桥梁的防撞保护系统及其设计.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.桥梁的防撞保护系统及其设计杨渡军编译一、前言在港区及通航江河上建造桥梁 时,总会遇到各类船舶的航行问题。世界上许多国家的调查资料表 明,不论通航孔怎样布置,也不能绝对避免桥梁可能遭到船舶撞击的重大事故。随着各种类型船舶和驳船队的速度和尺寸的显著增大,现有的桥梁防撞保护系统已经不能抵抗船舶的猛烈撞击,未设保护系统的桥梁更是如此。据美国海岸警卫队的一项研究披露,在年至年这十年中,美国发生 的船舶撞击桥墩的次数比以前记载的总数还多二倍以上。仅年至年期间,就发生了十四起碰撞事件,直 接 损失万美元。但是,这仅仅反映了一部分危害较小的碰撞事件,而 这类事件几乎每天都在美国或其它国家发生。一般情况下,在大型船舶撞击桥墩时,桥梁不是被完全撞毁就是受到严重破坏,船舶亦遭到严重损坏并常因此而 沉没。这类重大 的事件近年来发生 得越来越频繁,仅以美国为例,典型 的倒塌事例就有了了年“号撞毁桥,年号撞 毁桥,年号撞毁等。在美国,约有一百座重要桥梁跨越港区和有大型船舶通航的江河。年至年十年中,共发生了十一起重大的船毁桥塌事件。每次事件发生后,都使这些交通干线停止通行,重建费用超过了一亿美元。值得 注意的是,上述桥梁的结构和通航净空都是符参见本刊年第期合美国各州公路和 运输工作 者 协 会规范或美国铁路工程联 合会规范的。由此 可见,船舶撞击桥梁已上升为一个尖锐的问题。为了保护桥梁使其免遭撞毁的厄运,各国都在加紧对这一问题进行研究,以期找出解决的办法。目前,按通航净空的需要求算桥梁的跨度已不存在什么困难,但桥墩的保护则属于另一个完全不 同问题。从概念上讲,桥墩的保护能力应该是 由设置的防撞系统提供,而不是 由船舶本身提供的。所以,桥梁的 防撞 问题应该是桥梁工程师面临的任务。近年来,从事桥梁 防撞 问题研究比较有代表性的 学者 有一产、和等,他们分别著有预应力混凝土 防撞桩的极限能量设计、船舶的能量 吸 收 能力、重力式 防撞设施、论桩型的选择、结构物前的防撞装置形式及尺寸、防冲体上撞击能量的测定、木桩的塑性保护作用、计划至年的船型、防撞装置设计的发展及现状以及船舶撞击混凝土桥墩的分析等论文或著作,为深入研究提供了宝贵的资料。二、桥梁防撞保护系统迄今为止,防撞系统的结构类型、材料、设计、安装和造价差异极大。年马里兰大学土木工程系接受了“桥梁 防撞系统的发展及现状”研究 课 题,在。1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.和教授主持下,第一次全面系统地搜集整理了现有的全部技术资料,作了许多有益工作。调查分析表 明,桥梁 防撞保护系统基本上可分为九种类型,现分别简介如下。漂浮式或骆驼式缓冲装置漂浮式或骆驼式缓 冲装置是最简单的一种防撞系统。作为保护系统的缓冲垫层,它经常与其它类型的防撞保护系统联合使用,以提供较大的接触面积,降低集中撞击荷载对 防撞 系统的冲击作用,提高防护效率。当船舶与缓冲装置的撞击角度小于“时,它们就成为摩擦 面,使船弦避 免直接与坚固的墩身摩擦,同时也能促使船舶改 正偏航角度。骆驼 式缓冲装置一般是由有 较高纤维硬度和弯曲强度的木料 构成 的,传统的建 材是经过处理的机木、松木、白橡木及红像木等。将处理过 的木料用螺栓联结 成箱形 截而,然 后 用锚链挂在桥墩或 防撞桩等保护系统 上。骆驼式缓冲垫层是靠木纤维之 间的挤压和弯 曲吸收船舶的冲撞 动能的,在大多数情况中,它们都出色地起到了预期的作用。缓 冲垫层可 以使用许多年,但木料易受海水侵蚀并穿孔腐烂。