２０１４年１２月第１２期 城市道桥与防洪 桥梁结构 ８９ 航道中桥梁桥墩防撞技术及设施浅析 于 伟 （无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡２１４０７２） 摘 要：该文阐述了航道中桥梁船舶撞击问题，对目前桥梁防撞技术及我国桥梁防撞设施的研究与应用现状进行了总结和阐 述，以期能为今后的桥梁防撞设计和建造提供一定的参考意见。 关键词：桥梁；撞击力；防撞技术 中图分类号：Ｕ４４３．２２、Ｕ４４７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１４）１２—００８９—０５ ０ 引言 随着经济建设和交通运输业的蓬勃发展，横 （２）为了桥梁上部结构的安全，不允许桥墩有 较大的位移； （３）肇事船只的船头刚度不论多小，变形量也 只能由船头钢板的压扁长度提供，故不可能产生 较大的变形，由此缓解的撞击动能与总的撞击动 能相比是较小的。 由此可见，桥梁不设防撞保护系统时，船舶将 跨江海的大型桥梁越来越多，同时使得撞击桥墩 事故急剧增加。美国的统计数字结果显示， １９７０—１９８０年，在通航的大型桥梁运营期间，就发 生了１ Ｉ起重大的恶性碰撞事件，有些交通干线和 航道堵塞时间长达２ ａ之久。 在我国，船撞桥事故也是频繁发生，如武汉长 江大桥，自１９７５年建成到１９９９年ｌ２月１８日共 发生了７０起，其中直接经济损失上百万元的大事 故超过ｌＯ起，而发生在我国长江、珠江、黑龙江三 大水系干线上的船撞桥事件更达到３００余起以 上。南京长江大桥自建成起已发生了约３０起船撞 桥事故。重庆白沙沱大桥被船撞已达上百次之多。 ２００７年，广东九江斜拉桥因船撞击而导致桥面脱 落江中，造成了巨大的人员伤亡和经济损失【 ；同 年，江苏昆山市发生货船撞击大洋桥桥墩事故，造 成两人死亡。尽管并非每一次碰撞事故都酿成桥 毁人亡的重大惨剧，但桥梁的使用寿命、安全性 及抗震能力的降低却是肯定的，由此造成中断交 通、抢修线路的经济损失也逐年增加。 直接与墩身接触。由于两者的刚度均较大，变形量 较小，不能缓解撞击动能，因而将产生极大的撞击 力，造成船毁桥塌事件。所以，桥梁的抗冲击能力 般只能由防撞保护系统提供，以缓冲船舶的撞 击力，使桥梁和船舶的损失程度尽可能缩小。 鉴于船舶撞垮桥梁的事件日益增多，迫使许 多国家努力研究防护方法和碰撞理论，在重建或 一规划设计桥梁时，已经开始在设计方案中将防撞 保护工程列人。特别是近几年来，重要桥梁的防撞 保护系统常进行广泛的国际咨询和投标，以期获 得较佳的设计方案；对有被撞垮之虞的桥梁，也在 考虑增设防护系统［２】。 ２防撞设计的原则 桥梁防撞设计就是考虑某种船舶型式、航行 １ 桥墩防撞设施的必要性 通过对大量被撞垮的桥梁调查得知，大部分 桥梁均未设置防撞保护系统；即使少数有防护系 统的桥梁，也因设计防护能力不足而未能抵抗住 船舶的撞击。从概念上讲，当撞击力大于桥墩的承 载能力时，桥梁的抗冲击能力既不能由桥墩提供， 也不能靠撞击桥墩的船舶提供，这是因为： （１）桥墩的刚度总是较大的，不可能产生较大 的塑性变形来缓解撞击动能； 收稿日期：２０１４—０９—２８ 速度、水位标高和河床线高程等因素，其计算得到 的桥墩横向水平抗力接近或超过船舶撞击力，使 桥墩自身具有一定的抗撞击能力。