桥墩防撞设施的研究与评价.ppt

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1、桥墩防撞设施的研究与评价,水 利 工 程 专 题 指导教师：赵 利 平 主 讲 人：赵 娣,目 录 选题的意义与背景 国内外研究现状及评述 桥墩防撞设施的分类及评述 结论与展望,1. 选题的意义与背景,交通是国民经济的大动脉，其中陆运和水运占举足轻重的地位，而两者都离不开桥梁。江河湖海是船只的航行通道，但对陆上交通则是天然障碍，于是促进了桥梁的建设；桥梁是行人车辆跨越水流的通道，但对船只航行则是人工障碍。于是，船和桥梁相撞的事故不断发生。在我国，一方面航运繁忙的河流上己修建了大量的桥梁，并计划修建更多桥梁。另一方面，通航密度的增加、船舶的尺寸和排水量趋于大型化。加之桥区环境的改变，如流速、风速

2、、弯道、冲刷、淤积、潮位等，也会影响着船舶的正常航行，导致船撞桥墩事故的发生难以完全避免。 船撞桥事故的日益增多对桥梁防船撞研究提出了新的迫切要求。,国际桥梁与结构工程协会曾经记录了1960年至1993年国际上发生的29起船舶碰撞桥梁的重大的事故。其中，美国从90年代到2002年，有四座特大桥被船撞毁，死亡203人。如：2002年5月26日，美国俄克拉荷马州阿肯色河上，一艘拖轮顶着两艘运油的空驳船撞上一座有20年历史的公路桥的一个桥墩，造成公路桥坍塌，至少有17辆汽车从20m高空坠入河中，死亡17人。,美国俄克拉荷马州阿肯色河上一桥梁被撞图,黄石长江大桥在3年时间内共发生碰撞桥墩事故20多起，

3、其中一次船毁人伤，货物沉没，桥墩受损，直接经济损失上千万元。这些后果对桥梁的寿命和安全运输造成了极大的损害。 2006年7月6日，京杭运河老德胜桥被一艘船撞击后拱肋严重受损。有关部门不得不紧急封桥，大修一个月后才恢复通行。 2007年6月15日，广东佛山九江大桥被一艘运沙船撞击桥墩，造成大桥南岸200米桥面坍塌，4辆汽车坠入江中，7名司乘人员以及2名桥面巡桥工人失踪。,在我国，仅武汉长江大桥，自1958年建成到2012年共被撞70余次，其中除3次因桥梁的高度小于船舶的高度而撞到钢梁外，其余均撞在桥墩上。最近一次撞击发生在2011年6月6日，一艘万吨级油轮撞上武汉长江大桥7号桥墩，这是10余年来

4、，长江大桥发生的最大一起桥墩遭撞击事件。,武汉长江大桥摄影图,武汉长江大桥7号桥墩被撞,图为：撞上桥墩的空驳船受损严重,图为：广东佛山九江大桥被撞,桥梁被撞引发的经济损失,撞击事件中，煤粒的泄漏、石油的泄漏会引发水体污染，水生植物、动物死亡以及长期生态污染。 综上所述，从安全上、经济上以及环境保护上来看，船桥碰撞及桥墩防撞设施研究具有极大的现实意义。,2. 国内外研究现状及评述,研究内容归纳为：对防撞概率进行研究、通过数值模拟防撞力的计算问题、对防撞装置碰撞分析、有限元仿真分析研究航船的碰撞动能转化等。研究方法归纳为：实验研究法；简化解析法；经验公式法；数值模拟法；计算机仿真技术在其中的应用；

5、非线性有限单元法。 2.1 国外的研究现状： 在日本、丹麦、美国、意大利和德国等一些发达国家，十九世纪六七十年代就对桥区通航环境与安全进行了研究，并做过一些碰撞模拟试验和调查研究。,到目前为止，大多数的研究工作是从桥梁的角度出发，将船舶撞击力作为桥梁可能承受的一种外载荷来研究：研究船对桥的撞击力、撞桥后桥体结构的动态响应问题、从交通工程角度出发研究船撞桥的概率问题。当然也有从船舶角度出发研究撞桥后的船体结构响应问题及防撞设施的研究。 近年来，国外一些研究人员开始对限制水域的通航问题利用CFD或EFD的方法着手进行研究，取得了很大的进展，尤其是欧共体项目的开展，促进了整个通航环境与安全领域学术水

6、平的整体提高。流固耦合理论的应用为桥区通航环境与安全问题提供更大的研究空间。新的研究集中在改进防撞体的结构形式和选取新型材料、动态模拟防撞设施的吸能和消能效果。这些研究为合理选用和设计防撞设施提供了丰富的理论基础。,2.2 国内的研究现状 杨柯、潘杰针对株洲红港大桥桥墩的特点，对桥墩防撞设施进行了设计，同时通过ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真计算，研究了桥墩和防撞设施的防撞性能，验证了所设计的防撞设施的可行性。 肖荣清、陈楚珍等通过模型试验, 验证了“液体稳压柔性消能”桥墩防撞设施方案设计的正确性、合理性和可行性，揭示了船舶碰撞桥墩时各部分的受力大小及其分布规律，从而为

