82
桥梁建设2021年第51卷第1期（总第269期）Bridge Construction, Vol. 51# No. 1 #2021 (Totally No. 269)
文章编号！003 —4722(2021)01 —0082 —06
王飞12，吕忠达S赵卓S王永刚2
(1.宁波工程学院浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心，浙江宁波315211$
2.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江宁波315211)
摘要：为避免船舶与桥墩相撞时两者出现较大损伤，基于刚柔匹配、柔性导向原理，提出在 桥墩上设置一种由外钢围、防撞圈和内钢围构成的新型柔性防撞装置，对比分析分别设置普通刚性 防撞装置与该新型柔性防撞装置的情况下，船舶正撞及斜撞防撞墩时防撞装置与船舶的动力学行
为、能量转换关系，并进行实船撞击试验验证新型装置防撞效果。结果表明：新型柔性防撞装置可 将船舶撞击的集中力转化为分布力，相比于普通刚性防撞装置，正撞时最大撞击力降低了 56 \，撞
击时间延长了 84%，斜撞时最大撞击力降低了 37%，撞击时间延长了 67%，提高了防撞效率；刚柔
匹配的柔性防撞装置可有效拨转船舶航向，降低了撞击过程中的能量交换。实船撞击试验结果表
明：新型柔性防撞装置整体安全、可靠，能较好地应用于桥墩防撞中。
关键词：桥梁工程；船桥碰撞；采性防撞装置；刚采匹配；撞击力；撞击时间；数值仿真
中图分类号：U443.26 文献标志码：A
Research on Flexible Anti-collision Device for Bridges
Based on Rigid-Flexible Matching
WANG Fei1'2, LYUZhong-da1, ZHAOZhuo1, WANG Yong-gang2
(1. Engineering Research Center of Industrial Construction in Civil Engineering of Zhejiang P
Ningbo University of Technology, Ningbo 315211, China; 2. Key Laboratory of Impact and Safety
Engineering，Ministry of Education，Ningbo University，Ningbo 315211，China)
边缘的权利
Abstract：When a pier is hit by a ship,both the pier and ship are like damage.Based on the rigid-flexible matching and flexible guiding principle,a new type of flexible
anti-collision device for piers is proposed,which consists of an external steel enclosure,
anti-collision rings and an internal steel enclosure.The dynamic properties of theanti-collison
device and energy-conversion relationship between the device and the ship in the head-on collision
and side collision events were analyzed and compared,when equipped with conventional rigid
collision device and new type of flexible anti-collision device,respectively.Tests were to verify the anti-collision effect of the new device.The results show that compared with the
conventional anti-collision device,the new type of anti-collision device can convert the centered
collision force to scattered force,allowing the maximum head-on collision force reduced by56%and the collision duration to be extended by84%；what'sm ore,the maximum side
collision force is reduced by 37%,and the collision duration is extended
收稿日期：2020 — 07 — 06
基金项目：浙江省自然科学基金项目（LQ20E080012)；宁波市自然科学基金项目（202003N4171)；宁波市科技创新2025重大专项项目(2019B10076)
Project of Natural Science Foundation of Zhejiang ( LQ20E080012 ) ；Project of Natural Science Foundation of Ningbo
(202003N4171) ；Project of Ningbo Science and Technology Innovation 2025 (2019B10076)
作者筒介：王飞，讲师，E-mail:****************。研究方向：桥梁结构防撞技术。
通信作者：王永刚，教授，E-mail:**********************&研究方向：近海工程结构冲击安全防护。
基于刚柔匹配的桥梁柔性防撞装置研究 王飞，吕忠达，赵卓，王永刚83
collision resistance of the pier. The flexible anti-collision device based on rigid-flexible matching can effectively steer the moving direction of the ship and reduce the energy transmission in the collision
process. Tests on the real bridge show that the new type of flexible anti-collision device is safe and reliable，which is a better collision protection solution for piers.
