预压式钢-橡胶组合断面防撞装置性能研究

2022-03-22郑伟峰周锐根殷永高王君杰

公路交通技术 2022年1期

郑伟峰，周锐根，高昊，殷永高，章征，王君杰

(1.安徽交控建设管理有限公司，合肥 231499； 2.同济大学土木工程学院，上海 200092；3.合肥工业大学，合肥 230009)

船舶经水路运输通过河海中建设的桥梁时，因各种原因(如船舶失控、偏航、大雾等)造成船舶与桥梁之间的碰撞。国内，戴彤宇等[1]分析研究了1959年—2000年长江干线上10余座桥的172起船撞桥事故；王君杰等[2]统计了国内1960年—2008年因船舶撞击而发生桥梁倒塌的平均事故率约为0.73起/年；陈国虞[3]列举了2007年—2011年国内20余起较大的船撞桥事故。国外，PIANC(国际航海协会常务会议)建立了1960年—1990年的151起船撞桥数据库[4]；Y Fujii等[5]对日本沿海船舶碰撞事故进行了研究；丹麦和瑞典合营的一家公司建立了一个包含252个事故的数据库[6]。船撞桥的后果往往都比较严重，桥塌船沉，车毁人亡。2007年的广东九江大桥船撞桥事故[7]导致200多m的桥面倒塌，运砂船沉没，4辆车落水，9人死亡或失踪；2008年，浙江金塘大桥船撞桥事故[3]导致预制梁破坏，4人死亡。2017年广东洪奇沥大桥散货船撞到引桥右墩，船舶船头受损，桥墩严重变形，桥面塌陷，交通中断。

为减小桥梁船撞事故带来的危害，桥梁结构设计合适的防撞设施十分必要。现有的防船撞设施主要由混凝土、钢材、木材、橡胶、复合材料和轻质填充材料等组成。混凝土被认为是脆性材料，受拉、受压时其“力-变形”曲线只有弹性阶段，没有塑性阶段，因此只有弹性功且值很小[3]。钢构件在发生碰撞时会产生很大的永久弹塑性变形，且在塑性变形的过程会吸收大量能量，因其造价低廉，是目前使用最多的防撞材料。木材的刚度较小，作为护舷布置在桥墩上可起到缓冲垫层的作用，使撞击持续时间延长，削减撞击力，但其强度较低，因此多用于内河小船航道上[3]。橡胶材料弹性好，变形后可恢复原状，可将存储的能量释放出来，因此耗能很少[8]，主要起缓冲吸能的作用。复合材料也是一种脆性材料，变形过程中从弹性极限到断裂阶段应变改变量很小，变形耗能很少[9]。轻质填充材料包括泡沫、聚氨酯等，毛竹、泡沫铝或橡胶粒等通过挤压、摩擦、变形压溃实现耗能，它们主要作为辅助材料参与变形调谐，对受力和做功贡献不大[9]。

以上几种材料很少单独使用，多以2种或2种以上材料通过物理或化学方式进行组合，得到一种在防船撞性能相互补充、相互加强的形式。如钢-橡胶组合防船撞装置[10-13]、钢筋混凝土-橡胶组合防船撞装置[3]、复合材料与轻质填充材料组合防船撞装置[9,14]、钢材-木材组合防船撞装置[3]等。对于复合材料与轻质填充材料组合防船撞装置，目前存在以下主要问题：1) 因节段间的接头技术不成熟，在波流荷载作用下发生过接头断裂事件；2) 填充材料为脆性材料，内部填充的泡沫强度低，难以抵抗大型船舶的撞击，适用范围有限；3) 复合材料防撞装置生产过程质量控制难度大。

为解决传统浮式防撞装置的缺陷，本文提出了预压式钢-橡胶组合防撞装置，旨在利用橡胶的优良耗能性能及钢-橡胶协同耗能体系，以提升防撞装置的耗能能力，减小装置被撞后的损伤程度。

1 工程概况

池州长江公路大桥为主跨828 m的双塔斜拉桥，跨径布置为(828+280+100+105+210+105)m，桥墩基础采用桩基础，Z0～Z4墩承台均为低桩承台，Z5～Z10墩承台均为高桩承台。桥梁总体立面布置如图1所示。主跨828 m可通航净空宽度610 m，北侧248 m为上行航道，南侧362 m为下行航道，副通航孔通航净宽240 m，辅助通航孔通航净宽180 m。根据航路规划要求，主通航孔供船队及 50 m 以上的船舶航行，240 m副通航孔供50 m以下的小型船舶航行，辅助通航孔供中小型船舶或船队通航。