7、技术设计和施工设计提供了可靠依据。并得出此液体稳压柔性消能方案合理，设计计算、分析与试验测试结果基本一致，满足船桥相撞后,桥墩不会受破坏，船舶也不会有大的损伤，防撞设施能自行恢复正常工作状态且安装、维护、检修方便简单等设计要求的结论。,泉州市公路局与福州大学土木建筑工程学院专家研究，采用大型空间有限元防真分析和缩尺模型试验，对大桥防撞岛在船撞力作用下的力学行为以及防撞岛的实际船撞力进行研究。 陈国虞对防撞设施的选择（包括防撞设施的种类、选择的原则、综合要求及桥墩防撞的工作程序）进行了探讨和总结： 陈炜、肖波等针对武汉天兴洲公铁两用长江大桥1号墩防撞设计与分析。提出适合该桥梁防撞要求的等截面桥墩

8、防撞设施，并采用有限元方法对船与该防撞装置的碰撞过程进行了模拟，得出了桥梁设计所关心的技术指标，满足了设计要求。 有关工程指挥部总结出杭州湾跨海大桥防撞四大原因，以为其他大桥的防撞提供参考：大桥桥形为S形，能与杭州湾的不同水流构成垂直，这样，航船穿过大桥的航道时就不会因水流的流向而撞上桥墩；在大桥的南北航道桥墩上安装防撞套箱；大桥外围设桥标、航标，引起过往船舶注意；大桥设AIS系统和VTS系统，利用无线电信息提醒过往船舶。,2.3 桥墩防撞设施的要求： 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、碰撞速度等因素进行。陈国虞5提出桥

9、墩的防撞设施应满足:(1)兼顾水运、桥梁和航道等几方面的利益；(2)满足通航要求；(3)能够适应水位变化的要求；(4)吸收能力大；(5)撞后恢复，能够多次使用；(6)安装运输方便；(7)不因防撞设施产生新的问题；(7)价格便宜。 2.4 桥墩防撞设施的分类： 有按照船舶冲撞能量的吸收方法分类：弹性变形型、抗压变形型和变位型。有也有按照设置场所分类的：直接构造（设施与桥墩相连安装）和间接构造（距离桥墩安装）。综上，目前国内外普遍选择的分类是由80年代日本的岩井聪的分类法:1) 直接构造：弹性变形型:护舷方式、绳索方式；压坏变形型:缓冲体方式；变位型:重力式。2) 间接结构:弹性变形型:桩方式；压

10、坏变形型:沉箱式、人工岛方式；变位形:浮体系泊缆方式。,2.5 桥墩防撞设施的评述： 防撞设施的类型有多种，但基本上是基于能量吸收和动量缓冲而设计。 2.5.1 直接构造弹性变形型缓冲材料方式 1）防撞原理 直接弹性变形型防撞设施依靠结构或材料的自身恢复弹性变形的能力转化并释放撞击能量，同时因使用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。 2）结构形式 缓冲材料结构方式很多，有橡胶或钢制作的圆型、弓型、槽型、空气型等异型构件和用木材制成的浮箱结构。 3）优缺点 优点：设置所需水域小；安装及维护管理较容易；对桥墩所处的地质条件要求不高。 缺点：吸能小。

11、,4）改善方法 我国已经研究出了一种能同时保护船和桥墩的吸能防撞器，且能重复使用，其结构是由内摩擦角较高的钢丝绳紧密堆垒压接而组合成的，吸能效率为60%，变形恢复80%。 2.5.2 直接构造抗压变形型缓冲体方式 1）防撞原理直接抗压变形型防撞设施的工作原理是靠设施的压屈、弯曲破坏来吸收冲撞能量。 2）结构形式设施多采用钢箱格的结构，一方面利用箱格板梁的塑性变形，大量吸收碰撞能量；另一方面利用箱格结构的刚度较实体结构为低，可减小冲击荷载。 3）优缺点 优点：对高能量的激烈碰撞能起到较好的防护作用； 缺点：装置随抵抗能量的增大，自身和船舶的损坏也越严重。顾永宁教授对箱式塑性防撞装置的撞击问题进行

