一种新型FRP 桥墩防撞浮箱结构

张锡祥，王智祥，巫祖烈，王家林，杜柏松

(重庆交通大学，重庆 400074)

一种新型FRP 桥墩防撞浮箱结构

张锡祥，王智祥，巫祖烈，王家林，杜柏松

(重庆交通大学，重庆 400074)

介绍了一种具有自定位功能的弱接触连接构造和具有高消能效果的新型FRP桥墩防撞浮箱结构，它可适用于桥区水位变幅较大和墩的抗力远低于其设防船撞力的桥墩防撞保护工程，可获得“既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤”的最佳防护效果，是实现桥墩“和谐防撞”与“长效防撞”的技术创新尝试。

桥墩;防撞浮箱;纤维增强复合材料;外围箱体结构;内衬柱壳薄壁构件

浮体式保护结构，是目前桥墩防撞应用得最多和最最好的防撞结构形式［1-2］。

以钢浮箱为代表的浮体式保护结构，主要通过浮箱和船舶在撞击区域共同产生的破坏性变形来吸收和耗散船舶的撞击动能实现对桥墩的防撞保护［3-4］。

随着工程实践的深入，钢浮箱暴露出如下2类重要缺陷:

1)钢浮箱依靠自身和船舶“两撞俱损”的破坏性变形来吸收船舶撞击能量的防撞机理，存在“只注重保护桥墩，不注重保护船舶”及“以浮箱和船舶的损伤代价换取桥墩安全”的设计理念缺陷。现有钢浮箱能将船舶击动能转换为浮箱与船舶的变形能，是以二者的巨大撞击损伤，有时甚至是毁灭性的撞击损伤为代价换来的［5-6］。因此，这种防撞保护设计理念，既缺少“人性化保护”内涵，又难达到“船桥和谐防撞”的设计最高境界。

2)钢浮箱较刚硬的结构形式及其与桥墩较刚硬的接触连接方式，存在“浮箱自身的能量吸收和动量缓冲性能较差”及“浮箱与桥墩的连接方式不能弱化船撞力的传递”的结构构造缺陷。钢浮箱因其刚度较大，受撞后的刚体位移也较大并较快，故对船撞力的衰减作用不大，易使桥墩受到硬性撞击伤害，并使那些自身抗力较低的桥墩受到致命伤害。因此，这种防撞保护结构的结构构造，既难达到“强化消能、弱化传力”的防撞保护效果，还使浮箱撞损后难以修复而不能对桥墩提供“长效防撞保护”。

桥梁工程师和设计、研究人员为改变钢浮箱的上述缺陷进行了大量的理论和试验研究，但都因钢浮箱材料特性的先天缺陷及结构构造的传统模式局限而收效甚微，致使钢浮箱的工程应用受到一些制约和质疑［7-8］。为改变钢浮箱的技术现状和提升浮体式保护结构的技术水平，笔者从材料源头和结构形式入手，研发出一种由纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)设计建造，结构既强又柔还完全弹性，与桥墩的接触连接和传力弱化，既能随水位变化上下自由浮动、又能保持与桥墩的相对平面位置不变;不仅抗撞和消能功能比钢浮箱更强、而且自身和船舶的撞损比钢浮箱和对应船舶更小的新型桥墩防撞浮箱结构。为实现桥墩“和谐防撞”和“长效防撞”进行技术创新尝试。

1 工程背景

FRP桥墩防撞浮箱新结构的设计研究，结合重庆菜园坝长江大桥和黄花园嘉陵江大桥的桥墩防撞工程进行。以图1所示的菜园坝大桥为例，该桥船撞倒塌风险最高的主桥P15过渡墩和P16辅助墩的船撞倒塌频率已大于美国《AASHTO》规范“重要桥梁的目标倒塌概率(即可接受风险)10-4”，并且桥墩自身的抗力比其设防船撞力低90%左右(表1)［9］。桥梁管养单位对此高度重视，面向全国发出桥墩防撞设计方案竞标邀请，征求能有效解决该桥“弱墩抗强撞”技术难题的最优设计方案。

图1 菜园坝长江大桥立面布置(单位:cm)Fig.1 The elevation layout of Caiyuanba Yangtze River Bridge