Key words：bridge engineering %ship-bridge collision %flexible collision protection device % rigidflexible matching；collision force% collision duration% numerical simulation
1引言
随着交通量需求日益增加，桥梁规模及数量发
美国中期选举结果公布展迅速。与此同时，水运交通也日益繁忙，虽在一定
缓 交通 ，丨]撞击桥墩的
，可能 的生命财产损失，为 避免出
现上述情况，工程中 用桥梁防撞设施保护桥梁
的安全[1]。桥梁防撞设为高强刚
性、复合材料或组合结构等结构形式，根据不同的性 能 和适用场合，另可分为橡 、防撞 等
[29]，者对桥梁防撞设施展开：张
等[4] 一合防撞结构，不同工况下船舶撞击防撞结构仿真 。贾恩实[$]依托平潭海峡公铁大桥元洪航道桥，提出 +
V形防撞梁的组合式防撞体系。樊伟等[67]提出了 一种钢一UHPFRC组合防撞新结构，发现该防撞结 构可有效地降低碰撞 ，延长撞 。鲍莉霞等[8]提出了一种波纹钢夹 能结构，并通过数
值模 该结构的合 方式和结构参数。
前述研究及工 用情况可知：高强刚性的防撞设 保 桥墩，但不能很好地保护来撞船，且造价较高；复合材料或组合结构的防撞措 .能保护桥梁及船舶，但其变形具有一定的局域性，耗 能效率不高，，形较大，结构发生凹陷，易造成船头被陷住而难以滑动。为在船撞桥时既保 护桥梁 ，又提高防撞效率，于刚柔匹配、柔性导向原理，提出了一种新型柔性防撞装置，建立 防撞装置的防撞墩模型，模拟船
以不同 别撞击设置了普通刚性防撞 和设 柔性防撞 的防撞墩（以下分别 “普
通刚性、新型柔性防撞墩*，碰撞过程的为与能 关系，并开展 撞击试验，验证该 柔性防撞 的有效性和可靠性。
2新型柔性防撞装置
基于刚柔匹配、柔性导向原理，提出一种新型柔 性防撞 ，该 围、防撞圈和内钢围
构成，如图1所示。
图1性置示意
F i g.1D etai S s of N e w F lexib e e An ti-collisio n D evic e
新型柔性防撞装置中，外钢围具有足够的刚度，当船舶撞到外钢围时，防撞装置中所有的防撞圈共同受力，将 撞击的集中 为 ，提高装的防撞效率。柔性防撞圈是防撞的核心元件，通过串联、并联连接内、外钢围。由于在撞击过 程中防撞圈将分别受到各方向压力、拉力、剪力等作 用，因此将防撞圈设计 形。防撞圈有 的柔性，当撞到防撞 ，船舶可以推着 围发生整体位移，在运动的初期，防撞圈产生的反作用力 较小，当运动一段距离，防撞圈被压扁后，作用力逐 渐增大，可 作用力下有足够的和空间改变其运动方向。同时外钢围在迎撞方向上做 成一定角度的尖形，船舶撞击到防撞装置的外钢围时，受到 原方向的向 ，向离开桥墩
的方向运动。柔性防撞 合尖形刚性 围可有 效地拨 航向，保 能，显著
防撞 的能 ，达到“四两拨千斤”。内钢围起支撑防撞圈的作用。该柔性防撞装保护桥梁的同时，又可 受到的损害。
3数值模拟
3.1有限元建模
用LS-D Y N A软件建立散货船与防撞墩的有 限元模 碰撞仿真计算。依据《内河通航 （(GB 50139 —2014)及相关内河段船舶营运情况，选 取1 000 t级 作为设计计，船舶总长52. 8 m、宽8. 8 m，型深4. 1m，设计吃水深3. 2 m，
外钢围
迎撞角
船舶
防撞圈
84桥梁建设 BridgeConstruction 2021， 51(1)
线 3 (a )所示，正撞新型柔性防撞墩时，撞击力线
；（P )所示。
；可知：①
丨白在0.0% 0 通刚性防撞墩相撞，撞
线从0 7
渐 ，在0.13 s
到
撞
击力4.1M N 。随后撞击力在时间约为061s 时下 到0，此
经
和普通刚性防撞墩分7，
撞击时长约为0.45 s 。② 0.17 s ：新型
柔 性 防 撞 相 撞 ， 撞 线 0 7
渐 ， 0.21s
到
撞
1.8 MN 随后撞 为1s 时下降到0，此时船舶已
经
和
柔性防撞墩分开，撞 长约为0.83s 。通过 ，新型柔性防撞墩的
撞 通
刚性防撞
5%\，撞
长了 84\。表
