1概述

　　改革開(kāi)放30多年來(lái)，我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展迅速，公路通車(chē)?yán)锍逃?9萬(wàn)千米增長(zhǎng)到386.0889萬(wàn)千米，實(shí)現(xiàn)了“五縱七橫”的國(guó)道主干線。截至2010年底通航橋梁共有40972座，其中絕大多數(shù)橋梁橋墩未設(shè)橋墩防撞設(shè)施，嚴(yán)重危及橋梁的安全，橋墩防船撞設(shè)置迫在眉睫。橋墩防船撞擊的被動(dòng)防撞保護(hù)技術(shù)措施，國(guó)內(nèi)外常用和有效的作法是在橋墩周?chē)鲈O(shè)防撞圍護(hù)結(jié)構(gòu)。目前常用的橋墩防撞圍護(hù)結(jié)構(gòu)，按照國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）的劃分標(biāo)準(zhǔn)可分為如下五類(lèi)結(jié)構(gòu)：防護(hù)板結(jié)構(gòu)，支承樁結(jié)構(gòu)，系纜樁結(jié)構(gòu)，人工島或暗礁保護(hù)結(jié)構(gòu)，浮體式保護(hù)結(jié)構(gòu)。

　　橋墩防撞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇，主要依據(jù)橋墩自身的防撞能力、幾何外形、水流速度、水位變化情況、通航船舶類(lèi)型、碰撞速度及角度等因素綜合分析確定，但應(yīng)滿(mǎn)足如下基本要求：兼顧橋梁、航道、水運(yùn)三方利益；結(jié)構(gòu)體量小，少占航道；能適應(yīng)水位和落差變化；吸能能力強(qiáng)；撞后能恢復(fù)，即大能量撞擊后可修復(fù)繼續(xù)使用，小能量撞擊后不需修理；不因圍護(hù)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生諸如河床沖刷、回流淤積、環(huán)境保護(hù)等新問(wèn)題；安裝、運(yùn)輸方便，工程造價(jià)較低。

　　浮體式保護(hù)結(jié)構(gòu)在橋墩防撞體系中優(yōu)勢(shì)比另外四類(lèi)橋墩防撞圍護(hù)結(jié)構(gòu)更明顯，綜合優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)，故成為目前橋墩防撞工程應(yīng)用得最多和最好的防撞結(jié)構(gòu)，使用前景更廣闊?，F(xiàn)在新型材料FRP橋墩防撞體系屬于浮體式保護(hù)結(jié)構(gòu)的一種形式，它應(yīng)用在橋墩防撞上突破了傳統(tǒng)模式，是一項(xiàng)與時(shí)俱進(jìn)的應(yīng)用，此四新技術(shù)應(yīng)用不僅具有傳統(tǒng)方案所有優(yōu)勢(shì)，而且還有“自定位、弱接觸、高消能”“科學(xué)”、“經(jīng)濟(jì)”、“和諧”等眾多優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)前景廣闊的四新技術(shù)。

　　2FRP橋墩防撞浮箱消能機(jī)理分析

　　2.1FRP橋墩防撞浮箱的總體結(jié)構(gòu)形式

　　FRP橋墩防撞浮箱的總體結(jié)構(gòu)形式，為圍護(hù)在橋墩四周的FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)與附著于外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上的一排FRP內(nèi)襯八邊形柱殼薄壁構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)，為浮箱的抗撞消能主體結(jié)構(gòu)和浮力平衡結(jié)構(gòu)；FRP內(nèi)襯柱殼構(gòu)件，為浮箱與橋墩的弱接觸連接支承結(jié)構(gòu)和撞擊緩沖結(jié)構(gòu)。

