明栋桥梁防船撞设施的类型及合理选择20111022.ppt

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1、桥梁防船撞设施的类型 及合理选择,陈国虞 陈明栋,主 要 内 容,1 前言 2 桥梁防撞设施的分类 3 主动防撞设施类型及比较 4 被动防撞设施类型及比较 5 成果指标,1 前 言,现代桥梁设计中，往往需要设计人根据桥梁防船撞方案的性能、特点，选择适合的防船撞设施，并进行配套设计。 但是，我国目前在该领域尚无正式颁布的标准和规范，加之防撞理念及方法也没有形成较为成熟的主流方向，所以很多专家在这个领域进行广泛的研究和探索，目的是有效保护：桥梁、船舶及环境。,2 防撞装置分类,桥梁防船撞设施种类较多，根据其性能、特点进行分类，以便合理选择。（至关重要）。 桥梁防船撞的设施，可以分为被动防撞设施和主

2、动防撞设施两大类。被动防撞设施内分为间接构造和直接构造两类。本文将主动防撞设施分为6种，被动防撞设施分12种（其中，间接构造分5种，直接构造分7种。在设置条件、防撞效果和建设成本等方面加以论述，供设计人员参考。,主动防撞设施: 航标、桥涵标及相关警示标志、导航系统等引导船舶沿正确航道行驶的设施。 如：航道两岸红白相间的侧面标志（浮标、岸标），航标灯、雾天黄灯、雷达靶和闪灯系统；高频甚高频电话声讯警报系统 ，GPS卫星导航区域系统 ，激光（或红外）测距仪航向、航距预报系统 ，船舶航行服务系统（VTS）等。,3 主动防撞设施类型及比较,3.1 主动防撞设施类型侧面标（设置于航道侧面的航标）,浮 标

3、,岸 标,广义地说，在桥梁前后，凡是帮助船舶在正确的航道中行驶的航标， 都起到防止船舶撞击桥梁的作用。,按照交通部规定航线两侧的桥墩、梁的下弦和梁底标高，均应按JT376-1998内河通航水域桥梁警示标志标准22的规定，涂上红白斜道标志和绿字标高。（不同水位的实时标高）,a、桥墩（分道航行标志）,b、 桥梁下弦,c、 梁底标高 （不同水位的实时标高）,3.2 主动防撞设施类型警示标志,建议仿航空母舰降落的对中黄灯和闪红灯系统,3.3 主动防撞设施类型闪灯,广州铁路珠江桥西桥的48盏雾天黄灯,3.4 主动防撞设施类型雾天黄灯,湛江海湾大桥的雷达靶（正中）,3.5 主动防撞设施类型雷达靶,高频、甚

4、高频电话声讯警报系统 这种系统的原理是在桥梁上安装发射器，当船舶靠近桥梁时，驾驶员手中的接收器就会接收到相关的提示信息。 此类系统在上海已有一个2010年开始应用的机型23，为上海市地方海事局与新阳升电器公司联合推出的：“船载桥梁报警综合助航仪”。已经推广到250艘海事巡逻艇、底泥疏浚运输船和垃圾运输船。其原理为GPS导航，内置从长江口到上海内河全部航道的电子地图，船上GPS接收机具有一般导航功能，如航线、航点、航迹等。内置航区桥梁信息，遇桥梁的预警距离为350m，甚高频电话语音提示：“前面有桥梁，请注意安全”，屏幕上同时显示桥梁名称。根据航道设置限速，超速报警。附带显示上海各内河取水口，提醒

5、船舶保护水源清洁。并备有专门接口，可连接“船舶自动识别系统”用于航行船舶之间相互识别与避碰。,3.6 主动防撞设施类型通讯报警系统,GPS卫星导航区域系统,3.7 主动防撞设施类型GPS卫星导航区域系统,激光（或红外）测距仪航向、行距预报系统 一种由宁波大学请广州大学为平潭航道研制的“近桥航道安全预报系统”，它可在船舶偏离航道、与桥墩碰撞的可能性增加到一定程度时就发出预警警报，以防止碰撞。 系统在每个通航孔配备3台远红外成像仪，传到后台拼成完整水域图像，桥梁正中下弦装设标靶（520mm520mm），桥墩最大水位上一点，装设微动测量仪，安全水域如图中已拼好的单幅画面显示的三角形区域，船舶偏离此区