柔性防撞墩可较好 撞 、延长撞击，可有效保护桥梁和
。
0 0.4 0.8 1.2 1.6
时间/s
(b )正撞新型柔性防撞墩
图3工况1 时程 ：
F ig . 3 Tim e-H istory C u rv e of Im pact Force in Load C a se 1
工况1正撞普通刚性防撞墩的能量转换如图
4(a )所示，正撞
柔性防撞墩的能
4(P )所示。 4可知：①正撞普通刚性防撞
％
船舶的初始动能为11.9MJ ，在碰撞的过程中，船舶
的动能
为船舶和防撞 的变形能，最高
值约为0.76MJ ，占初始动能的％.4\。在碰撞过程
中，
数能量可
带走。②正撞
柔性
防撞墩时，船舶初始动能为11.6MJ ，动能部分转换
用壳单元模拟，材料选 用钢A H 36(屈
服强度^ = 355 MPa )。考虑船舶质量合理分布进
重，使船舶模型的 中心处于 的后三分之一位置。防撞
中的内、外钢围
用壳单元模拟，材料选取Q 345钢；柔性防撞 用
^单
元，由4个非线性弹簧单元和1个非线性黏壶单元 模拟，由试验数据拟合得出材料参数[10]。3.2边界条件和计算工况
中行驶和撞击防撞墩时的水动力
影响，引入10\的附连 以修正。 受到
水的浮力和阻力作用，约束 模
直方向位移(防止船体侧翻或 翘）及 围竖直方向位移；考虑到 工中，防撞
的内钢围与防撞
之间可以 滑动，该部位采用 接触。防撞
墩刚度对计算结果影响很小，因此没有建立防撞墩
下础
，而是建立
模型，并采用
束&
为明确新型柔性防撞墩与船舶的动力学行为及
能
，取正撞和斜撞2种工况
研究，
孽
通 刚 性 防 撞
结
， 工 况 设 计 下
①工况1(正撞）为 以4m /s 的速度撞击防撞墩
的正面斜边％0°尖角的斜 。②工况2(斜撞）为 以4m /s 的速度、以偏于航道15°前行撞防 撞 的
斜 边 %0°
的 斜
& 计
工 况
2 所 &
普通刚性/新型
柔性防撞墩
图 2! 工 况
F ig . 2 Load C a se s in C alcu lation
4
防撞墩动力学行为与能量转换结果分析
4. 1
工况1下计算结果
工 况 1 撞 通 刚 性 防 撞
， 撞
圓/只咁剩
|
,
/只*铜
|
基于刚柔匹配的桥梁柔性防撞装置研究 王飞，吕忠达，赵卓，王永刚
85
柔性防撞墩相撞，撞击力时程曲线从〇开始上升并 逐渐增加，在〇. 57 s 时达到最大撞击力2. 3 MN 。 随后撞击力在时间约为"8 s 时下降到0，此时船舶 已经完全和新型柔性防撞墩分开，撞击时长约为〇. 5 s &通过比较，新型柔性防撞墩的最大撞击力比普通 刚性防撞墩减小了 37\，撞击时间延长了 67\，表 明新型柔性防撞装置可有效保护桥梁和船舶。对比 正撞工况，当船以一定角度撞击新型柔性防撞墩时， 最大撞击力会增大，因为随着撞击角度的增加，垂直 于撞击面的速度分量会增加。
0 0.5 1.0 1.5 2.0
时间/s
(b )斜撞新型柔性防撞墩
图5 工况2撞击力时程曲线
F ig . 5 Tim e-H istory C u rv e of Im pact Force in Load C a se 2
工况2斜撞普通刚性防撞墩的能量转换如图 6(a )所示，斜撞新型柔性防撞墩的能量转换如图 6(b )所示。由图6可知：①斜撞普通刚性防撞墩 时，船舶初始动能为11. 9 M _船舶的动能部分转换 为船舶和防撞装置的变形能，最高值约为0. 58 MJ ， 占初始动能的=9\。在碰撞过程中，绝大多数能 量可被船舶带走。②斜撞新型柔性防撞墩时，船舶 初始动能为11. 6 M J 船舶的动能部分转换为船舶 和防撞装置的变形能，最高值约为0.8 MJ ，占初始 动能的=1\。在碰撞过程中，绝大多数能量可被 船舶带走。
和正撞工况类似，虽然2种装置下船撞桥的能 量大部分均能被船舶本身带走，但船舶在撞击普通
为船舶和防撞装置的变形能，最高值约为0. 5= MJ ， 占初始动能的=7\。在碰撞过程中，绝大多数能 量可被船舶带走。
图4工况1撞击过程中能量转换 F ig . 4 E n ergy C on version du rin g a C ollision