年,在加利弗里亚州旧金 山修建并试验了压水式一骆驼缓 冲垫 层图,这是目前最新型的一种骆驼式缓冲装置。压水 式骆驼缓冲装置 由根分为四组的圆筒组成,圆筒没入水 中英尺米,夹在两块木摩擦板之 间,并用锚索固定 以保持其相对位置。船舶撞击过程 中,圆筒中的水就通过筒顶 的小孔排 出,使圆筒的内压力保持不变。正因为如此,压水 式骆驼缓冲装置除具有更高的吸收撞击动能的能力外,还 有调整改变船舶 的偏航方 向和撞击 速度 的 能力。固定桩防撞系统这类 防撞保护系统 有木 桩、悬挂木桩、钢桩和混凝土桩四种类型。在通航船舶较小的条件下,通常可 用固定木桩或悬挂木桩通航船舶较大时,可用钢桩或混凝土桩。固定木桩沿桥墩四周将木桩打入河底就形成了木桩保护系统,如图所示。桩的侧面可不必支撑,亦可 以视需要用横撑和木楔固定。根据桩的长度和潮汐变化情况,有单排桩和多排桩两种形式。作用在木桩上的撞击动能由桩的挠 曲和有限的压缩吸收。这种系统的材料来源丰富,造价较低,但易受到机械破坏和生化变质的影响。一旦这种情况发生,木无子横撑木桩子流,石 州黄 称水仗系统。里一口口扛扛扛扛一一一一下下一一曰曰二,了,一斌矿日日日闻闻一一可可广广月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.桩的能量吸收能力就显著降低,必须进行养护和维修工 作,这时的维修费用就相对较 高了。悬挂木桩悬挂式木桩防撞系统是将木桩刚性 固结在墩上,林而构成防撞木框架。这种接触框架可以分布撞击荷载,但吸收撞击动能的能力有 限,而且不宜设置在受潮汐和 洪水明显影响的地点。在悬挂木桩相应于 平 均水 位的地方,将 沿着摩擦面安装与摩擦 长 度 相同的横撑。这种系统的造价较低,而且因木桩浸入水 中的部分不多,受生化变质的影响比固定木桩要小。为了改善这种防撞系统的能量吸收性质,现常在接触木框架后面垫 圆柱形或矩形橡胶块等缓冲垫层 图,效果较好。一,径向压缩嵌固嵌固橡胶缓冲垫 层橡胶缓 冲垫 层盯。叨饰的钓士士士士日日 日日、洲洲,了了曰曰二刁刁刁一一一一一一一日日日创创欲欲气气气气气气气气气气气烟涟气互互互圣圣飞飞、不不,、蔽又又又又又又扭锌盖皮叮叮叮乏乏不上上上上,吸彗 全一“刁刁刁刁刁刁刁刁黔卜卜【工 万万训训胆胆口口口口口口口口叹叹尹下下旧旧旧旧旧防布童桩防 童桩吨,最大船舶吨位是。吨,故列入的比较方案之一就是钢桩防撞系统。钢桩的主要缺点是造价高,容易腐蚀。混凝土桩由于混凝土 的抗拉和应变能力有限,所以在遭到船舶的撞击时,巨大的撞击动能会使混凝土桩开裂,桩 内的钢筋就会因裂缝进水而受影响。因此在一般情况下,普通钢筋混凝土桩的防撞功能是不能令人满意的。目前采用的多是预应力混凝土桩,并在桩顶包上橡胶缓冲体。由于混凝土桩的挠 曲变形能力极小,故主要的能量吸收介质是橡胶缓冲体而不是混凝土桩本身。这种系统 的主要优点是抵抗生化变质能力极强,适用于绝大多数 自然环境。缩进式防撞系统缩进式 防撞系统是将木框架或钢框架安置于开口销或长口托架上,托架则固定在桥墩 或防撞桩上构成的。船舶的撞击动能将由能够 自由伸缩的框架的竖向位移、框架移动时与托架之 间的摩擦、木纤维的弯曲和挤压等共 同吸收。当船舶较小且冲击力不大时,防撞框架本身就能承受撞击而在撞击力大于框架重量 沿托架开口方向的分量和摩阻力之合力时,防撞框架就会沿撞击方 向移动。设计缩进式 防撞系统 要考虑 的因素有计入浮力影 响的 防撞 系 统 有 效重量,自由伸缩的最大距离,托架的倾斜橡胶缓冲图钢桩钢桩防撞系统一般用在水深超过英尺米,或基底条件复杂及要求高翼材料 的地方。它适用于有大型船舶通航的水域,以保护特大桥梁和大型船舶。