12、了有限元数值模拟，得出直接抗压变形型防撞装置一般只保护桥梁而不保护船的结论。,4）改善方法 为了减少撞击中抗压变形型防撞设施和船舶的损坏，最近几年建成的大能量防撞设施大多采用抗压变形型防撞设施和直接弹性变形型防撞设施联合使用的形式。前者一般附着于桥墩作为后者的支撑，并阻止船舶对桥墩的深度破坏，后者主要用于改变船舶的撞击方向并降低船舶的撞击力来保护前者。如我国黄石长江大桥管理局设计的可随水位涨落而自由升降的柔性防撞护套。 2.5.3 直接构造变位型重力方式 该方式由重物及其支撑结构组成。其防护的主要机理是利用摩擦力或重力产生的复原力使重物来回移动，从而把船舶的撞击能量转化为重物的势能和重物周围水

13、的动能。该种设施规模大，冲撞时的反力大，宜设在较开阔的水域，可抵抗中型吨位船舶的撞击。由于直接构造变位型防撞设施需要重物的支撑，且维护管理较复杂，碰撞损坏后维修困难再加上造价较高，此种类设施不常用。,2.5.4 间接构造弹性变形型桩群方式 1）防撞原理利用桩群的联合弹性变形缓冲吸收船舶的冲撞能量，为适应高能量撞击防护的需要，在桩的顶部互相联接，以使整个防护系统共同变形来吸收船舶动能。另外，还可将更多的单桩合成一根桩，并将桩顶用横梁或锚链联系起来以便共同受力。 2）结构形式按照桩的材料使用方式，桩方式防撞装置可分为木桩群、钢桩和砼桩群等结构形式。 3）优缺点 优点：桩与桩的联合或与其它防护设施的

14、共同使用后，能抵抗比较大的船舶撞击；柔性好，对船舶与桥梁均有较好的保护；对设置水域大小要求不高，能满足各种水深及基础的需要。 缺点：能量吸收性通常不高，维修困难。,2.5.5 间接构造抗压变形型薄壳筑沙围堰和人工岛方式 该类装置主要有薄壳筑沙围堰和人工岛方式：其防护机理是靠材料的压缩、屈曲变形破坏来吸收撞击能量。 1）薄壳筑沙围堰 薄壳筑沙围堰是针对大型船舶碰撞而设计的，独立于墩身布置，受到船舶撞击时，在撞击力作用下，锚固在河底的钢板桩被拔出，围堰和船舶的构件屈曲变形、破裂和崩溃，围堰内部的填充材料充分摩擦并部分外泄，从而达到大量吸收撞击动能的目的。 2）刚性人工岛 刚性人工岛防护主要是靠在船

15、舶撞击到桥墩之前使其搁浅停止而对桥墩进行保护的。 3）优缺点 优点：对桥梁保护很好。 缺点：规模、质量大；对建造的水深和河床基础要求较高，所占航道多，压缩过水断面，增大流速，加剧河床冲刷；船舶和防撞设施破坏大；碰撞后维修工程大。,21,2.5.6 间接构造变位型浮体系泊方式 变位型装置一般是指浮体系泊方式，通常由浮体、钢丝绳、锚定物组成。 1）防护机理 装置利用重力或浮力的作用使浮体从平衡状态到被拉紧状态所产生的还原力、锚定物在冲撞力作用下沿海底移动产生的摩擦力以及钢丝绳的弹力和变形力做功来吸收船舶的撞击动能，降低船舶速度，直至被浮体之间的钢丝绳张紧拦住。 2）优缺点 优点：能抵挡船舶的高能量

16、撞击；设施造价较低；能布置在航道水很深的桥位处。 缺点：设施的设置水域一般要求很大；吨位小的船舶，船头的水下部分可能压迫并掠过拦截设施，继续向桥墩撞击；高速行驶的大型船舶，船首如果尖锐，可能会切断钢绳。 3）改善方法 鉴于钢丝绳容易腐蚀而需要定期维修，目前有人提出用尼龙绳作为锚缆，它抗拉强度高，弹性变形大，不易受海水腐蚀，能吸收大量撞击能量。,3. 结论与展望： 1) 中国规范将桥的船撞力处理为偶然荷载，将动力作用等效为一个水平静 力作用，使得设计船撞力值偏小。 2）防撞箱的破坏是局部的，造成了浪费，可探讨合理的防撞设施的结构形式，使得防撞结构能够同时参与能量的吸收。 3）针对非通航孔处的桥墩也应有防撞设施设计。 4）采用新型的防撞材料。例如：泡沫金属铝。 5）有必要对结构的耐撞性设计概念进行研究。 6）桥墩设计时，应避免方形。因其绕流较大，不利于船舶的操纵。 7）加强桥墩防撞智能系统的研究与开发。 8）研究结果未系统的纳入设计规范。尽管铁路桥涵设计规范与公路桥涵设计规范均列有船撞力计算的近似公式与相应等级船撞力的参数数值，但它仅适用内河航道，对跨海大桥船撞力的计算并不适用。希望经后能有针对跨海大桥船撞力的计算公式。,谢谢老师和同学们的批评与指正！ 2012.05.,