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橡膠護舷作水中樁柱防撞裝置的應用分析
- 2019-12-19-

摘要:從橡膠護舷的材料特性、產品結構和力學性能等方麵分析其用作水中樁柱防撞裝置的可行性和優勢。結果表明,柔性防撞裝置———橡膠護舷配置在內河航道的水中樁柱(橋墩)上作防撞裝置是安全實用的。通過實例分析,闡明方案選型的重要性和應注意的問題。關鍵詞:柔性防撞裝置;橡膠護舷;水中樁柱;撞擊力;力學性能

       伴隨著經濟的持續發展,水陸交通運輸十分興旺,新建路橋不斷湧現,過往橋下航道的船舶日益增多,船舶日趨大型化且航速逐漸提高,船撞橋的幾率遞增。船撞橋墩的力通常在新橋工程的可行性分析時進行計算,以配合橋址選擇、橋墩設置和橋型確定,而船撞橋的力與橋墩所選用的防撞裝置有關。防撞裝置有多種,利用天然島礁或沙灘、圍堰、護樁和鋼浮圍等間接結構使船及早擱淺或不能與墩接觸對保護橋是很有效的,但通常不能保護船,且受條件限製,成本高。在水很深的橋墩處等場合不便於采用間接結構,就要使用直接結構,同時希望在降低船撞力的過程中能做到既保護橋又保護船,這就必須選擇柔性防撞裝置。柔性防撞原理恰好說明橡膠護舷是水中樁柱(橋墩)的一種理想防撞設備[1-3]。

1 柔性防撞原理和柔性防撞設備———橡膠護舷簡介

用衝擊動力學理論[4]和 LS-DYNA 程序對船撞橋進行簡化分析,根據粘性阻尼對碰撞的影響,可從原理上說明采用柔性防撞裝置可以起到既保護橋墩又保護船隻的作用。分析表明,介入阻尼元件後碰撞應力 降 低 很大,形成了一個新的柔性吸能撞擊係統[5]。

1.1 材料特性

製造橡膠護舷的基材是橡膠。橡膠是高分子化合物,分子結構決定了其屬於粘彈性高阻尼材料,具有彈性和粘性雙重特性。橡膠的粘彈性質主要表現在下述兩方麵。

(1)彈性模量小、形變大。這是由於大分子的鏈段在外力作用下可以運動,即分子沿受力方向進行取向,能使橡膠的彈性形變高達1000%。橋墩保護對柔性防撞裝置的基本要求就是必須具有反力小、變形(位移)大的良好碰撞性能。用橡膠護舷製造的防撞裝置完全具備該特性。

(2)形變需要時間。彈性形變和塑性形變同時發生是高分子材料的形變行為特征,稱為粘彈性,粘彈行為則依賴於時間[6]。形 變 落 後 於 應 力稱為滯後現象[7],滯後現象會使一部分彈 性 能 轉變成熱能損耗掉。將具有粘彈性能的橡膠製作橋墩防撞設備———橡膠護舷,因其表現出粘滯性,能消耗掉船舶一部分的撞擊能,同時撞擊過程需要較長時間,大大降低撞擊力。

1.2 結構與性能

我國於1987年製訂並實施 GB/T7540《橡膠護舷》標準,在2003年用新標準 HG/T2866替 代 了 GB/T 7540—1987 和 HG/T 2866—1997,使橡膠護舷產品實現了標準化和係列化。

1.2.1 結構橡膠護舷按結構分為圓筒型 (CY)、半 圓 型(D)、超級拱型(A,SA)和超級鼓型(SC)等[2]。

每種結構的產品規格已經形成係列化,例如圓筒型護 舷,從 CY150×L 到 CY1600×L 共 有17個規格等 級。D 型、A 型(V 型)、SA 型 和 SC型等均各自形成相關規格係列,具體可參見 HG/T2866—2003《橡膠護舷》標準。每種結構的橡膠護舷的壓縮變形量均達本體的50%以上,這個結構特點證明用其完全符合橋墩防撞裝置“反力要小,變形要大”的實用要求。

1.2.2 性能

HG/T2866—2003《橡膠護舷》標準對各規格橡膠護舷的力學性能已作出相應的規定。GB50139—2004《內 河 通航標準》將 內 河 航道按可 通 航 內 河船舶的噸級劃分為7級(見 表1)。我國兩個行業標準JTGD60—2004《公路橋涵設計通用規範》和 TB10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規範》均提出對位於通航河流中的橋梁墩台設計時應考慮船舶或漂流物的撞擊作用,並列出撞擊作用的標準值(見表1)。