同时通过桥墩 周围防撞设施的设置，来延长船舶的碰撞时间，减 小撞击力，从而更好地保护桥墩和船舶的安全［３］。 目前桥墩防撞设施的种类繁多，防撞设施的 设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、 桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船 舶的类型、碰撞速度、河床的断面，以及防撞保护 体系的施工能力等因素进行。防撞设施一般应满 足如下要求： （１）对船舶的碰撞能量进行消能缓冲，使船舶 作者简介：于伟（１９８３一），男，河南鹤壁人，工程师，从事桥梁工 程设计工作。 不能直接撞击桥墩，或使船舶碰撞力控制在安全 ９Ｏ桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１４年ｌ２月第１２期 范围内。 （２）防撞设施不能影响航道的通航，占用航道 范围尽量少。 （３）在保证桥梁安全的前提下，通过合理的结 构形式和缓冲材料的布置，尽量减少防撞设施和 船舶的损伤，达到双赢的效果。 （４）防撞设施制造、安装、维护和修理的经济 性较好。 （５）防撞设施具有很好的可靠性和安全性。 （６）不因防撞设施的设置而增加新问题，如回 流沉积、妨碍捕捞、局部冲刷增大等。 ３桥墩防撞保护系统的研究与应用 船舶对桥梁的撞击力是很复杂的，这是因为 碰撞事故除与碰撞环境一风浪、气候、水流等因素 有关外，还与船舶及桥梁结构本身的特性等因素 有关。另外，还与碰撞力的偏心率，以及驾驶员的 反应等因素有关。船撞桥的撞击力理论建立在动 量守恒定律和能量守恒定律上。船舶与桥墩撞击 分析涉及到许多因素，诸如船舶类型、航行速度、 撞击角度、航道水深、流速及潮汐变化、桥墩及基 础的稳定性等。 大量的碰撞实例调查和模型试验表明，问题 的焦点集中在船舶的撞击动能、船舶与桥墩或防 护系统的形变势能等几个方面。目前世界上使用 的桥墩防撞保护系统有多种类型，但其基本原理 都是基于能量吸收、动量缓冲来设计的，每种防撞 设施都有其特点和使用条件。 ３．１防撞保护系统的分类 目前对防撞保护系统的分类有以下两种方法 ： （１）１９９１年，国际桥梁和结构工程协会 （ＩＡＢＳＥ）将通常的桥梁防护结构分为五类，即：防护 板系统、支撑桩系统、系缆桩系统、人工岛或暗礁 保护及浮动保护系统。 （２）２０世纪８０年代，日本学者岩井・聪按照船 舶冲撞能量吸收方法和设置场所的不同对各种防 护设施采用了以下的分类方法： ａ．按船舶冲撞能量吸收方法分类： 弹性变形型一因弹性变形吸收冲撞能量。 抗压变形型一因压缩压屈、弯曲破坏等来吸 收冲撞能量。 变位型一利用重力或浮力产生的还原力吸收 冲撞能量。 ｂ．按设置场所分类： 直接构造一设施与桥墩相连安装。 间接构造一距离桥墩安装。 两种分类虽然方法不同，但内涵一致，目前我 国研究人员一般采用第二种分类方法，按照这种 分类方法，各种方式的防撞设施如表１所列。 表１各种防撞设施一览表 方式 防撞设施 弹性变形型一缓冲材料方式、绳索方式 直接方式 压坏变形型一缓冲体方式 变位型一重力方式 弹性变形型一桩方式 间接方式 压坏变形型一沉箱方式、人工岛方式 变位型一浮体系泊缆方式 ３．