因该桥位于城市中心，桥区水位变幅在30 m左右，出于环境景观和通航要求，设计方案排除了浮体式保护结构以外的其它桥墩防撞结构形式;又因钢浮箱通过消能降低的船撞力比例一般为30%左右［10-11］，较难胜任该桥“弱墩抗强撞”的技术要求，加之钢浮箱存在“和谐防撞”和“长效防撞”的技术缺陷，促使笔者研发出新型FRP桥墩防撞浮箱结构参与设计竞标并获得第一名。专家评审意见认为，设计方案的创新性、实用性、经济型、消能效果及与环境协调等综合最优。

表1 菜园坝长江大桥P15、P16桥墩的防船撞击设计参数Tab.1 The design parameters for the pier protection of Caiyuanba Yangtze River Bridge in the ship collision

2 FRP桥墩防撞浮箱的结构形式

2.1 FRP桥墩防撞浮箱的总体结构形式

FRP桥墩防撞浮箱的总体结构形式，为围护在桥墩四周的FRP外围箱体结构与附着于外围箱体结构内表面上的一排FRP内衬八边形柱壳薄壁构件组成的组合结构(图2)。FRP外围箱体结构，为浮箱的抗撞消能主体结构和浮力平衡结构;FRP内衬柱壳构件，为浮箱与桥墩的弱接触连接支承结构和撞击缓冲结构。

2.2 FRP桥墩防撞浮箱的细部结构形式

FRP外围箱体结构，立面形式为上下端向内倒角的近似矩形截面，平面形式为带有分水尖的近似回形截面。分水尖正对船舶正撞的上游或下游方向(即横桥向)，用以卸掉船舶撞击浮箱的部份附连水流质量和改变撞击船舶的运动方向(图2)。

图2 FRP桥墩防撞浮箱的总体结构形式Fig.2 The FRP floating pontoon protection structure

FRP外围箱体结构，在立面上分为顶舱、中舱和底舱结构。顶舱和中、底舱可沿立面拆分为2个独立的结构，中、底舱为沿高度不可拆分开的整体结构(图2)。

FRP外围箱体结构，在平面上分为前箱、中箱和后箱结构。前、中、后箱通过3者组合面上的卡槽和卡榫实现浮箱的平面自锁连接和拆分组装(图2)。

FRP外围箱体结构的顶舱结构，为内带横隔板的闭口箱形结构。顶舱四周底板上设有都向桥墩方向倾斜的斜面，斜面上设有由上滚筒、下滚筒和中连杆组成的自平衡定位滚筒。定位滚筒的上滚筒可沿斜面上下滚动，由此带动穿过顶舱内壁板的中连杆推动下滚筒与桥墩的立面接触并沿桥墩立面上下滚动(图3)。

图3 FRP浮箱外围箱体结构顶舱细部结构形式Fig.3 The top hold detail structure formation of the periphery box structure for the FRP floating pontoon

FRP外围箱体结构的中舱结构，为不带顶板和纵横隔板的开口箱内布满FRP八边形柱壳薄壁构件和四边形柱壳薄壁构件的结构形式。少量的FRP四边形柱壳构件，安装在中舱前、中、后箱的卡槽位置附近，大量的FRP八边形柱壳构件，布满在中舱结构的其余位置。FRP八边形柱壳件和四边形柱壳构件，高度与中舱结构的开口箱同高，上、下端开口，下端平置于中舱底板(即底舱顶板)上，各柱壳构件相互之间及其与箱壁之间完全密贴(图4)。

FRP外围箱体结构的底舱结构，为内带纵横隔板的闭口箱形结构。底舱结构的内外壁板与纵横隔板将其分成若干个独立的箱室，每个箱室的壁板和底板上设有与水流连通的圆孔。壁板卸流孔用来卸掉撞击船舶携带的部份附连水流质量，底板进出水孔引水进入底舱各箱室压重使底舱淹没在水中。

FRP内衬八边形柱壳薄壁构件，高度与FRP外围箱体结构的中、底舱同高，上、下端开口，下端约2/5高度淹没在水中。各内衬柱壳构件沿桥墩四周立面呈相互抵紧的一字式密贴排列，构件的背立面与中、底舱结构的内壁板迎墩面密贴，前立面与背立面和桥墩表面平行，并与桥墩间留有不小于自平衡定位滚筒的下滚筒直径的平面距离(图2)。

图4 FRP浮箱外围箱体结构中舱细部结构形式Fig.4 Detail structure view of the center tank of the periphery box structure for the FRP floating pontoon