E v en t in Load C a se 1综上所述，2种装置下船撞桥的能量大部分均 能被船舶本身带走，但由于普通刚性防撞墩的变形 比较小，船舶在撞击刚性防撞墩时，会受到很大的损 伤。而新型柔性防撞墩采用了柔性元件，在碰撞过 程中柔性元件发生较大变形，给船舶转向提供足够 的时间和空间。
柔性防撞圈配合尖形刚性外钢围可有效拨转船 舶航向，相较于不利于转向的圆形或方形防撞墩，可
防撞
的 能
# 保 桥
的同时也保护了船舶。4.2工况2下计算结果
工况 2 斜撞 通 刚 性 防撞 #撞
线
5 (a ) 所 #斜撞
柔 性 防 撞 #撞
时程曲线如图5(b )所示。由图5可知：①船舶在 0611s 通刚 性 防撞 相 撞#撞
线
0 开 渐 # 062s
到
撞
击力3. 67 MN 。随后撞击力在时间约为0. =1 s 时
下 到 0#此
经
和 通 刚 性 防撞
开，撞击时长约为0. 3 s 。②船舶在0. 3 s 时与新型
冷铁
_
/-R .剩|
N
M
/^-m 剩
I
86桥梁建设 BridgeConstruction 2021， 51(1)
----动會b
—
变形能
----初始动能0 0.5
1.0 1.5
2.0
时间/s
漫威关闭电视部门(b )斜
撞新型柔性防撞墩
图6
刘招华
工况2
程中能
Fig. 6 Energy Conversion during a Collision
Event in Load Case 2
刚性防撞墩时会受到很大的损伤，而新型柔性防撞 装置在保证能量保留的同时，能较好地保护船舶与 桥梁。
H 实船撞击试验结果
为了验证 柔性防撞装置的有效性和可靠
性， 白墩港大桥开展
撞击柔性防撞
的试验（图7)。将
柔性防撞装置安装在白墩港大桥桥墩前方的1个防撞 ，在防撞
f
内钢围之
，记录防撞墩受到的撞击
力；在外钢围上设计1个船舶撞击区，在撞击区内布
，
围之间的撞
。在
的
附近设置三维加速 和陀螺仪，
速度以及船舶运动方向的变化。试验船
舶的重量为250〜400 t ，总排水量约650 t 。试验 中，船舶撞击速度为1〜4m /s 。设计不同的船舶航 速、重量和撞击方向（偏航角度0°〜25°)，共 F 了
12次实船撞击试验。结果表明：船舶在撞击防撞墩
12
受到
；防撞
好，可以继续
工作；防撞墩没有发现任何 。在撞击过程中，新
型柔性防撞 可较好地拨 航向，撞
丨与撞击前的
航速
到80\以上，
能量仍
(a )斜撞普通刚性防撞墩
12. 0「
家校互动上海以动能的形式保 。目前，基于刚柔匹配的柔性防撞
用于湛江海
桥、宁波
象山港大桥、宁波春晓大桥、三门湾大桥等工程。
图7实船 验
Fig. 7 Field Ship Impact Test
6结论
本文基于刚柔匹配、柔性导向原理，提出了一种
新型柔性防撞
，通过碰撞仿真
及
撞击
试验，得到以下结论：
!)相较于普通刚性防撞装置，正撞防撞墩时， 设置新型柔性防撞 的防撞
撞
56\，撞 长了 84\。斜撞防撞 ，最大
撞 37\，撞 长了 67\。
柔
性防撞 可隔阻强
、减少撞击力、延长撞击过
程时间。
2) 柔 性 防 撞 可 好 拨 航向，航速在撞 的
很小，
能量仍以动能
的 形 保 ，
柔 性 防 撞
有 效、
可
&
参考文献（References ):
[1]陈国虞，王礼立，杨黎明，等.桥梁防撞理论和防撞装
置设计[M ].北京：人民交通出版社，2013.
(C H E N Guo-yu ， W ANG Li-li ， YAN G Li-min g ， "al.
The
Protection
Theory
for
Ship-Bridge
Collisions and the Design of Crashworthy Devices[M ]. Beijing ： China Communications Press ， 2013. in
Chinese)
[]
郭勇.强涌潮地区桥梁防撞钢套箱支腿病害修复技 术[J ].世界桥梁，2019,47(6):80 — 84.
(GUO Yong. Techniques to Repair Damage and Lost
o
o 5
• 5 211
0-0
-
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议