单位：m

由图1可知，Z0～Z3墩所在河道不具备通航条件，可不设防撞装置；Z4～Z10墩均在通航孔附近，存在船撞风险，需设防撞装置。其中，Z4、Z5为主塔墩，已设置相应的防撞装置；而Z6～Z10墩尚无防撞装置，因此本文以Z6～Z10墩为设防对象，提出预压式钢-橡胶组合防撞装置方案，并进行设计，通过数值模拟分析防撞装置方案的防撞性能。

2 防撞装置设计

2.1 设计原则

由于池州长江公路大桥各桥墩满足船撞力设防标准的要求，因此其防船撞结构的主要设计原则为：

1) 增强桥梁的抗撞撞能力，增加安全储备。

2) 防止桥梁在船舶撞击下的局部破损，改善桥梁的长期性能，减少运营期的维护工作。

3) 适当地保护船舶。

4) 绿色环保，从防撞结构所使用的材料、制造过程、维护等方面，减少能源消耗、化工污染等。

2.2 防撞装置方案

Z6～Z10墩设计代表船舶为3 000 t级轮船，设计撞击速度为2 m/s，其中，Z6、Z7、Z10墩为单柱墩，Z8、Z9墩为双柱墩。本文提出了4套钢-橡胶组合防撞装置方案，其中方案1～方案3均针对单柱墩进行设计，方案4针对双柱墩进行设计。防撞装置采用自浮式防撞装置以适应水位的变化，结构整体自浮比约0.65。为便于后期维护，结构整体采用节段装配形成。

2.2.1 方案1

防撞装置方案1主要包括外围钢箱与内围橡胶组件，如图2所示。橡胶圈组件采用2×2的模块，单个橡胶圈为钢板-橡胶圈，外径为90 cm，内径为50 cm，橡胶圈内外壁放置钢板圈加强橡胶圈的耗能能力。外围钢箱截面内部布置加强板与加劲肋增加整体刚度，外围钢板采用2 cm，增加局部强度。橡胶组件之间采用低发泡泡沫材料填充，改善橡胶圈的自浮性能。

方案1在船舶撞击下的受力机制为：从外围钢箱将船舶荷载传递至内围橡胶组件，通过压缩橡胶圈耗散能量，且因橡胶圈的缓冲消能作用，可保护船舶和外围钢箱，延长使用寿命。

(a) 总体平面布置

(b) 节段A大样

2.2.2 方案2

防撞装置方案2主要是由内钢管①、外钢管②、法兰盘③、橡胶轮胎④、橡胶护舷⑤、铁链挂钩⑥等组件组成，如图3(a)、(b)所示。内外钢管间放置205/50R17废旧橡胶轮胎，轮胎与内外钢管之间孔隙、轮胎内填充堆密度约500 kg/m3建筑陶粒，如图3(c)所示。外钢管②靠近航道一侧采用铁链挂钩⑥悬挂废旧轮胎(无需填充陶粒)，用加厚钢板的方式来抵御小船撞击及防止钢材腐蚀。为减小外钢管②靠近墩柱之间的摩擦损耗，在外钢管与墩柱接触部位布置橡胶护舷⑤，护舷表面安装四氟滑块以减小摩擦系数、增加耐磨性。结构段之间在法兰盘③处用M9×50高强螺栓连接成整体。

(a) 总体平面布置

(b) 节段A大样

方案2在撞击下的受力机制为：当船舶撞击装置时，通过钢管变形、橡胶轮胎压缩、建筑陶粒摩擦来消耗能量。该防撞方案的主要特点：结构整体性好，维护方便。

2.2.3 方案3

防撞装置方案3主体结构由橡胶组件构成，橡胶圈组件采用2×3的模块，单个橡胶圈为钢板-橡胶圈，外径为90 cm，内径为50 cm，橡胶圈内外壁放置钢板圈加强橡胶圈的耗能能力，如图4所示。橡胶组件之间采用低发泡泡沫材料填充，改善橡胶圈的自浮性能。

方案3在船舶撞击下的受力机制为：通过压缩橡胶圈耗散能量，且因橡胶圈具有消能与恢复变形的功能，既可保护船舶，其重复使用性也得到提高。

2.2.4 方案4

防撞装置方案4主要由钢箱、橡胶圈、加强板、连接板及法兰盘组成，如图5所示。其中钢箱与加强板、连接板、法兰盘组成钢骨架。为减小橡胶圈靠近墩柱之间的摩擦损耗，在钢箱与墩柱接触部位布置橡胶护舷，护舷表面安装了四氟滑块以减小摩擦系数、增加耐磨性。方案4节段横截面构造与方案1相同，如图2(c)所示。

方案4在撞击下的受力机制为：当船舶撞击装置时，通过橡胶圈变形、钢管变形来消耗能量。该方案主要特点是橡胶圈与钢骨架连接方便，构造简单，维护较为方便。在小碰撞下橡胶圈可防止钢管破损腐蚀。