以马萨诸塞州波士顿港的桥为例,航道水深英 尺米,通 航频率最高的船舶为角度,以及托架的数量等。这些 因素直接与系统的 能量吸收能力有 关。尽管它的造价较高,但因为 防撞框架易于替换和维修,所以其维护费用较低。橡胶缓冲系统橡胶缓冲系统很少单独 作为桥梁的保护系统,它们总是在其它 防撞系统中起缓冲体的作用。由于橡胶具有较强的拉压、弯扭和剪切变形能力,所以在当代 防撞系统的设计中常得以应用,以提供极大的能 量吸收 能力。一般情况下,橡胶缓冲体吸收撞击动能 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.的能力常达整个系统的以上。按其在防撞系统中所起 的作用,橡胶缓冲体可 以分为以下三种类型。抗压缓 冲橡胶 垫层抗压缓冲橡胶 垫层是由一系 列安装在 防撞桩或 防撞框架后 面的橡胶垫层形成的,图中的橡胶块就是设置的一种方法。这些橡胶的形状有 圆筒、矩形和梯形三种,其 固定接触长 度不 得小于英尺米。防撞系统的能量 吸收 能力由桩或框架的变形 和橡胶垫层 的应力应变特性形成,其 中橡胶垫层的压缩变形吸收 大部分撞击动能。应该 在此指出,缓冲垫层 的 能量吸收能力与橡胶管的尺寸有关。直至橡胶圆管被压扁到倍外径时为止,其能量吸收 能力与船舶的撞击力几乎直接对应为直线关系。在此 以后,缓 冲垫层 的能量 吸收 能力就大为降低,防撞系统中反力的增长度就迅速得多。抗剪缓冲橡胶垫层雷 金缓冲装置是最常用 的抗剪橡胶系统,它是 由一系 列 固定在钢板之间的橡胶衬垫构成的,橡胶衬垫被嵌 固在防撞桩和桥墩之间作为抗剪缓冲层。这类橡胶垫层较硬,对于大 型船舶有较高的吸收能量的能力。另外,也有直接将圆筒形式矩形橡胶块作 为抗剪垫层 的,其优缺点与雷金缓 冲装置 相似,但结构比较简单,防止 大型船舶碰撞 的效果亦是比较好 的。罗德柔性缓 冲体一是 由固定在钢板上的拱形橡胶板 构 成的。如 果橡胶板的长细比达 到了柱的条件,则在轴向撞击荷载作用下,罗德柔性橡胶板的挠 曲及失稳 现象就将与柱 的翘 曲一致。罗德橡胶板 可 以安装在许多类型 的 防 撞系统中,而且因为它较柔软,故适宜设置在通航船舶较小的地 方。抗拉橡胶装置抗拉橡胶装置是 由翻砂 浇注成特殊框架的 圆锥形铸钢和橡胶组合而 成的。实际上,抗拉橡胶装置承受的变形有扭转、压缩、剪切和拉伸及组合变形,它吸收撞击动能的能力也是由这几种变形合成的。它的主要缺点是铸钢件和橡胶之间的羁绊较易损坏。除以上三种橡胶缓 冲体以外,气胎防撞设施的用途也非常广泛,在桥梁、码头和船舶上都得到了应用。气胎的内压力分 为和“两种。现在使用的气胎型防撞设施 中有很多是填充泡沫的。在受到突然的撞击荷载时,充气的气胎有可能超载爆炸,而填充泡沫的 防撞体即使在气胎穿孔后也不会爆炸沉没,所以它的维修和替换费用极低。重力式防挂系统重力式防撞系统的结构如图所示,它的主要构件是用锚链悬 吊在墩或桩上的沉重的混凝土块件。混凝土块件的受撞面安装有缓冲层。混凝土块件受撞时的位移机构是主要的能量吸收装置,缓冲层的变形也有吸收撞击动能的能力。通过混凝土块件的长距离位移,可以达到大量吸收撞击动能的 目的。混凝土块的位移通过拉索、滑轮、摆和枢轴得以实现,或通过一个倾斜平面来完成。由夹在水板中的悍接钢筋砚木产少木望层棘嘿拴临时弹 运尸卜一妙切硬木学沟安全梢翻建透料洲七已一里止乞少英尺,图 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.子它具有极大的吸能能力,所以在有大型船舶通航的危险位置 上,最适宜设置重力式 防撞系统。重力式 防撞系统的主要缺点是 造 价 较高。同时,悬吊体系 除有机械磨耗的损 失外,还受到水侵蚀的影响,所以维修费用亦较高。