系統(tǒng)的剛性大幅度降低，船撞力傳到橋墩時只有裸撞的 50%左右，即可使橋墩的防撞能力成倍提高。這可在實船試驗中用壓力傳感器測定。黏滯性防撞裝置數(shù)值模擬計算采用商用動態(tài)程序LS-Dyna3D，傳感器測定與數(shù)值模擬計算可相互校對，通過試驗驗證兩者的差別較小[15]。

3.2 工程示例

第一個“有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防船撞裝置”工程見圖 3，其關(guān)鍵原理為：滑開船頭，使船回到正確的航向上，動能保留在船上，船繼續(xù)前進。

圖3 第一個“有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防船撞裝置”工程

若要滑開船頭，關(guān)鍵要保證2點：即：受撞時外鋼圍不能產(chǎn)生局部凹陷卡住船頭；受撞時外鋼圍整體后退。因此，應(yīng)巧妙地設(shè)計外鋼圍的強度和剛性。外鋼圍設(shè)計過強會撞損船頭，過弱則不起作用，只有設(shè)計得適當(dāng)才能起到理想的效果。

外鋼圍是被中空的鋼絲繩防撞圈支撐著的，能保證外鋼圍受撞時“低載荷大變形”。船頭沿著外鋼圍滑動，撞擊角就小。防撞圈在撞擊開始時就起作用（稱為同期性），在不同位置有不同的受力和變形，按時程記錄下來，得到同期性設(shè)計計算結(jié)果見圖4。從圖4b)和圖4c)中可看出，在0.5s之后，取樣的12個防撞圈已充分起作用，4s以后力和變形均趨減小。

對于這些關(guān)鍵性的理論、設(shè)計和計算，可通過實船試驗進行驗證和校核。圖5為在浙江象山港白墩港專設(shè)橋墩上對有外鋼圍-防撞圈的柔性防撞裝置進行的實船試驗視頻截圖[15]?；_船頭，船繼續(xù)前進。船撞力數(shù)值模擬計算結(jié)果與實船試驗結(jié)果對比見表3[15]。

圖4 同期性設(shè)計計算結(jié)果

圖5 在浙江象山港的白墩港專設(shè)橋墩上進行的實船撞墩試驗視頻截圖

表3 船撞力數(shù)值計算結(jié)果與實船試驗結(jié)果對比

當(dāng)外鋼圍設(shè)計合理，船頭能沿著外鋼圍外表面滑動時，船的大部分動能會保留在船上，進而實現(xiàn)防撞裝置不被破壞、交換動能少和防撞裝置小。2種防撞裝置的能量交換曲線見圖 6。采用外鋼圍設(shè)計，使得防撞裝置變小，造價變低，實現(xiàn)了直接式防撞裝置在深水墩防御大船領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖6 2種防撞裝置的能量交換曲線

3.3 “有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防船撞裝置”的推廣[16-17]

2009年，通航5萬噸級船舶的浙江象山港大橋（見圖7）開始應(yīng)用“有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防船撞裝置”，共建成10個墩（包括2個主墩）的柔性防船撞裝置。

2017年，上海海洋鋼結(jié)構(gòu)研究所提出在通航10萬噸級船舶的主航道兩側(cè)的主墩塔使用“有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防撞裝置”，并與寧波大學(xué)一起向橋方提供了2個主橋墩的設(shè)計方案。

圖7 象山港大橋主墩裝上柔性防撞裝置

3.4 “有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防撞裝置”的優(yōu)點

由于船舶越來越大，“以鋼結(jié)構(gòu)變形、壓毀吸能的防撞裝置”越來越大，傳到橋墩的撞擊力越來越大。間接式防撞裝置在深水航道不能用，“有鋼絲繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防撞裝置”有以下3個特點：

1) 根據(jù)支撐外鋼圍的黏滯性復(fù)合鋼絲繩防撞圈較軟的性能和外鋼圍的剛性性能，使外鋼圍受撞之后能整體后退，便于船頭沿著外鋼圍的表面滑動；

2) 通過黏滯性復(fù)合鋼絲繩防撞圈使系統(tǒng)具有較低的波阻抗（柔性），達到延時撞擊和減小傳到橋墩的撞擊力的目的；

3) 外鋼圍的整體剛性除了便于船頭滑動之外，還能使受到的集中力變?yōu)榉稚⒘?，該力在傳到橋墩時，橋墩能承受。

4 結(jié) 語

湛江海灣大橋防御5萬噸級船撞擊橋墩的裝置經(jīng)相關(guān)鑒定委員會鑒定，被認定為世界首創(chuàng)[25]。該課題成果達到了國際領(lǐng)先水平，是近年來國內(nèi)橋梁工程領(lǐng)域取得的國際領(lǐng)先科技成果之一?！坝袖摻z繩防撞圈支撐外鋼圍的柔性防撞裝置”與“鋼結(jié)構(gòu)變形、損壞、吸收、消耗能量的防撞裝置”相比，前者的造價為后者的1/2。前者首個防撞裝置實用后經(jīng)歷4次全面檢查，防撞圈無需更換，鋼結(jié)構(gòu)狀況良好。