6、域即发出警示，请其转向中间，对准桥孔通过。,3.8 主动防撞设施类型激光预警系统,激光（或红外）测距仪航向、行距预报系统,a 近桥航道安全预警系统,b 航道水域图像监视船舶航近桥梁,3.8 主动防撞设施类型激光预警系统,船舶航行服务系统（VTS） 船舶航行服务系统的基本原理是在岸上建立基站，通过雷达对重点水域的所有目标实施监控，从而达到监控管理的目的。 主要功能有：数据收集、数据评估、信息服务、助航服务、交通组织服务、支持联合行动等。,3.9 主动防撞设施类型VTS监控系统,船舶航行服务系统（VTS）,3.10 主动防撞设施类型通航专题研究,发生船撞桥的主要原因是在航道中设置桥梁，所以主动防撞

7、还有一个重要内容是建桥前的通航专题研究，其目的是从桥梁选址、桥孔布设以及桥墩墩位的布置等视角出发，去减小建桥对水道演变的影响、对航道尺度的影响以及、对通航水流条件的影响。 从减小因建桥影响及由此诱发的碍航因素，去避免船撞桥的几率，从根本上、长远地达到“桥梁防船撞”的目的。,4 被动防撞设施类型及比较,被动防撞设施 是因为上述主动防撞方法不能保障桥梁百分之一百的安全，因为船撞上桥梁绝大多数是意外（暴风、大雾、驾驶员过度疲劳和突发疾病以及桥灯熄灭-等）。这时增加防护设施，以求在万一撞上时也能避免或减少 （小概率情况下）事故造成的损失。 就是在万一撞上时，也能化险为夷地保护桥梁、船舶和环境。 被动防

8、撞设施内，又分为间接构造和直接构造两大类： （1）间接构造：船撞力不传递到桥墩的防护方法； （2）直接构造：桥墩承受设计预定的船撞力。,4.1 被动防撞设施类型及比较间接构造,间接构造是在桥墩以外设置的一道防撞安全屏障。常见的间接构造有：墩外墩 、 刚性人工岛、 薄壳充沙石围堰、 防撞桩群 、漂浮拦网防撞系统等。 优点：“御敌于国门之外”桥墩不受船撞力； 缺点：需要自身结构足够强大、投入的设施费用较高、对河流环境有影响。已建成的间接构造防撞设施多数仅能保护桥梁，不能保护船和环境。,基本原理： 船在撞向桥墩时，先撞到墩外设施，吸收船舶的一部分或全部动能。 设置要求： 墩前水深不能太大，否则对防撞

9、效果及造价影响大。 现有设施的情况： 墩全部吸收船舶撞击动能，船舶停住； 墩吸收部分动能，船舶减速或转向； 墩保护角不足以保护桥墩，船旁边撞塌桥墩； 墩强度过小 ，船继续撞向前，撞坏桥梁 。,成功,失败,4.1.1 间接构造墩外墩,4.1.1 间接构造墩外墩,b，加高8个墩外墩并分道行驶，大船单行走中孔,a，塘栖广济桥设置的8个墩外墩,4.1.1 间接构造墩外墩,理想的墩外墩 ： 理想的墩外墩应在其外面设置一些柔性装置，在保护桥梁安全的同时也可保护船和环境。,理想的墩外防撞墩的平面（示意）图,4.1.1 间接构造墩外墩,海豚式墩外防撞墩（美国） ：,阳光大桥海豚式防撞墩平面布置图,阳光大桥海豚

10、式防撞墩立面图,在桥墩的航道两向各设置一个或多个海豚式防撞墩。 主墩之前后均只放一个防撞墩的原因是因为主墩已有人工岛保护，此防撞墩起一个导向作用，使船头撞此墩后冲上人工岛两个侧斜面，而不从人工岛的短边冲滩撞击桥墩。,4.1.2 间接构造刚性人工岛,刚性人工岛是用砂石在桥墩周围填筑成人工岛。 优点：有效保护桥墩，多用于有礁石或浅滩的地方。 缺点：撞击后船舶损失大，如产生泄漏，造成水域 污染；人工岛的填筑可能改变河底或海底构 造；较多占据航道，缩小通航水域。 例一：香港汀九大桥在航道当中的天然礁石上筑岛,法国 凡尔东（Verdon）桥 刚性人工岛 （100mx249m）,4.1.2 间接构造刚性人