　　2.2防撞浮箱消能機(jī)理

　　浮箱的消能主要從外層結(jié)構(gòu)、內(nèi)層結(jié)構(gòu)、內(nèi)外水流受撞擊時(shí)產(chǎn)生的阻力這三方面消能。

　　2.2.1外層結(jié)構(gòu)消能和散能

　　最外層結(jié)構(gòu)的消能原理，外圍箱體結(jié)構(gòu)中艙內(nèi)的八邊形和四邊形柱殼薄壁構(gòu)件相互之間及其與箱壁之間是進(jìn)行有機(jī)聯(lián)結(jié)，在正常狀況下不受外力作用下處于不受力狀態(tài)，既不受力、也不傳力，當(dāng)浮箱受到外力作用時(shí)產(chǎn)生力的傳遞，外圍部件產(chǎn)生相互擠壓、相互運(yùn)動(dòng)、相互傳遞。當(dāng)船舶或漂浮物以高速度撞擊到浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)任一部位時(shí)，以較大的動(dòng)能和勢(shì)能產(chǎn)生較大的沖擊力，受撞部位的外圍箱體結(jié)構(gòu)的中、底艙外箱壁借助其高強(qiáng)度、低剛度保證其不被撞壞的前提下產(chǎn)生向內(nèi)位移的大變形，從而擠壓中艙箱內(nèi)的八邊形柱殼構(gòu)件和四邊形柱殼構(gòu)件，迫使箱內(nèi)每個(gè)柱殼構(gòu)件都產(chǎn)生不同程度的相互擠壓變形和相互運(yùn)動(dòng)摩擦，消耗沖擊時(shí)產(chǎn)生的具大能量，在消能過(guò)程中如外層結(jié)構(gòu)不足以消耗撞擊時(shí)的能量就將外層結(jié)構(gòu)撞壞，從而使這些柱殼構(gòu)件為外圍箱體結(jié)構(gòu)提供變形較大的變形能和作功時(shí)間較長(zhǎng)的摩擦能及能耗最高的散能；外圍箱體結(jié)構(gòu)同時(shí)借助FRP材料完全彈性和低應(yīng)變速率的優(yōu)異性能，通過(guò)緩慢地釋放變形能反推船舶作功形成浮箱反作用功，以進(jìn)一步消耗船舶的撞擊動(dòng)能和進(jìn)一步增加浮箱總的撞擊作功時(shí)間，使浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)通過(guò)正向作功吸能和反向作功耗能這兩種消能模式可消耗船舶撞擊動(dòng)能的六層左右。
　　
　　2.2.2內(nèi)部構(gòu)件的變形消能和散能

　　浮箱內(nèi)層結(jié)構(gòu)比外層結(jié)構(gòu)內(nèi)的剛度更低和約束更弱的設(shè)計(jì)，當(dāng)浮箱外層結(jié)構(gòu)受到撞擊時(shí)，內(nèi)層結(jié)構(gòu)比外層結(jié)構(gòu)有更大的擠壓變形空間，當(dāng)外層結(jié)構(gòu)受撞擊時(shí)剩余部份能量傳遞到內(nèi)層構(gòu)件，內(nèi)層結(jié)構(gòu)通過(guò)其更大的變形消能和散能來(lái)吸收浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)消能后剩余的部份撞擊動(dòng)能，如內(nèi)層結(jié)構(gòu)不能消耗掉所有剩余的能量，就會(huì)將部份部件壓壞，并同時(shí)將剩余的船撞力經(jīng)變形緩沖和支承面積擴(kuò)散后再傳給橋墩，使橋墩直接承受的船撞力可進(jìn)一步降低至其可承受的水平。

　　3FRP橋墩防撞浮箱應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

　　3.1運(yùn)行中的橋墩防撞工程實(shí)施的必要性和緊迫性

　　例：重慶嘉陵江黃花園大橋1、2號(hào)主墩在2010年、2020年和2050年預(yù)測(cè)通航密度下的船撞倒塌頻率分別為1.86×10-4、1.17×10-3、2.36×10-3，均大于重要橋墩的可接受風(fēng)險(xiǎn)10-4，故有必要對(duì)其進(jìn)行防撞保護(hù)，避免船撞突發(fā)事故。黃花園大橋1、2號(hào)主墩現(xiàn)時(shí)要求的設(shè)防船撞力高出橋墩自身抗力21%～50%，橋墩一旦被撞則可能造成巨大傷害，故須及時(shí)對(duì)其進(jìn)行防撞保護(hù)，提高橋梁防災(zāi)減災(zāi)的能力。