２各种防撞设施的特征 ３．２．１直接构造弹性变形型 直接构造弹性变形型，有缓冲材料方式和绳 索方式等。结构或材料通过自身恢复弹性变形的 能力转化并释放撞击能量，并且由于使用的材料 或结构的弹性和柔度较大，可以延长撞击时间，从 而减小撞击力，达到保护船及桥梁的作用。 ３＿２＿１．１缓冲材料方式 缓冲材料方式是将圆型、弓型、槽型和空气型 等的护舷材料安装在桥墩周围，这种防撞装置在 港口和码头工程应用已比较普遍。用于桥梁防撞 设施的护舷主要有圆筒型、ｖ型、ＴＩ 型、鼓型和橡 胶浮筒。根据用途一般可分为两种：（１）作为防撞设 施直接用于抵抗船舶撞击；（２）作为其他防撞设施 的辅助设施，主要起缓和小型船舶撞击和大型船 舶初期撞击的作用。 圆筒型护舷一般作为其他防撞设施的辅助设 施，既可安装在承台与其他防撞设施之间，用来吸 收大型船舶的初期撞击能量，同时起到缓冲和降 低船撞力的作用；又可安装在防撞设施外部，以减 小船舶的损伤。Ｖ型橡胶护舷可以安装在承台侧 面，与防撞钢套箱连接，使设施能够随水位变化而 升落；也可以安装在防撞装置外部，减小船舶的损 伤。ＴＩ１ｖ型是在Ｖ型和Ｄ型橡胶护舷应用实例基 础上，研制成的一种新型橡胶护舷，结合了ｖ型吸 能更大和Ｄ型受力稳定的优点，一般直接用于抵 抗船舶撞击。鼓型护舷和橡胶浮筒既可作为防撞 设施直接抵抗船舶撞击，又可作为缓冲设施，其中 鼓型护舷一般放在承台和其他防撞设施之间，橡 胶浮筒放置在防撞设施外部。 ３＿２＿１．２绳索方式 绳索方式是将钢丝绳在桥墩附近水面水平地 展铺，当船舶冲撞时，由钢丝绳的弹性变形吸收冲 撞能量。这种方式对于吸收大型船舶冲撞所产生 的大冲撞能量不理想，作为小型船舶冲撞的防护 ２０１４年１２月第ｌ２期 城市道桥与防洪 桥梁结构９１ 设施或者安装在大规模防撞设施周围作为第一次 能量吸收的效果较好。 ３．２．１．３浮筏式无损防撞设施 根据《公路桥涵设计规范》船撞力的计算公 式，利用动能缓冲的原理而发展出的采用高吸能 率的钢丝绳做成的柔性防撞圈所组成的柔性防撞 结构，在船舶撞上初始便会后退，使船舶沿防撞结 构的接触点滑动而不会卡住船头，使相撞能大部 分保留在船上，防撞设施被撞后能迅速恢复，多次 使用不需修理，实现桥梁、船舶及防撞设施三不 坏。 ３－２．２直接构造抗压变形型 这种形式的防撞设施有缓冲体方式、固定或 浮式套箱防撞设施等。这些都是在防撞构件的塑 性变形范围内，通过其塑性变形吸收船舶的冲撞 能量。 ３＿２．２．１ 缓冲体防撞设施 缓冲体的变形即破坏性要考虑弯曲变形和抗 压变形。一般是利用前者的变形制作梁构造的缓 冲体，利用后者的变形制作成多孔构造、栅架构 造、空心管构造的缓冲体。梁构造由于类似于安装 在道路上的隔离栏栅，因此，它比其他构造要简单 和吸收能量小；并且随冲撞方向的不同，其性能也 会有较大改变。该形式的装置要求安装在距桥墩 有足够距离的地方，在安装的同时要解决该装置 支撑点的构造等问题。多孔构造是通过板的抗压 变形吸收能量。其优点是即使冲撞方向变化，其能 量吸收性能也不会发生大的变化。缺点是制作时 间长，因其为薄板构造，易被腐蚀。空心管构造是 将各种形状空心管排列成蜂窝状安装在桥墩周 围。 ３－２．２．２浮式消能防撞设施 ， 在主墩周围安装套箱或浮箱，利用钢结构和 橡胶进行消能。