2.2.5 方案比选

Z6～Z10墩防撞设计方案比选如表1所示。

防撞装置方案1的耗能机制为：压缩橡胶圈先吸收能量，待橡胶圈到达极限后，钢骨架变形耗能。

(a) 总体平面布置

(b) 节段A大样

(a) 总体平面布置

(b) 节段A大样

防撞装置方案2的耗能机制为：钢管先受压变形耗能后，压缩橡胶圈耗散能量。

防撞装置方案3全部采用橡胶组件，故其初始节段的耗能机制与方案1相似，当橡胶圈耗能达到极限后，残余动能依赖船舶耗散。

表1 各防撞方案性能对比

防撞装置方案4的节段构造与方案1的节段构造相同，因此其耗能机制与方案1相同，即橡胶圈先受压耗能，待其达到极限耗能后，钢骨架发生变形耗散能量。

综合分析以上4种方案，方案1与方案2的耗能能力均比较出色；方案3的外圈没有钢箱，使得其耗能能力与保护能力不如方案1；方案4的节段构造与方案1相同，因此耗能性能与方案1基本相同，耗能能力比较出色。此外，方案1结构简单，造价较低；方案2节段构造较为复杂，造价较高。综合功能性与经济性2方面，方案1最合适。

2.2.6 防撞装置材料特性

钢筒与橡胶圈组合防撞装置利用了钢材的高耗能性能，以及橡胶缓冲性好、恢复变形能力强的优点，通过橡胶承受的初始预压力来提高钢与橡胶材料的协同工作性能。

1) 耗能性能

橡胶材料具有较好的缓冲消能性能，能够有效提高防撞装置的耗能性能，防撞装置受到撞击时，通过钢管变形、橡胶轮胎压缩、建筑陶粒摩擦来消耗能量。另外，利用橡胶材料的可恢复变形性可提高防撞装置的重复利用率。

2) 防腐蚀、自漂浮能力

防撞装置的橡胶圈与钢骨架连接方便，构造简单，维护较为方便；在小碰撞下橡胶圈可防止钢管破损腐蚀；外筒由钛钢复合板制作，耐强酸强碱，有良好的耐腐蚀性能。

防撞装置外筒与内筒之间填充轮胎，自浮比大约0.65；外筒、内筒和隔板焊接连成封闭整体，提升装置自浮能力。

3) 接触-滑动装置

防撞装置中创新性地设置了接触-滑动装置，该装置能使防撞装置受撞时沿倾斜的墩塔上下滑动，减轻受撞时桥墩表面混凝土的磨损。

3 Z6墩船撞数值分析

船桥碰撞的撞击力峰值与船舶航速、船舶载重、碰撞角度等因素密切相关[15-16]。根据前文分析，防撞装置方案1与方案2的耗能能力均较好；方案3的耗能能力不如方案1与方案2；方案4的节段断面构造与方案1相同，耗能机制与方案1相似。因此，以Z6墩为例，对桥墩在无防撞装置、使用防撞装置方案1、使用防撞装置方案2时，各自的撞击过程进行数值模拟，分析不同条件下装置的防撞性能。根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)[17]，碰撞角度取为20°。

3.1 有限元模型

船舶对桥墩的碰撞分析采用动力数值模拟法进行计算，碰撞分析软件采用基于显式算法的LS-DYNA。

3.1.1 船舶

在船艏与结构发生接触的过程中，船艏结构会出现屈曲、压溃等破坏现象。因此要得到一个真实的撞击过程，必须准确地模拟船艏的形状和构造。 3 000 t级轮船的有限元模型如图6所示。该模型对碰撞过程与结构直接接触的船艏部分作了比较精细的模拟，其中包括外板、各层甲板、横向舱壁等主要板材及主要纵向桁材，最小单元网格的边长为200 mm。船体中后部因远离碰撞基础区，实际上不发生变形，仅提供刚度和质量的影响，因此可用刚性板进行简化模拟。

3.1.2 桥墩

池州长江大桥水中桥墩具备整体抗撞能力，本文的计算分析旨在研究防撞装置的缓冲消能能力，

图6 轮船有限元模型

因此建模时将桥墩处理成刚体。弹性模量与泊松比按C40混凝土取值，分别为32.5 GPa、0.15。桥墩有限元模型如图7所示。

图7 Z6墩有限元模型

3.1.3 防撞装置

防撞装置钢构件建模与船艏相似，均采用壳单元，单元类型采用三角形单元与四边形单元，单元尺寸基本与船艏相当。为控制沙漏，橡胶圈均采用四面体单元，网格尺寸与钢板壳单元相当。橡胶圈与钢构件连接部位采用共节点连接方式。