　　3.2橋墩防撞工程結(jié)構(gòu)的合理性和可行性

　　根據(jù)橋梁所處地水系、洪水頻率、水流大小、水流湍急程度、船舶類(lèi)型、船舶流量等因素決定了橋墩防撞結(jié)構(gòu)類(lèi)型的合理性。以長(zhǎng)江下游的一座大橋采用管樁結(jié)構(gòu)案例作分析：此特大橋由于在建期間遭遇特大洪水，橋區(qū)河段灘槽發(fā)生劇烈變化，原設(shè)計(jì)主通航孔在枯水期通航困難，自建橋以來(lái)，已有三屆枯水期被迫利用沒(méi)有防撞設(shè)施的非通航橋孔通航，橋下通航存在嚴(yán)重安全隱患。為此，2008年交通部決定對(duì)可能作為通航孔使用的6個(gè)非通航橋孔、七座橋墩設(shè)置防撞加固等設(shè)施，以保障船舶航行和橋梁安全。此長(zhǎng)江大橋防撞工程總投資6300多萬(wàn)元，考慮橋墩全方位防撞防護(hù)，防撞工程建設(shè)采用管樁方案，即在橋墩四周設(shè)置16根樁徑為1.5米、壁厚為22毫米、長(zhǎng)度29.5米的鋼管樁，鋼管樁內(nèi)澆注混凝土，鋼管樁通過(guò)系桿連接成整體，周邊設(shè)置消能鋼板和橡膠護(hù)舷，鋼管外露部分進(jìn)行防腐處理。采用此方案固然達(dá)到安全防護(hù)的要求，但建設(shè)成本高、維護(hù)費(fèi)用高、維護(hù)工作量大、維護(hù)難度大等不利因素。綜上所述，如采用當(dāng)今國(guó)內(nèi)外橋墩防撞工程應(yīng)用得最多和最成熟的防撞結(jié)構(gòu)形式為鋼浮箱形式的浮體式保護(hù)結(jié)構(gòu)，將達(dá)到事半功倍的效果。又因鋼浮箱通過(guò)消能降低的船撞力比例約30%，且撞后修復(fù)工程量大，使用期防銹養(yǎng)護(hù)多，方案優(yōu)選FRP浮箱結(jié)構(gòu)經(jīng)消能降低的船撞力比例約50%。且撞后主體結(jié)構(gòu)不壞，使用期不須防銹養(yǎng)護(hù)，故FRP浮箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比鋼浮箱更合理、更科學(xué)、更實(shí)用。

　　3.3橋墩防撞工程的經(jīng)濟(jì)性和可靠性

　　杭州灣跨海大橋、湛江海灣大橋、荊州長(zhǎng)江大橋、菜園壩大橋、黃花園大橋橋墩防撞工程的單墩工程造價(jià)分別約為1134萬(wàn)元、1200萬(wàn)元、900萬(wàn)元、750萬(wàn)元、500萬(wàn)元，故設(shè)計(jì)方案的FRP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)比同類(lèi)鋼浮箱更經(jīng)濟(jì)。另外浮箱結(jié)構(gòu)又比其它防撞結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)，例如湛江海灣大橋，鋼浮箱防撞結(jié)構(gòu)工程造價(jià)比人工島防撞結(jié)構(gòu)工程造價(jià)低3倍左右。

　　鋼浮箱浮體式保護(hù)結(jié)構(gòu)已先后在我國(guó)10多座橋梁中成功應(yīng)用，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比鋼浮箱更優(yōu)，F(xiàn)RP橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工有技術(shù)規(guī)范參照和成功案例，故能保證該橋橋墩防撞工程實(shí)施的可靠性。

　　4結(jié)論

　　第一，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)，依靠其全新的結(jié)構(gòu)形式、連接方式和消能模式，使其具有“自定位、弱接觸、高消能”結(jié)構(gòu)功能，不僅抗撞擊破壞的能力比鋼浮箱強(qiáng)，而且通過(guò)能量吸收和動(dòng)量緩沖降低船撞力的比例也比鋼浮箱提高1倍以上，故能比鋼浮箱更好地對(duì)橋墩提供防撞安全保護(hù)。

　　第二，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)，具有“和諧防撞”與“長(zhǎng)效防撞”的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，是橋墩防撞工程的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，經(jīng)進(jìn)一步研究完善推廣工程應(yīng)用，將有助于橋梁防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)實(shí)力的提升和橋梁、水運(yùn)建設(shè)的和諧發(fā)展。

　　第三，F(xiàn)RP橋墩防撞浮箱結(jié)構(gòu)，反映浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)多邊形柱殼構(gòu)件擠壓變形、摩擦運(yùn)動(dòng)、崩潰破壞及浮箱-水流耦合作用的結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算也是一項(xiàng)全新的理論研究課題，具有較高的難度。通過(guò)這些理論問(wèn)題的研究解決，將推動(dòng)橋墩防撞工程設(shè)計(jì)邁向“科學(xué)”、“經(jīng)濟(jì)”、“和諧”的更高水平。