FRP桥墩防撞浮箱新结构，为全FRP结构。各构件分别为碳纤维增强复合材料(CFRP)或玻璃纤维增强复合材料(GFRP)或芳纶纤维增强复合材料(AFRP)杆系构件或薄壳构件。各构件的材料选择和截面尺寸，根据构件的抗撞受力要求和能量吸收、动量缓冲要求按复合材料力学理论分析计算和设计确定。

3 FRP桥墩防撞浮箱的连接方式

3.1 浮箱各构件的内部连接方式

浮箱外围箱体结构的顶舱与中、底舱的立面连接，采用“戴帽式”的连接方式。通过将顶舱的“帽口”套戴在中、底舱上端的“头部”，使顶舱与中、底舱连成立面整体结构。这种连接方式，可通过顶舱的“帽口”约束中、底舱内外箱壁的向背位移但不约束其向向位移，从而使中、底舱外箱壁受撞后能向内位移推压箱内的多边形柱壳构件产生挤压变形和运动摩擦而消能，还有利于浮箱后期维修时揭开顶舱帽盖更换中舱内部份撞坏的多边形柱壳构件。

浮箱外围箱体结构的前箱、中箱和后箱的平面连接，采用“自锁式”的连接方式。通过将中箱沿其组合面上“上大下小、外窄内宽”的通长卡榫(燕尾榫)竖向插入前、后箱组合面上对应位置和对应形式的卡槽(燕尾槽)，使前、中、后箱自动锁紧并连成平面整体结构，从而保证外围箱体结构既可分箱预制和现场快速组装及撞坏后拆分维修更换，又可使外围箱体结构的前、中、后箱互为依托整体受力和变形，还可省去采用常规螺栓连接方式的施工麻烦与后期维修养护。

浮箱内衬柱壳构件与外围箱体结构的连接，采用“卡口式”连接方式。通过将各内衬柱壳构件背面上的两个卡口卡入外围箱体结构中、底舱内壁板迎墩面上对应位置的卡榫，使内衬构件附着于外围箱体结构上。这种连接方式，既使二者连接简单且无硬性约束，又使外围箱体结构受船撞击时增加了柱壳构件的缓冲支承接触连接，还使外围箱体结构不因柱壳构件受撞产生的大变形和崩溃破坏而受到附加约束伤害。

3.2 浮箱与桥墩的连接方式

3.2.1 浮箱“平时”与桥墩的连接方式

浮箱平时(未受船撞击时)与桥墩的连接方式，为浮箱与桥墩“既不脱离、又不压实”的弱接触连接方式和“浮箱既能随水位变化上下自由浮动、又能保持与桥墩的相对平面位置不变”的自定位连接方式。

浮箱与桥墩的弱接触连接方式，主要通过浮箱外围箱体结构的自平衡定位滚筒和内衬柱壳构件与桥墩的接触连接实现。首先，外围箱体结构的自平衡定位滚筒，能保证其与桥墩四周时刻贴紧且不脱离的前提下，只传递滚筒的部份自重而不传递其它荷载给桥墩;其次，外围箱体结构底舱的开孔箱室及内衬柱壳构件平衡水流压力的水阻作用，可使内衬构件在水流作用与水流阻力平衡时不贴紧桥墩对其施压，或在水流阻力小于水流作用下使迎水面一方或最多两方的内衬构件减压后贴上桥墩，但传给桥墩的水流作用力经其缓冲折减与水阻抵消已大幅降低，从而使桥墩不被压实。

浮箱的自定位连接方式，也通过浮箱外围箱体结构的自平衡定位滚筒和内衬柱壳构件配合实现。首先，自平衡定位滚筒的下滚筒与桥墩表面时刻贴紧并沿桥墩表面上下滚动的运动方式，有助于浮箱随水位变化的上下浮动就位;浮箱内衬柱壳构件与桥墩不接触或虽接触但不压实的接触方式，可使二者接触面上的摩擦力小于浮箱的重力和浮力，保证浮箱的内衬构件对浮箱上下浮动的立面就位不构成干扰与阻碍。其次，利用顶舱四周的自平衡定位滚筒都与桥墩表面贴紧的周向约束作用和极端情况增加的内衬柱壳构件对桥墩一侧或相邻两侧表面贴上的空间约束作用，使浮箱受涌浪作用不易偏转与晃动或少量偏转、晃动后容易回位，从而使浮箱在不受船撞击时与桥墩保持“立面位置自动就位和平面位置相对不变”的自定位连接方式。