设施主要由钢结构及橡胶件组成， 浮式消能防撞设施可在浮力作用下，沿桥墩上下 移动，钢结构的主体由甲板、平台、底板、纵横舱 壁、内围壁、外围壁等组成。由内外围壁形成多个 水密舱室，可作为压载水舱，内围壁上设置的橡胶 件可改善防撞设施与桥墩承台的接触性能。其特 点是： （１）对桥墩外形光滑度、几何尺寸误差要求较 高。 （２）能适应水位变化，保护桥墩的范围较大。 （３）潮水涨落过程中，设施与承台接触部位容 易磨损，维护量大。 （４）在水位较低时，浮箱在承台上搁浅，承台 需承受额外的压力。 因此采用该种防撞设施对桥墩外形，承台高 度都有要求。 ３＿２＿２．３固定套箱消能防撞设施 防撞设施安装在承台上，由桥墩承台支承，不 随水位变化移动，防撞设施主要由钢板和型材，以 及橡胶件制成，对钢结构进行防腐处理。钢结构主 体由板架和栅架结构组成。内围壁上设置的橡胶 件可改善防撞设计与桥墩承台的接触性能。在考 虑船体破损、防撞设施穿透情况下，船体不触及桥 墩。该设施有如下特点： （１）为了安装防撞设施，需要在承台周围安装 预埋件。 （２）为了适应水位变化，保护桥墩，需要加大 套箱高度。 ３＿２＿３直接构造变位型 直接构造变位型是利用摩擦阻力或重力产生 复原力的方式，也可同时借助流体效应，靠防撞装 置周围水的运动来吸收撞击能量。在此着重介绍 重力式防撞设施。重力式防撞设施是由重物及其 支撑结构组成的一种防撞设计，通过重物的移动， 将船舶的撞击能量转化为重物的势能、重物周围 的水动能。此种防撞设施规模较大，宜设在较开阔 的水域，可以抵抗中型船舶的撞击，但是该设施需 要重物的支撑结构，体积较大，建造费用高昂，维 修养护有一定的困难，一旦受到撞击损坏，其修复 工作常需要重型起重设备，操作相当复杂。此外， 结构的悬挂体系不仅有机械的磨耗，而且还受到 水的侵蚀的影响；如果在大风大浪中，则重力摆的 振颤也可能使支承结构的悬挂系发生故障。此种 设施现在已不常用。 ３＿２＿４间接构造弹性变形型 间接构造弹性变形型主要有护墩桩和防撞墩 这两种方式。该种类型的防撞设施均不与桥墩接 触，其特点是利用其弹性变形吸收船舶的冲撞能 量，但是其吸收能力较差，可利用其改变船舶的冲 撞角度或冲撞速度，以缓解对桥墩的冲撞。 ３．２．４．１ 集群桩防撞设施 集群式护墩桩由斜桩或竖直桩组成，桩的顶 部用缓冲梁互相联接。主要通过群桩联合变形而 缓冲消能。根据桥址条件、冲击荷载和经济等情 况，可以采用木桩、钢桩或混凝土桩，桩径可根据 撞击力的大小而选择，整个防护系统可根据需要 沿顺桥方向或横桥向延伸，布设非常方便，同时受 到撞击破坏的只是少数单元，有利于撤换和修复。 但该防护法也有一些缺点：（１）对高能量碰撞无 ９２ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１４年１２月第ｌ２期 效；（２）构建成本相对昂贵；（３）仅在中等水深（如 ｌ２～１５ ｍ）中有效；（４）在重大碰撞事件后进行修 复的成本相对较高。 ３．２．４．２防撞墩防撞设施 （１）防撞墩： 防撞墩可以独立于墩身布置，一般设置在桥 墩的上游和下游位置；也可以附着于承台上，与承 台共同承担船撞力。桩可以采用木桩、混凝土桩、 钢管桩等。桩顶通过钢筋混凝土结构连接，共同抵 抗船舶撞击。