11、工岛,4.1.3 间接构造围堰,4.1.3 充沙石的薄壳围堰 用板桩围成围堰，打入河底或海底，在围堰内充填砂和碎石，受船撞力时，围壁在河床面标高附近处形成塑性铰。顶部通常用混凝土做成盖帽，以便所有的板桩共同受力，盖帽的外面设木栅护舷。,4.1.3 间接构造围堰,纽约外通道桥拦船墩被撞变形图,尼泰罗依河薄壳充沙石围堰防撞系统,4.1.3 间接构造围堰,伊利诺伊河桥防撞围堰布置图,南京长江大桥1号墩沉井防撞示意图,胶囊沙袋作的墩外防撞墩,4.1.4 间接构造防撞桩群,4、防撞桩群： 在桥墩附近设置一些刚性桩，并通过防撞横梁连接起来保护桥墩的一种方法。,第二霍巴特桥的集群式护墩桩,挪威特朗索桥的桩群

12、,湛江海湾大桥 原设计的防撞桩群方案,4.1.4 间接构造防撞桩群,4.1.5 漂浮拦网防撞系统 漂浮拦网防撞系统的设计原理有几种，一种是利用粗的钢丝绳或尼龙绳网吸收全部动能，使船从动到停止；第二种是拖着金属块或混凝土锚块在海床上“犁地”或拉动预置的耗能器（如钢筒中的连杆），消耗掉船的动能使船停下来；还有一种是浮链形成三角形区域将船拨开，保护桥墩或平台。,4.1.5 间接构造漂浮篮网,4.1.5 间接构造漂浮篮网,钢丝绳变形耗能使船停下来,尼龙缆绳变形耗能使船停下来,4.1.5 间接构造漂浮篮网,滑动锚与浮筒拦阻系统,塔兰托桥漂浮拦船系统,日本明仁海峡中 浮链阻拦船舶保护桥墩或平台,顶视图,侧

13、视图,4.2 被动防撞设施类型：直接构造,直接构造也称“缓冲设施”，主要通过设置在桥墩外的装置保护桥墩，共同承受船舶的撞击，同时消减船撞力（降低到桥墩能够承受的大小），桥墩自身的水平抗力得到利用。 这种防撞设施不需要象间接构造那样建设大范围防护工程，因而可节省投资。特别是在水位变幅大的河流中，所建造的浮式直接构造防撞装置，能较好适应航道条件的变化，在各种水位期均达到对桥梁的保护。,4.2.1 直接构造利用桥墩具有的抗力防护,4.2.1 桥墩尖端斜面分力防撞 桥墩头部设置尖头造型，两斜面的夹角一般应小于90 ，即设计成：75、60 、45 等 。小角度设施优点是，除减小撞力外，能较好改变船舶方向

14、，反之效果较差。但是小角度防撞装置尖端外伸较多，建造工程结构不太方便。 （我们最近几年设计的钢质防撞钢围多为75 ） 原理：当船头撞向斜面，撞击点处产生的反力，可分成两个分力，一个分力垂直于斜面将船头推开；另一个分力平行于斜面，使船继续前进，以达到对桥墩的保护。,4.2.1 直接构造墩前防护,贵州镇远祝圣桥上游侧,贵州镇远祝圣桥下游侧,4.2.1 直接构造墩前防护,浙江武义熟溪桥（16m10孔）正面,浙江武义熟溪桥桥墩（很尖）,4.2.2 直接构造木质护舷,4.2.2 木质护舷防撞装置 木材的刚性较小，按照冲击动力学的原理，相撞系统刚性小，撞击过程时间会延长，撞击力也就小。木材作为防撞护舷，介

15、于船头和桥墩中间，相撞系统的刚性下降，撞击力就下降了。,4.2.2 直接构造木质护舷,我国河网地区小桥的木质护舷,美国新泽西州约翰比里船长桥的木质护舷,欧洲集层原木式护舷,4.2.3 直接构造重力摆,4.2.3 重力摆式防护系统 原理：船撞击后以悬挂擺的吊绳为半径，以悬挂点为中心摆动引致摆的重心提高，动能变位能，船停止后位能变回动能，将船推回去。 缺点：允许摆动的位置很小，摆重与船重的比例也不大，位能很小 ；体积大，建造费用高；维修保养困难，操作复杂；在风浪中活动部分有磨耗；潮汐带腐蚀严重；风浪大时还有震颤（还要预防共振）。,4.2.3 直接构造重力摆,平板重力摆,置于圆桥墩周围的分片摆,4.