3.2.2 浮箱“撞时”与桥墩的连接方式

浮箱“撞时”(受船舶撞击时)与桥墩的连接方式，为保持浮箱通过外围箱体结构的自平衡定位滚筒与桥墩的弱接触连接方式继续有效的基础上，增加浮箱内衬构件对桥墩进行撞击缓冲与作用面积扩散的弱接触支承连接方式。浮箱受船撞击向桥墩方向运动和位移时，带动浮箱外围箱体结构受撞一侧的顶舱中的斜面也向桥墩方向运动和位移，迫使该斜面上的定位滚筒相对于斜面向上运动，使得定位滚筒在整个船撞运动过程中与桥墩的相对平面位置和接触方式始终保持不变，从而保证浮箱在受船撞击全程仍不通过定位滚筒传递船撞力给桥墩。当浮箱的内衬柱壳构件与桥墩撞击接触时，柱壳构件的高强度和低刚度迫使其压坏前产生大变形以吸收船舶撞击能量，加上内衬柱壳构件与桥墩的大面积支承接触，使桥墩直接承受的船撞作用经外围箱体结构消能后再经内衬构件的弱化传力作用得以进一步削弱。

4 FRP桥墩防撞浮箱的消能模式

4.1 浮箱外围箱体结构的变形消能、摩擦消能和溃散消能

浮箱外围箱体结构的消能，主要通过外围箱体结构中舱内的八边形和四边形柱壳薄壁构件相互之间及其与箱壁之间“平时既不受力、也不传力”、“撞时相互挤压、相互运动”的特殊结构行为实现。当船舶以任一角度撞击到浮箱外围箱体结构任一部位时，受撞部位的外围箱体结构的中、底舱外箱壁借助其高强度、低刚度保证其不被撞坏的前提下产生向内位移的大变形，从而挤压中舱箱内的八边形柱壳构件和四边形柱壳构件，迫使箱内每个柱壳构件都产生不同程度的相互挤压变形和相互运动摩擦，并使撞击区域的部份柱壳构件在大能量撞击时可能破坏，从而使这些柱壳构件为外围箱体结构提供变形较大的变形能和作功时间较长的摩擦能及能耗最高的溃散能;外围箱体结构同时借助FRP材料完全弹性和低应变速率的优异性能，通过缓慢地释放变形能反推船舶作功形成浮箱阻力功，以进一步消耗船舶的撞击动能和进一步增加浮箱总的撞击作功时间，使浮箱外围箱体结构通过正向作功吸能和反向作功耗能这两种消能模式可消耗船舶撞击动能的70%左右。

4.2 浮箱内衬柱壳构件的变形消能和溃散消能

浮箱内衬八边形柱壳薄壁构件比外围箱体结构内的柱壳构件刚度更低和约束更弱的结构特性，使内衬柱壳构件随浮箱外围箱体结构位移撞击到桥墩时，可产生比箱内柱壳构件更大的挤压变形，也允许受撞的内衬柱壳构件部份压坏，从而使受撞的内衬柱壳构件能通过其更大的变形消能和溃散消能来吸收浮箱外围箱体结构消能后剩余的部份撞击动能，并同时将剩余的船撞力经变形缓冲和支承面积扩散后再传给桥墩，使桥墩直接承受的船撞力可进一步降低至其可承受的水平。

4.3 浮箱内外水流的阻力消能

浮箱外围箱体结构的底舱独立开孔箱室构造、卸流孔构造及内衬柱壳构件的上下端开口构造，使浮箱受船撞击向桥墩方向运动时，一可利用卸流孔卸掉船舶携带的部份附连水流质量，并利用这部分水流冲击外围箱体结构的底舱底板增大箱体向下的运动作功而抵消其向桥墩运动的部份水平运动作功;二可利用底舱各箱室和内衬构件自身不规则变形对水流的阻力和其内水流对运动水流的阻力，从而为浮箱提供抵抗船舶撞击作功的水流阻力功，以此再消耗船舶的部份撞击动能和延缓浮箱撞击到桥墩的作功时间，使其能与浮箱一道在受船撞击的第一时间参与能量吸收和动量缓冲，并能在几乎不增加浮箱结构成本的前提下利用水流获得额外的附加消能效果。