钢筋混凝土外围一般安装原木或橡 胶缓冲设施，用于抵抗小型船舶或漂流物的撞击， 避免与钢壳船体发生摩擦。按照刚度来划分，防撞 墩可以分为柔性和刚性两种。柔性防撞墩一般采 用钢管桩或钢管混凝土桩，这种防撞设施会发生 较大的变形，对船只的破坏较小。刚性防撞墩一般 采用预应力混凝土桩或钻孔灌注桩，主要靠船首 变形吸收撞击能量。 （２）防撞墩的优点有： ａ．能抵挡较大的撞击能量； ｂ．可以与主墩承台选用一样的桩基形式，减 少了施工难度； ｃ．耐久性好，基本不需要进行维护； ｄ．承台若做成流线型，能够拨转船头，这样船 舶的动能大部分还保留在船上，不用参与交换； （３）防撞墩的缺点是： ａ．对船舶的损伤程度较大； ｂ．构建成本较昂贵，，要完全抵挡船舶的撞 击，则规模一般与主墩承台相当： ｃ．仅在中等水深条件下（１２ ｍ～１５ ｍ）适用； ｄ．河床冲刷对其防撞性能影响较大。 ３＿２＿５间接构造抗压变形型 这种方式不论船舶从哪个方向冲撞，即使是 大规模的冲撞也具有很好的防撞效果。但是，这种 方式也存在占水域范围大、随水深度加大防撞设 施规模和造价急剧增大等缺点。其种类主要有围 堰防撞方式和人工岛方式（防护岛方式）等。 ３＿２＿５。１ 围堰防撞设施 薄壳筑砂围堰外壳一般采用圆柱形结构，内 部用混凝土或松散的材料填充。根据外壳的不同 可分为刚性薄壳结构和柔性薄壳结构。刚性薄壳 结构外壳一般采用类似双壁钢围堰的结构，两壁 内填充混凝土。这种结构由于刚度较大，主要靠船 舶的变形来吸收撞击能量。柔性薄壳结构常用钢 板桩构成，也可以用钢筋混凝土薄板桩构成。它与 刚性薄壳结构的最大不同之处，在于壳体不是一 个整体，而是由平板形的薄板桩沿着薄体的圆周 打人河床基底而组成。因而受力机理也有所不同， 当受到船舶撞击时，由于撞击力的作用，锚固在河 底的钢板桩（或钢筋混凝土板桩）被拔出，内部的填 充材料外溢，船体与高摩阻的填充材料充分摩擦， 从而达到大量吸收能量的目的。 ３＿２＿５．２人工岛防撞设施 人工岛能向桥梁提供良好的防撞能力，一般 与桥墩基础一起建造，在坚实的岩石上可由砂、石 块砌筑而成，顶部一般在水面以下，有很平缓的斜 坡，船舶撞击时，可以使船舶搁浅。它施工简便，造 价较低，几乎不用维修，撞击后的修复也很简便， 特别使用于大型船舶的高能量碰撞。但人工岛由 于多采用自然边坡，占用航道位置较多，会压缩过 水断面，增加流速，加剧河床的冲刷，在地质条件 较差的桥位不宜采用。为了补偿由人工岛所造成 的流动阻塞，必须通过疏浚而扩大水流横截面，比 较经济的作法是采用疏浚所得沙土用以构建人工 岛，从而使疏浚工程于构造防船撞工程互补。 ３＿２＿６间接构造变位型 该种方式有浮体系泊索方式，它是将浮体和 链条或钢丝绳、铰链相互连接而成。这种方式是通 过浮体之间张紧的绳和链条挡拉住冲撞船只。冲 撞能量的吸收原理是利用浮体从平衡状态到被拉 动所产生的还原力、在海底面沉降移动时产生的 摩擦力、系泊索的弹力和变形力等等。 这种方式的防撞设施优点在于：（１）能吸收很 大的动能；（２）船只损伤有限，或许极小；（３）该系 统能在深水，甚至很深的水中予以安装和工作。其 主要缺点是：（１）船首如果比较尖锐，则水中部分 缆索易被切断；（２）它在桥墩周围占用空间相当 大；（３）它在水域中要频繁经受风暴和浮冰，从而 使其耐久性成问题；（４）在重大碰撞事件后的修复 成本可能较高。 