將表1數據與橡膠護舷標準對照可以看出,HG/T2866—2003所列的各種型號規格的橡膠護舷的力學性能完全滿足內河各等級航道上的水中樁柱(橋墩)建防撞裝置的要求,並給予設計者在進行橋墩防撞設計時豐裕的選型空間[8]。

2 柔性防撞裝置———橡膠護舷的選型橡膠護舷防撞裝置既能保護橋也可保護船,不需要每次撞擊後維修,可以達到“小撞不壞,中撞可修,大撞不倒”的建造要求。近年來,橡膠護舷已越來越多地應用於水中樁 柱(橋 墩)的 防 撞設施。為了拓展橡膠護舷的應用空間,必須 做 好 選型工作。這是設立水中樁柱(橋墩)的橋梁設計者應關注的要點。本研究通過工程實例分析,論證選型工作的重要性。

2.1 廣東四會市黃田綏江大橋防撞設施工程綏江大橋橋墩防撞的設計按500t船舶通航的安全而配置。從表1查得500t船舶的橫橋向撞擊力標準值為550kN,選用 D300×300×1000型橡膠護舷(見圖1)可以滿足防撞設計的要求。由於綏江大橋主橋橋墩設計為圓矩形及圓形(見圖2),而 D型橡膠護舷不可能變曲造型,因此安裝時在 D型內腔還要加進一塊金屬壓板,預埋螺栓方可緊固護舷,若按圖2設計的防撞護舷構造圖進行施工,顯然是不可能的。

2.2 廣東江門水道特大橋防撞設施工程廣州至珠海鐵路在江門水道上建白泥河特大橋,其橋墩的防撞設計考慮1000噸級船舶通航的安全,選用 BPE(SA)600×1500型橡膠護舷作防撞設施。施工現場考察發現該防撞設施的選型存在如下幾點問題。

(1)力學性能過剩。原設計在防撞牆的周邊布置12組(每組2條)規格為 BPE600×1500的橡膠護舷,1000噸級船舶正向撞擊橋墩時,船體會接觸2組(共 4 條)以 上 橡 膠 護 舷。查 HG/T2866—2003得 SA600×1000 的 力 學 性 能:反力(即撞擊力)R=412kN,吸能 E=104kJ,換算成BPE600×1500的 力 學 性 能 為:R=618kN,E=156kJ。可見一 組(2 條)BPE600×1500橡膠護舷(總反力 為 1236kN,總 吸 能 為 312kJ)承 載1000噸 級 船 舶 的 撞 擊 力 已 經 大 大 超 過 TB10002.1—2005給出的750kN 撞擊作用標準值。根據 TB10002.1—2005驗算,1000噸級船舶撞擊橋墩的有效動能也遠小於一組 BPE600×

1500的吸能值。

(2)成本過高。安裝一條 BPE600×1500/1800橡膠護舷的成本構成為橡膠護舷本體(質量780kg)、貼麵板(超高分子聚乙烯材質)、貼麵板安裝用的不鏽鋼螺栓、預埋螺栓(安裝護舷用)、定位板(厚6mm),合計約15000元。

(3)安裝難度大。防撞設施設計是利用定位板將橡膠護舷安裝在圓弧防撞圍牆上(見圖3),但會出現兩端翹起現象,護舷不能緊固,必須加工有弧度的支承護舷底座,才能安裝橡膠護舷,使之與 圓弧防撞牆緊固,但是底座與預埋套筒的連接難度較大,不容易實施。

因此,本工程設計時建議選用V型(A 型)500橡膠護舷,並提供相關的安裝結構圖,獲得施工部門采納。

2.3 四川通善大橋橋墩防撞設施工程通善大橋原是四川遂寧培江一、二橋,要求通航100噸級旅遊船。通過現場勘察,知道大橋的水中樁柱 均 為 圓形,選用豔 色(黃色)圓筒型 Φ200×2500橡膠護舷作橋墩防撞裝置的主要構件,將其圓周均勻布置在樁柱上,防撞裝置效果圖見圖4。圓筒型橡膠護舷具有下列特點