16、2.4 直接构造橡胶碰垫,4.2.4 A型、鼓形、管形橡胶碰垫和 圆柱形、球形充气碰垫 原理：力在橡胶中传递比在钢中传递较慢，因而能够延长撞击过程时间，从而降低系统的撞击力。,例一：美国加州交通运输部利用A型碰垫的防撞承台,日本岩黑岛桥2P号桥墩的鼓形碰垫2,例二,例三 ：球形和圆柱形橡胶碰垫,4.2.4 直接构造橡胶碰垫,轮渡码头用防撞柱分开成两个船位,北欧使用的球形防撞垫,4.2.5 直接构造气囊、液囊,4.2.5 气囊、液囊防撞 气态、液态通过小孔，能够消耗能量，根据这个原理做成的防撞装置设计已广为人知。小孔消能需要时间。气体是可以压缩的，因此在突然受冲击载荷而受压时，除气囊外壳膨胀外，

17、气体本身压缩也是一种缓冲；液压囊少了第二种缓冲，如过小孔及胶橡囊外壳膨胀来不及，外壳会爆裂。若液流孔设计大了则消能少，液流孔小了会炸裂。,4.2.5 直接构造气囊、液囊,日横滨公司有心层的橡胶气囊,（原）武汉水利水电大学液囊示意,4.2.6 直接构造弹塑性耗能防撞装置,4.2.6 弹塑性（包括浮式）耗能式防撞装置 原理：利用钢构件弹塑性耗能的防撞装置的特点，是以防撞装置在塑性变形时消耗大量的功，能使运动的船停止。 缺点：首先是撞击发生后产生塑性变形凹陷处会镶住船头，这样防撞装置就必须吸收船的全部的动能，要达到这个目的钢构件通常较大；其次，塑性变形不可恢复，就出现被撞一次修一次的问题，无论大撞小

18、撞都得修。,4.2.6 直接构造弹塑性耗能防撞装置,黄石长江公路桥浮式弹塑性耗能防撞装置？,在船厂制造安装,划分500单元计算,下水后拖向桥墩,安装完毕,4.2.7 直接构造粘滞性耗能防撞装置,4.2.7 粘滞性（包括浮式）耗能式防撞装置 原理:在选取较小的迎撞角基础上，采用浮式装置以多个粘滞性防撞元件和两层钢围组成柔性防撞结构，达到柔性防撞结构整体作用，消减船舶的撞击力。 粘滞性耗能式防撞装置在前面几种防撞装置的基础上有所继承也有所发展。获得了: 复合消能防撞圈 ZL200520042237.2 长圈型防撞钢围 ZL200520042238.7 两项国家专利授权14，15。,4.2.7 直接

19、构造粘滞性耗能防撞装置,湛江海湾大桥浮式粘滞性防撞装置 ：,湛江海湾大桥50000dwt船防撞装置,粘滞性防撞装置局部图,船桥相撞关系模拟图,模拟计算13万单元的船头部分,4.2.7 直接构造粘滞性耗能防撞装置,柔性防撞装置的基本设计原理： 主要构件：外钢围、防撞圈、内钢围,外钢围需要有足够的刚度,以实现整体位移，但本身变形很小。,4.2.7 直接构造粘滞性耗能防撞装置,外钢围在迎撞方向上做成一定角度的尖形,4.2.7 直接构造粘滞性耗能防撞装置,1 外钢围尖头的外形，可使遭受船舶撞击瞬间产生缓冲和转整体位移，过程中延长撞击时间、改变撞击方向，同时利用水流的升力作用，将船舶推离桥墩，并沿防撞装

20、置外侧滑走。从而带走船舶大部分动能，大大降低了船桥撞击过程中的能量交换。 2 柔性装置内、外钢围共同作用，使得船撞桥产生的冲击波不直接传到桥墩，而是经过柔性防撞圈消耗后传到桥墩。柔性耗能部件起到隔阻强冲击波、减少撞击力、延长低载荷下撞击过程时间、吸收撞击能的多种效果。 3 船撞力的大幅衰减，推出有效保护桥梁安全，又能同时保护船舶和环境（或大大降低船舶损坏）的设计理念。 4 用钢量大幅降低，可降低防撞设施造价及维护费用。,4.2.7 直接构造粘滞性耗能防撞装置,几大特点：,4.2.7 直接构造视频,演示视频1 演示视频2 演示视频3,4.2.7 直接构造粘滞性耗能防撞装置指标,成果指标： （1）在原防撞理念基础上，达到桥梁和船舶的共同保护； （2）船撞力降低5060%; （3）建造费用与弹塑性结构相比较，节省50%左右（或以上）； 湛江海湾大桥防御50000dwt船撞击桥墩的装置建成之后，经中国桥协主席主持的鉴定委员会鉴定，评为世界首创。 （4）2011年9月，宁波象山北敦港实船撞击试验测定，验证了该装置的可靠性及有效性（也验证了计算软件）。,谢 谢！ 欢迎批评，讨论。,