水力及水气缓冲筒水力防撞装置有两种水力缓冲筒及水气缓 冲筒。与橡胶缓冲垫层相似,它们一般与其它 防撞系统联合使用,在 防撞系统 中可以有效地消散近的撞击动能。缓冲筒是充水或水气混合体的 圆筒,在其受压时,撞击力强迫缓冲筒 内部的流体经过一个小孔压入位置较高的贮水槽。一旦撞击动能被消散后,水槽 内的气压和水自身的重力就会使缓冲筒恢复其初始位置。这种缓冲筒的适应性较强,可能是防撞系统所需 的理想缓冲设施,但是它 的造价和维修费用都是很 昂贵的。弹簧缓冲系统钢弹簧缓冲系统 由嵌固在墩或框架之 间的钢弹簧组成,其作用与橡胶缓 冲垫 层类似。弹簧安在可移动的金属箱中,以利于拆卸和弹簧的维修。尽管安置弹簧缓冲系统的地方维护条件一般都很好,但弹簧还是常因腐蚀而损坏,所以使用情况并不理想。漂逸水栅漂逸水栅一般用在水深处,在不适宜设置其它保护系统的地方也可以使用。水栅容易安置,可以锚固在航道边 以保护桥墩免遭撞击。由于受 洪水和潮汐的影响,应该容许锚固的水栅 随水面上下浮动。簿壳防撞系统薄壳防撞系统是由内部填砂或混凝土的圆筒形结构组成的,圆筒的外壳可以是 钢板,也可以是混凝土板。当设计的 圆筒直径粗大时,就成为簿壳围堰。围堰外壳由沿周边打入基底的板桩组合而成,内 部 填 充 砂子,堰顶 用混凝土帽封顶。当设 计的直径较小时,就成为薄壳桩,外壳常用薄钢板桩,内部填充混凝土,并在桩顶外围设置橡胶缓冲体,以提高其能量 吸收能力。薄壳防撞系统具有极大的吸收撞击动能的能力,因此常常用来预防大型船舶的 撞击。设置的方法也因桥而异,但原则上是将它设在船舶可能逼近桥墩的方向。以纽约港的桥为例,全桥共布置了六个薄壳筑沙围堰,最易被撞的桥墩方向前环形布置了三个薄壳筑沙围堰。围堰直径英尺,入水深 约英尺米。年月,其中的一个围堰受到一艘吨油轮的撞击。结果,围堰外壳被撞裂,内部的沙子 向外溢 出,从而使油轮逐渐减速,并在碰撞桥墩之前停了下来,避免了船毁桥塌的重大事故,达到了设计 目的。但是,因为薄壳防撞系统体积较大,有时要占据一定的通航空间,因此在设计桥梁的通航净空时应予以考虑。三、计算假设及基本公式编制计算程序的假设在实际工作中,要确定船舶撞击保护系统时的相互作用力要牵涉到许多因素。设 计时要考虑的主要 因素有船舶的外形尺寸、速度和易遭撞击的方向发生碰撞时预计的船舶操纵性能,以及风 力和潮汐的影响防撞系统和船舶的刚度,以及各 自的吸收能量性质,基底的地质条件等。验算防撞系统时,习惯上是将其视为固定在河底的单根悬臂构件,利 用基本物理关系式进行验算。这种方法大大简化了设计工作,但也因此而使设计的构件过于保守,构件设计得非常粗大。弥补的办法是在计算结果中考虑加入许多修正系数,这 样,就有可能将许多设 计变量统筹考虑。用计算机求解时,复杂的问题也能迅速得出结果。编制计算程序和对 防撞系统进行分析时,有以下假设考虑桩与土的相互作用,即将桩的支承条件视为柔性支承土可以分层,1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.,一。呈防撞系统劲度。桩长二防撞系统材料的弹性模量二桩的惯性矩一分布因素由于横撑侧 向劲度影响产生的荷载侧向分布,入,为防撞系统的位 移入了两丽一其 中为防撞系统弹性参数,为船 舶 质量。船舶撞击时的初速 度,二船舶撞击时的偏心系数图知公蜷,注桩群的坐标系采用三维坐标计入水平横撑的相互作用在任意时间间隔内,能够求出作用在所有桩上的力和变形,能够计算出每根桩中沿桩长分布的内力和变形将桥墩、防撞系统或其组合体系看作刚体船舶撞击过程中,应考虑任一根桩被撞坏的情形,并重新计算整个 防撞系统在每一时间间隔内,可 以计算出防撞系统中输入输出的总能量防撞系统可 以布置成直线或曲线等任意平 面形状。