主被動(dòng)結(jié)合 實(shí)現(xiàn)橋梁多角度防船撞管控

發(fā)布時(shí)間：9/5/2023 4:25:52 PM 作者： 瀏覽次數(shù)：2393

主動(dòng)引導(dǎo)航行 被動(dòng)防撞設(shè)施配套
按船撞橋的部位不同，橋梁防船撞的任務(wù)大體可以分為：防御船撞通航孔主墩、防御船撞非通航孔的橋墩、防御船撞橋梁的下弦三大類。
對于通航橋梁來說，“一跨過江，主槽無墩”是解決船撞橋梁最徹底的辦法，但大多數(shù)橋梁需設(shè)置不同類型的防護(hù)結(jié)構(gòu)。這些橋梁防船撞設(shè)施，一般分為主動(dòng)防撞設(shè)施和被動(dòng)防撞設(shè)施。主動(dòng)防撞設(shè)施包括航標(biāo)、橋涵標(biāo)及相關(guān)警示標(biāo)志、導(dǎo)航系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)等，用以引導(dǎo)船舶沿正確航道行駛。被動(dòng)防撞設(shè)施通常采用橋梁自身抗撞、附著式防撞、獨(dú)立防撞設(shè)施等方式，避免損失或減少損失。
另外，柔性防船撞裝置是新一代的防船撞設(shè)施，其核心組件是內(nèi)、外鋼圍和防撞圈，如圖4所示。以防撞圈為主要元件的柔性防撞裝置，能減低船撞力，延長撞擊歷時(shí)，化集中力為分布荷載，使船頭盡早轉(zhuǎn)向，帶走比較多的動(dòng)能，從而達(dá)到該裝置的最高效果——“三不壞”——“船不壞、橋不壞、裝置不壞（簡單維修后繼續(xù)使用）”。現(xiàn)已應(yīng)用在湛江海灣大橋、象山港跨海大橋、三門灣大橋等。目前防撞元件已經(jīng)從彈性和彈塑性防撞元件，發(fā)展到黏滯性高耗能防撞元件。黏滯性高耗能復(fù)合防撞元件與彈性外鋼圍等組成的防撞裝置，被撞后消耗掉大部分撞擊能量并能夠恢復(fù)，多次使用。
柔性防船撞設(shè)施
新材料應(yīng)用研究中，纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）蒙皮泡沫填充格構(gòu)復(fù)合材料防撞體系（FLCBS）能有效減小沖擊力并延長沖擊過程，如圖5所示石臼湖大橋的分析結(jié)果表明了FLCBS的優(yōu)越性能。鋼－泡沫鋁填充材料的防撞鋼套箱裝置安裝于斜拉橋橋塔下部的措施，也可保障橋梁使用的安全。而通過UHPC墩柱的落錘沖擊試驗(yàn)分析受壓墩柱的沖擊響應(yīng)和破壞形態(tài)，為UHPC材料應(yīng)用于橋墩防撞設(shè)計(jì)提供了參考。
對于輔助墩、過渡墩和水中引橋墩等非通航孔橋墩來說，自身承受水平力的能力較差，在偏航的船撞作用下極易破壞。非通航孔橋梁通常采用攔阻索系統(tǒng)阻止船舶靠近，以避免發(fā)生碰撞。現(xiàn)已應(yīng)用攔阻索系統(tǒng)的有杭州灣跨海大橋、日本本州四國連絡(luò)橋等。
船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)是船撞橋事故的種類之一。在上部結(jié)構(gòu)防撞方面，川槎大橋通航孔的鋼桁架結(jié)構(gòu)防撞限高架，屬于國內(nèi)首例水上鋼結(jié)構(gòu)限高防撞工程，見圖6。該工程案例屬于剛性方案，它與拉索結(jié)構(gòu)型式的柔性方案相比，從攔截效果、造價(jià)及后期維修方面都具有更多優(yōu)勢，適用于橋梁跨度較小的河道。拉索結(jié)構(gòu)型式限高架上部結(jié)構(gòu)輕便，適用于水域較寬的河道。
智能化管控橋梁運(yùn)營安全
為了杜絕橋塌、船沉、人亡的災(zāi)害性事故，橋梁在運(yùn)營期間除設(shè)置必要的防船撞設(shè)施外，還須清楚船撞橋事故的原因，提高安全意識(shí)。分析總結(jié)運(yùn)營期間橋梁船撞事故的原因，可歸結(jié)為人員失誤、船舶設(shè)備故障、 相關(guān)部門管理不當(dāng)、橋梁自身問題、自然環(huán)境惡劣五類原因。除自然環(huán)境不可控制外，前四類都與人的能動(dòng)性有關(guān)，只是表現(xiàn)形式不同。由此可見，橋梁管理者、船舶擁有者和駕駛?cè)藛T三者責(zé)任重大。三方均有所作為、提高認(rèn)識(shí)，才可避免或減輕船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)。因此，宜從航道、航行管理、人員培訓(xùn)、橋梁管理等方面采取助航和預(yù)警措施，以降低船撞橋梁幾率。
