杨海平

（重庆市设计院，重庆市 400015）

1 概述

某大桥工程为市政桥梁工程，设计等级为城市主干路，采用双向六车道，设计时速为60 km/h。桥跨组合为（150+300+150）m，主桥长 600 m；结构形式采用双塔、双索面、密索、对称扇形布置、预应力混凝土倒梯形断面主梁、塔梁分离的漂浮体系结构。为了提高主梁刚度、改善结构动力特性，两岸各设一辅助墩，辅助墩距交界墩75m。桥下航道等级为Ⅲ-（3）级航道，如图1所示。

2 船撞设计参数

大桥的通航代表船型为1 000 t级杂货船（3级航道典型船舶）。根据大桥航道等级及桥型布置图确定防船撞设计的代表船型和设计通航水位。

（1）通航代表船型见表1。

（2）设计通航水位。大桥桥位通航桥梁的设计最高通航水位（m 85高程）为281.810 m，枯水位为267.85 m，相差13.96 m。

（3）船撞速度。根据大桥主跨（150+300+150）m桥区实际状况，以及《公路桥梁防船撞设计的指南》建议的船舶设计撞击速度计算方法，计算得到船舶撞击速度见表2。

3 防撞方案设计

大桥最高通航水位与库水位相差13.96 m，水位落差较大，桥墩部分宜采用浮动式防撞设施，以降低造价。考虑到代表船型为1 000 t船舶，撞击力较大，采用柔性钢套箱防船撞设施。由于承台位于年平均水位和枯水位之上，易受撞击，且浮动式防撞设施不能保护到承台，因此承台部分宜采用固定式防撞设施。综上所述，大桥采用浮动式柔性钢套箱防撞设施与复合材料防撞设施相结合的防撞方案。

3.1 结构组成

大桥防撞设施分为浮动式柔性防撞设施和固定式复合材料防撞块两个部分，其中浮动式柔性防船撞设施主要由内套箱、外套箱及防撞圈组成，围绕桥墩一周布置，实现360°防护；可随水位上下浮动，实现各水位的防护。由于桥墩结构变换，浮动式柔性钢套箱防撞设施不能实现标高270.682 m以下部分桥墩及承台的防护，且该部分桥墩尺寸加大，结构较为安全，故采用固定式复合材料防撞块，其结构如图2、图3所示。

3.2 工作原理

浮动式柔性防船撞设施利用防撞圈的压缩变形、内外钢套箱的压缩变形吸收撞击能量。另外该设施的三角形导向结构减小了正撞工况发生的概率，降低了撞击风险。固定式复合材料防撞设施由锚固在桥墩上的结构相似的复合材料防撞块组成。各复合材料防撞块由复合材料面层、格栅以及耗能填充材料组成，其通过复合材料壳体及填充材料的压缩吸收撞击能量，减小撞击力[1]。

4 船舶对桥梁的撞击力

4.1 规范计算船撞力

常用的船舶撞击桥梁的正撞力计算标准方法计算1 000 t船撞力，见表3。

图1 双塔双索面混凝土斜拉桥立面布置图（单位：mm）

表1 桥区航道代表船型尺度表

表2 达州金南大桥船舶通行速度计算结果

图2 大桥防撞设施立面图

图3 大桥防撞设施平面图

规范公式本质上都是建立在船撞桥的刚体或弹性体整体碰撞的简单理论基础上，再做若干修正的半经验公式，属于从弹性系统能量（或动量）守恒出发的准静态简化分析，既没有涉及应力波的传播，又没有考虑材料的非线性问题，尤其当桥梁采用防撞装置时，各种简化公式无法对防护设施的作用进行有效评估[2]。

4.2 撞击力数值模拟计算

本文采用有限元动态仿真分析方法，计算1 000 t船舶在3.8 m/s的行驶速度下对桥墩的正面撞击力。船舶有限元模型按照对应船舶设计图纸进行建立，桥墩实体模型对船撞力计算结果影响不大，故桥墩以刚性接触面代替。

表3 规范计算1 000 t船撞力计算结果

用1 000 t的船舶以3.8 m/s的速度对安装柔性钢套箱防船撞设施的桥墩进行正撞，得出撞击力时程曲线，并与直接撞击刚性墙和通过规范公式计算所得进行比较。

从图4可看出在安装柔性钢套箱防船撞设施后，最大撞击力为8.10 M N，而直接撞击刚性墙的最大撞击力为11.5 M N，减少3.4 M N，同比减少了29.6%；而通过AASH TO公式计算得到的撞击力为14.39 M N，与安装柔性钢套箱防船撞设施后的最大撞击力相比减小6.29 M N，同比减小43.7%。通过比较可知，该柔性钢套箱防船撞设施效果较好，能起到减小最大撞击力的目的。

图4 1 000 t船舶撞击主墩撞击力时程曲线

故可以得出规范所采用的经验公式，且各国规范计算结果差异较大，仅适用于特定情况，撞击力应采用动力数值模拟方法进行计算。

5 防撞设施施工要点

柔性防船撞设施的制造施工主要分为四个部分：

（1）原材料采购。柔性防船撞设施钢结构采用船用A级钢，其化学成分和力学性能应符合CCS《材料与焊接规范》第1篇第3章的相关规定。

（2）防船撞设施制作。柔性防船撞设施制作过程如下：材料进场→放样与下料→零件加工→浮箱分块制作→预拼装→浮箱水密舱密性试验。

（3）防腐涂装。柔性防船撞设施钢围外侧表面采用了电弧喷锌铝伪合金防腐层和铝-锌-铟牺牲阳极防腐的双重防腐方案。

（4）运输和安装。制造好的防船撞设施在桥梁附近拼装为两个部分，下水浮运，由拖船拖至承台处安装，其过程如下：陆上拼装→拖船运输→对接拼装。

6 桥墩防船撞设施维养

发生船舶与防船撞设施碰撞事故后，设施维修如下：

（1）局部小面积损伤维修。当防船撞设施受到小型撞击而发生局部变形或破损时，可就地以不拆卸设施的方式进行局部修正。对于小的局部变形或凹坑可不修理；对于影响设施完整性及功能的破损需通过局部切除、焊接修补。不论发生何种撞击（船舶撞击或漂浮物撞击），均需检查防腐涂层，并及时修补。

（2）大面积损伤维修。当发生大型船舶撞击导致设施严重受损（如大面积受损难以修复，套箱漏水严重，就地修复施工量大、成本高）时，直接更换受损分块。

7 结语

浮动式柔性防船撞设施与固定式复合材料防撞设施相结合的防船撞设计方案具有能有效吸收撞击能量、减小撞击力的优点，在有效保护桥梁安全的情况下，能最大限度地降低对碰撞船只的损伤。