目前在对国内中等桥梁进行防撞设计时，讨 论比较多的主要有钢结构、独立防撞墩和群桩方 式。表２是对不同防撞方案特性的比较。从表２可 以看出，相对于其他防撞设施，钢结构防撞装置在 防撞范围、对航道的影响程度、减小船舶损伤程 度、造价及撞损后的修复费用等方面都具有较为 明显的优势。此外，钢结构防撞装置还可与施工钢 套箱共用一部分费用，因此钢结构防撞设施是目 前我国使用最多的一种防撞设计方案。 ４结语 （１）规范化的桥梁防撞研究在我国刚刚处于 起步阶段，但不断发生的船撞桥事故却使这一课 ２０１４年１２月第１２期 表２不同防撞设施特性的比较表 城市道桥与防洪 桥梁结构９３ 兴技术和新型材料为视角，其中以力学视角的研 究成果居多，很少关注桥梁主动防撞技术的研究， 没有考虑到交通工程、信息技术和管理学在解决 船撞桥梁这个世界性难题中可能起到的重大作 用，因此需要我国桥梁工作者在主动防撞技术上 作进一步深入研究。 （３）通过对以往的桥梁发生船撞事故原因的 分析可以发现，人为因素是造成桥梁船撞事故的 主要因素，迫切需要采取有效的措施减少人为失 误，以减少船撞事故。 参考文献 ［１】杨斌，李海林．从广东“６．１５”事故中谈谈如何避免驾驶员的失 误行为［Ｊ】．武汉航海，２００７，（３）：１１－１３． 【２］杨渡军．桥梁的防撞保护系统及其设计【Ｍ】．北京：人民交通出版 社，１９９０． 【３】潘放．通航桥梁船撞风险分析与规避措施研究与应用［Ｄ］．华南 理工大学，２０１０． 【４】岩井聪．关于船舶对桥梁的安全设施【Ｊ］．中国航海，１９８６，（２）： 题研究越来越具有必要性和紧迫性。目前，建立统 一１５３－１６４． 【５］陈国虞．桥梁的船撞力计算及柔性防撞装置设计综述【Ａ】．中国 钢结构协会海洋钢结构分会论文集【ｃ］．２ｏ０２：８０—１ １２． 的适用于实际的船桥碰撞规范研究是这一领域 有待完善和今后发展的重点。 （２）有关资料显示国内桥梁防撞技术的研究 以被动防撞技术为主，主要以力学、概率统计、新 ［６】曾克俭．桥墩防撞设施研究及其应用综述【ＪＪ＿中南公路工程， １９９６，（２１）：４０－４４． 【７］孙振．桥梁防船撞设施的比较研究［０１．上海：同济大学，２０ｏ７． 青岛润邦防水建材有限公司研制成功新型 混凝土路面桥梁涂装材料 日前，由青岛润邦防水建材有限公司与青岛市硅氧烷专家工作站共同研制开发的ＳＨＪＳ聚碳硅氧烷 涂装材料已申请国家发明专利。 该涂料是用聚酯脂、氟碳、环氧树脂、硅烷等４种高分子树脂材料通过改性、复合制成的单组份，集防 腐、防水、抗冻融、施工便捷等功能于一体的功能性涂装材料。其发挥了传统的涂装材料的优点，克服了原 涂装材料的不足，现已申请国家发明专利，并已被授理。 通过调配不同的粉料、颜料涂刷到桥梁桥体及路面上，可创造出装饰性立体造型效果。ＳＨＪＳ高分子聚 碳硅氧烷涂装材料可使混凝土路面、桥体具有赏心悦目的色彩，既保护了面层又使传统的路面混凝土面 层、桥梁混凝土面层光彩亮丽。可减少道路的辐射热，降低都市热岛效应，提高路、桥面层的抗老化性，有 效节约能源。 该产品可广泛用于城市、路面、桥梁、人行道、自行车道、文化场馆、跑道、操场、园内道路、景观游园、 体育会所、养老院、幼儿园、医院等场所。