基于模糊邏輯的船橋碰撞預(yù)警方法，可保證橋梁運(yùn)營的安全性，該方法綜合考慮了船舶特性、橋梁參數(shù)和自然環(huán)境。建立了包括輸入層、模糊推理層和輸出層的三層框架，將碰撞風(fēng)險(xiǎn)分為臨界條件和自然環(huán)境兩部分。從船舶位置、船舶軌跡方向、船舶與橋梁的距離、船舶速度等方面，分析了船舶與橋梁的碰撞情況。這些因素與自然環(huán)境一起作為輸入變量。然后通過引入船-橋碰撞條件，對船-橋碰撞過程中的船舶細(xì)節(jié)和橋梁參數(shù)進(jìn)行了考慮和模糊化，建立IF-THEN規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，得出船舶與橋梁的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估的模糊邏輯盒如圖8所示。
主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)、復(fù)合防撞及報(bào)警系統(tǒng)、可追溯式監(jiān)控系統(tǒng)三種智能化橋梁管理系統(tǒng)，通過主被動(dòng)結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)對船撞橋事故的全方位、多角度管控，為橋梁防撞提供了有益思路。
橋梁使用過程中除了要加強(qiáng)VTS監(jiān)管、有效監(jiān)控船舶的動(dòng)態(tài)、加設(shè)預(yù)警及智能化橋梁管理系統(tǒng)之外，還要從以下幾方面做好防撞工作以確保運(yùn)營安全：
①完善航道交通管理設(shè)施，規(guī)范交通秩序。
② 積極研制新型防船撞裝置，減少事故損失。
③ 相關(guān)部門的規(guī)范管理和船舶的安全駕駛。
④ 注重橋梁質(zhì)量檢測維護(hù)，延長橋梁使用壽命。
另外，運(yùn)營過程中，防船撞設(shè)施作為重要的橋梁附屬結(jié)構(gòu)，在滿足防撞功能的前提下，應(yīng)最大限度地與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致，力爭做到“一橋一景”，以豐富橋梁美學(xué)的內(nèi)涵。
船撞橋問題屬于典型的交叉學(xué)科，船撞橋事故的發(fā)生因素涉及人、船舶、通航條件和環(huán)境、管理等多個(gè)方面。為了從根源上解決這一安全隱患，除了規(guī)范航道管理、謹(jǐn)慎通行以外，橋梁設(shè)計(jì)過程中還要采用合理的船舶撞擊力設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開發(fā)新型防撞裝置和智能監(jiān)測防控系統(tǒng)，因地制宜、多管齊下才能切實(shí)維護(hù)好通航水域的橋梁安全和橋區(qū)水域的水上交通安全。未來還需進(jìn)一步深耕的研究包括：
1. 現(xiàn)行規(guī)范中橋梁船撞部分條款需進(jìn)一步完善。如規(guī)范計(jì)算模型均采用靜力方法，不能考慮撞擊的動(dòng)力效應(yīng)。這方面的深入研究和成果積累，將為規(guī)范相應(yīng)條文進(jìn)一步優(yōu)化做準(zhǔn)備。另如，對船舶撞擊作用，我國公路規(guī)范劃分為內(nèi)河船舶和海輪兩類。對3000t（3000DWT）江海直達(dá)的船舶，依據(jù)兩類表格查的結(jié)果分別為1400kN和19600kN。此船在船速、船重都不改變的情況下，撞擊力本也不會(huì)改變，但結(jié)果相差十多倍，讓設(shè)計(jì)者無所適從。
2. 對橋梁撞擊事故中人為因素和組織因素引起的因果概率分析，仍缺乏數(shù)據(jù)和具有不確定性。為得到可靠的結(jié)果，需進(jìn)一步考慮不確定性的概率推理方法，并建立國內(nèi)橋梁船撞安全評估數(shù)據(jù)庫。
3. 要從新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)自修復(fù)等方面實(shí)踐“三不壞”設(shè)計(jì)理念，研制新型船橋防撞裝置和智能防控系統(tǒng)，為橋梁構(gòu)筑多道防護(hù)屏障。如泡沫鋁、FRP等應(yīng)用于橋梁防船撞及橋梁加固方面的研究已經(jīng)開始，進(jìn)一步的系統(tǒng)研究需加強(qiáng)。
4. 基于性能的橋梁防船撞設(shè)計(jì)理論研究。即基于性能的設(shè)計(jì)理念，意味著要考慮壽命期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)、投資效益和橋梁擁有者的決策等新理念。比如，允許設(shè)計(jì)者或橋梁所有者根據(jù)結(jié)構(gòu)物的重要性和用途選擇目標(biāo)性能水平，由不同性能目標(biāo)提出相應(yīng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，以使結(jié)構(gòu)具有預(yù)期功能。