(1)圓筒型橡膠護舷被撞上時會後退(受 壓縮),此時雖受力較小,變形會很大;由於護舷是圓型,其被撞的每一點都是切點,撞點能給船頭一個圖4 通善大橋橋墩防撞裝置效果圖側向推力使船頭滑開,這是一種理想的防撞態勢(見圖5)。

(2)圓筒型橡膠護舷安裝固定點是各類型橡膠護舷中很少的,將其配置於正在運作使用中的橋墩(舊橋墩)是較理想的防撞構件。采用創新型的緊固護舷的結構使施工過程不損傷水中樁柱的鋼筋或橋墩內在結構,由於橋墩受到橡膠護舷防撞 裝 置 的 合 理 保 護,因此還會延長橋墩的使用壽命。

(3)規格為Φ200×2500的圓筒型橡膠護舷的力學性能完全能夠滿足100噸級旅遊船通航的安全要求。 查 HG/T 2866—2003 得CY200×1000的R=59.8kN,E=2.6kJ,換算得 CY200×2500的 R=59.8×2.5=149.5kN,E=2.6×2.5=6.5kJ。根據 GB50139—2004

所列100噸級船舶的船型寬5.5m,那麽不管船體是以橫橋向還是順橋向碰撞橋墩,都會觸及兩組以上的圓筒型橡膠護舷,可見其抵禦船舶的撞擊力是綽綽有餘的。此項工程的實施得到遂寧市的好評。

2.4 廣州珠江大橋防撞設施工程2008年6月30日廣州珠江大橋發生船撞橋墩事故後,業主方委托華南理工大學船舶與海洋工程研究所承擔“廣州市內環路廣佛出口放射線工程”珠江大橋東西橋防撞裝置的設計,為維持大橋橋墩現狀,橡膠護舷防撞裝置采用掛靠式結構,利用墩台將整座防撞裝置承托起來(見圖6)。防撞裝置設計要求鼓型橡膠護舷能承載整座

鋼圍架的質量,同時當鋼圍架被船體碰撞時能抵禦橫向撞擊力的作用,保護橋墩。承建公司接受研製防撞裝置

的核心部件———SZC型橡膠護舷的任務,成功製造出具有預應力角的 SZC鼓型橡膠護舷 (見圖7)。

由華南理工大學土木與橋梁檢測中心對鋼圍架橡膠護舷防撞裝置進行相關檢測,具體方法是:通過對SZC型橡膠護舷基本單元構造施加力(即防撞裝置自垂與船體碰撞力的共同作用)進行力學性能測試,模擬該新型橋墩防撞裝置被船體碰撞時的抗碰撞承受能力。在壓力試驗機上做了鼓型橡膠護舷反力試驗,也對基本單元構造的兩鼓一板 SZC鼓型橡膠護舷 進 行 抗 剪 切 與 抗 壓 試 驗。檢 測 結 果 表 明:SZC鼓型橡膠護舷基本單元構造能滿足設計要求。由SZC型橡膠護舷組成的橋墩防撞裝置可抵禦船舶的衝撞力。鋼圍架防撞裝置實體工作照片如圖8所示,本裝置投入運作近3年,運行正常。

3、結語。

(1)防撞設備———橡膠護舷的選型看似容易,橋梁設計者隻要根據標準所列的型號規格,就可以選擇到力學性能相應滿足設計該噸級船舶的橫向撞擊力要求的防撞產品,無需進行相關的計算來確定。但是進行施工的實際操作時,就可能出現不能按圖施工的問題。

(2)防撞產品選型正確,橡膠護舷對橋墩的布防合理,防撞裝置使橋墩能安全抵禦通航船舶偏航的撞擊,防撞設施工程投入的資金較少,經濟實用;針對在用橋(或舊橋)進行設計時,不使用植根螺栓固定防撞設備,避免因安裝需要而損壞橋墩鋼筋,影響橋梁使用壽命。

(3)目前,國內外對大橋防撞沒有統一的設計規範和標準,通過上述的工程案例,期待為大橋工程防撞設施設計提供一個新的模式,就是橋梁設計部門與橡膠護舷生產企業之間的溝通合作。采用設計與生產相結合的模式,推出新型橋墩防撞設施,推進大橋建設的發展。安裝時在 D型內腔還要加進一塊金屬壓板,預埋螺栓方可緊固護舷,若按圖2設計的防撞護舷構造圖進行施工,顯然是不可能的。