设计计算公式对大多数 从事实际工 作的设 计及施工者而言,目前还没有 哪个国家有设 计防撞系统的实用近似计算程序。因此,制定出适当的设 计标准是很有 必要 的。马里兰大学土木工程系在接受桥梁 的 防撞专题研究合同以后,鉴于目前设 计规范中严重缺乏或基本没有桥梁 防撞保护系统的条文,在与共同取得 的研究成果基础上,向美国各州公路和运输工作者协会作了一些有 关的建 议。据 介绍,的设计规范极可能采纳这些建议。现将其建议简述如下需要保护 的桥墩 的条件定义为了确保桥梁避免船舶的 撞击,必须提供可靠的防撞系统和缓冲装置。设计的 防撞设施应能降低船舶的速度,使之避免可能发生 的碰撞桥墩事件。船舶尺寸设 计时,应考虑通航船舶的马 力、航速 及外形尺寸等因素。水平方向撞击活载的确定作用于单桩、防撞 系统或桥墩上的水平撞击力按下 式计算甩山点为船长的函胜图与。二形状系数,按开口、半开口、闭合桩分别为、。和队,二流体动力学系数一石,式中尸二船舶的水平冲击力船舶吃水深度船体吃水宽度。船舶撞击过程中的加速度及其停止前进所需的时间按下式计算。入二入于是,利 用以上公式可以设计任意形式的 防撞保护系统。它与目前流行的计算方法之主要差异在于使用了分布因素尸其值可由下式确定 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.收缩和徐变对非预应力钢筋作用而产生的预应力损失刁廷礼李明柱摘译众所 周知,钢筋混凝土柱中由于收缩徐变使钢筋引起压应力,而混凝土 引起拉 应力。就预应力混凝土而 言,在非预应力钢筋中的压力和在混凝土中大小相等方 向相反的拉力都在发展。这意味着有效预应力钢筋的拉应力和混凝土 的压应力 将降低。一年作者在索斯安普敦大学对此问题进行了全面试验研究,并据此写成本论文。基本理论清楚地表 明,随着非预应力钢筋横截面积 的增加,预应力损失 也 随 之 增加,但这点并未得到试验 的证实。,和,以及和的研究并未指 出对比试验梁有效预应力的任何差别,因为试验 中表面开裂荷载近似相同。和曾经指出卜预应力钢筋减少 了徐变和收缩应变。该应变减少将导致预应力损失的减少。”当加配非预应力钢筋时,第一个观点无疑 是正确的,并且带来变形尤其是反拱 的减少。然而把它引伸至预应力损失,就概念不清了。作者认为,如过早地进行试验研究,徐变可能发展不充分。因此在对比梁荷 载试 验之前,他们力图强化徐变的作用。对比试 验中,考虑每种相同梁三根,并 要保证初始预应力在所有梁中都一样,因此 用一个长线台座浇筑所有的梁。式中二一一,、尸石一。“一又一“义一,几一澎防撞桩的竖 向劲度、二防撞桩横撑的横向劲度横撑的惯性矩,防撞桩间距横撑闯距。防撞桩或桥墩 中的最大 应力为二尸召式中的为截面模量。此外目前尚有 力一加速度法和动能关系法,此处不作详细介绍。四、结束语随着在港区和通航江河上建造 的桥梁增加,再加上通航船舶吨位和数量的增长,桥梁的防撞 问题必将提到相 当重要的地位来考虑。就这方面看,本文介绍的防撞 系统类型及计算方法有一定的参考意义。特别是美国将采纳的设 计标准,对 国 内 开 展此项工作将大有帮助。最后应指出,文中介绍的撞击 力的计算方 法仍有不足之处。特别是用它们来验算桥墩 时,往往在计算结果表 明桥墩能经受住撞击的条件下桥梁被撞毁。在破坏 实例调查中发现,桥梁墩 台的损坏轻微而桥跨结构坍塌的事件很多,较典型的事例有美 国 的一。钢析架 桥,以及瑞典的钢管拱桥。故尽管文中公式 能 成 功地用于 防撞系统计算,但因还有考虑桥梁的上部构造形式及桥墩的联合作用,则在计算船舶对桥梁墩 台的撞击力时应谨慎采用。