钢构件材质均采用Q345钢，本构模型采用双线性弹塑性模型，考虑应变率效应，其本构参数如表2所示。

表2 Q345钢材料参数

橡胶为超弹性材料，具有非线性、不可压缩性和大变形的特点。本构模型采用不可压缩的Mooney-Rivlin模型[17]。橡胶硬度为(60±5)度，各参数如表3所示。

表3 橡胶材料参数

Z6墩防撞方案1与防撞方案2的有限元模型如图8所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

3.2 计算结果分析

本文中防撞装置的性能主要采用以下指标或变量来检验：

1) 船舶与桥墩的距离时程。若船舶在接触桥墩之前已经反向回弹，则可说明装置能够阻止船舶接触桥墩。

2) 系统的能量转化关系。具体是船舶耗能比例、装置耗能比例、船舶残余动能比例。通过这三者可判断防撞装置的耗能能力及对桥和船的保护能力。

3) 撞击力时程。通过与无防撞装置的撞击力对比，得到的撞击力削减比例也是衡量防撞装置对桥、船保护能力的一个重要指标。

3.2.1 无防撞装置

工况条件：3 000 t级轮船，撞击速度2 m/s，撞击角度与桥轴法线夹角为20°。碰撞过程中的能量转化、船舶耗能比例(船舶吸收的能量与初始动能的比值)、撞击力与船速的时程曲线如图9所示。

(a) 能量转化(b) 船舶耗能比例(c) 撞击力(d) 船速

当沙漏能占总能量比值小于10%时，说明计算结果可信。从图9(a)可知，整个计算过程中沙漏能占总能量的比值约为2.5%，说明计算结果是可信的。由于没有防撞装置，船舶直接与桥墩发生碰撞。碰撞初始阶段(t≤0.5 s)，船艏与桥墩接触并发生明显变形，此阶段撞击力较小，如图9(c)所示。随后船艏继续被挤压达到最大变形，撞击力继续增长(0.5 s～1.0 s)，如图9(b)、(c)所示。之后船舶逐渐回弹，如图9(d)所示，撞击力逐渐衰减为零。碰撞过程的撞击力峰值、船舶最大耗能比、残余动能比如表4所示。

3.2.2 防撞装置方案1

工况条件：3 000 t级轮船，撞击速度2 m/s，撞击角度与桥轴法线夹角为20°。碰撞过程中的能量转化、船舶与装置耗能比例(船舶与防撞装置吸收的能量与初始动能的比值)、撞击力与船桥距离的时程曲线、橡胶与钢箱的耗能对比如图10所示。

表4 无防撞装置的碰撞响应最大值

(a) 能量转化

(b) 船舶与装置耗能比例

(d) 船桥距离

(e) 橡胶与钢箱耗能对比

从图10(a)可知，整个计算过程中沙漏能占总能量的比值约为3.0%，说明计算结果是可信的。船舶撞击防撞装置初始阶段，橡胶圈先受压变形，此时撞击力与船舶耗能较小，如图10(b)、(c)所示。之后橡胶圈被压缩至最大变形，撞击力和船舶耗能明显增加，此阶段主要依赖船艏压缩变形与钢骨架变形耗散船舶动能(0.5 s～2.0 s)。t=2 s之后，船舶回弹，橡胶圈储存的内能逐渐释放，此阶段船舶的耗能略有增长，防撞装置释放能量恢复部分变形，如图10(b)～(e)所示。碰撞过程的撞击力峰值、船舶与装置的最大耗能比、残余动能比如表5所示。

由表5可知，相比于无防撞装置，使用防撞装置方案1后，桥墩的撞击力峰值降低了34%，船舶的最大耗能比降低了40%。这说明防撞装置对桥墩与船舶都起到了很好的保护作用。

3.2.3 防撞装置方案2

工况条件：3 000 t级轮船，撞击速度 2 m/s，撞击角度与桥轴法线夹角为 20°。碰撞过程中的能量转化、船舶与装置耗能比例、撞击力与船桥距离的时程曲线、橡胶与钢箱的耗能对比如图11所示。

从图11(a)可知，整个计算过程中沙漏能占总能量的比值约为9.5%，说明计算结果是可信的。碰撞初始阶段(t≤0.4 s)，在船舶撞击作用下，防撞装置的位置发生改变，此阶段撞击力较小，如图11(c)所示。随后装置被船艏卡紧，船舶与装置都发生明显变形，其耗能明显增长(0.4 s～2.0 s)，如图11(b)、(c)所示。之后船舶回弹，如图11(d)所示，撞击力逐渐衰减直至碰撞结束。碰撞过程的撞击力峰值、船舶与装置的最大耗能比、残余动能比如表6所示。