5 FRP桥墩防撞浮箱的防撞保护效果

5.1 “和谐防撞”保护效果

FRP桥墩防撞浮箱结构，依据“强化消能、弱化传力”及“增大人性化保护效果，实现船桥和谐防撞”的全新设计理念，设计、创造的“具有自定位功能和弱接触连接构造及高消能效果”的全新结构形式、连接方式和消能模式:①可使经浮箱能量吸收和动量缓冲传给桥墩实际承受的船撞力小于桥墩自身抗力，首先保证桥墩不被撞伤和全桥受力安全;②可使经浮箱柔性抗撞和弹性反推反作用于船舶的撞击力小于船舶的破坏荷载，同时保证船舶不被撞坏或减小船舶和船上人员的撞击伤害;③可借助浮箱高强度、低刚度、完全弹性的材料和结构优势减小自身的撞击损伤并使箱壁主承力结构不撞坏，保证浮箱在船撞全程都不退出工作，从而使浮箱获得“既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤”的结构功能最大化的防撞保护效果，达到“船桥和谐防撞”的设计最高境界。

5.2 “长效防撞”保护效果

FRP桥墩防撞浮箱结构，在设防船撞力作用下外围箱体结构的箱壁不会破坏，箱内多边形柱壳构件和内衬柱壳构件允许破坏，从而使浮箱“在大能量撞击后可修复继续使用”，并且修复因只更换部份次要构件而比钢浮箱的破坏性变形修复简单、快捷和节省，加上FRP浮箱结构能在-30～70℃温度范围内正常工作结构性能不退化，能耐酸、碱、盐介质腐蚀而减少后期养护，能抗水流、砂石冲刷不褪色和不附着青苔等菌类滋生物，结构材料的自然老化寿命不低于40年，故FRP防撞浮箱通过更换部份次要构件可实现对桥墩的“长效防撞保护”，获得“安全保护最好、使用寿命最长、维修养护最省”的结构效益最大化的防撞保护效果。

6 工程算例

以重庆菜园坝长江大桥P15桥墩的防撞工程为例，FRP桥墩防撞浮箱的结构构造如图2～图4。方案设计的初步计算，只取FRP防撞浮箱的外围箱体结构的中舱前箱和附着于前箱上的内衬八边形柱壳薄壁构件进行防护3 000 t载重船舶以3.9 m/s的撞击速度横桥向正撞的简化计算。计算采用ABAQUS有限元软件完成，结构的有限元计算模型如图5。不考虑中舱内多边形柱壳构件摩擦消能和浮箱水流阻力消能的消能贡献，仅中舱前箱结构和附着于其上的内衬八边形柱壳构件降低的船撞力就高达65%左右，对应的船撞力作功距离约5.0 m，作功时间约2.0 s，撞击结束后船舶离桥墩的安全距离约1.3 m。FRP防撞浮箱船撞作用区域附近的中舱外壁板和八边形柱壳构件变形较大，且有部分柱壳构件破坏，在离撞击区域较远的其它部位，中舱外壁板和多边形柱壳构件变形较小，也未发生破坏(图6)。

P15桥墩要求FRP防撞浮箱抗撞消能后降低的船撞力比例约90%，其差额部分由浮箱外围箱体结构中舱内多边形柱壳构件的摩擦消能和底舱独立箱室、内衬柱壳构件提供的水流阻力消能共同承担，将在后续的施工图设计优化和更精确的结构计算中解决。

7 结论

1)FRP桥墩防撞浮箱结构依靠其全新的结构形式、连接方式和消能模式，使其具有“自定位、弱接触、高消能”结构功能，不仅抗撞击破坏的能力比钢浮箱强，而且通过能量吸收和动量缓冲降低船撞力的比例也比钢浮箱提高1倍以上，故能比钢浮箱更好地对桥墩提供防撞安全保护。

2)FRP桥墩防撞浮箱结构，具有“和谐防撞”与“长效防撞”的技术、经济优势，是桥墩防撞工程的技术创新和技术进步，经进一步研究完善推广工程应用，将有助于桥梁防灾减灾技术实力的提升和桥梁、水运建设的和谐发展。

3)FRP桥墩防撞浮箱结构，反映浮箱外围箱体结构内多边形柱壳构件挤压变形、摩擦运动、崩溃破坏及浮箱-水流耦合作用的结构分析和计算也是一项全新的理论研究课题，具有较高的难度。通过这些理论问题的研究解决，将推动桥墩防撞工程设计迈向“科学”、“经济”、“和谐”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“long-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

张锡祥(1954-)，男，四川大竹人，高级工程师，主要从事复合材料桥梁结构的设计和研究。E-mail:cqjdzxx@163.com。