摘 要：为明确通明海特大桥桥墩不同水位下抗力水平 ， 设防船舶撞击力，建立静力与动力模型对桥墩抗撞能力进行分析，提出柔性防撞方案 。开展复合材料力学性能试验 ， 确定复合材料在不同荷载下的破坏方式，根据试验结果定义正交各向异性本构 ， 分析防撞装置在球鼻艏、前倾型艏船撞击下的防护性能 。结果表明：过渡墩与第一跨引桥墩在高水位下抗撞能力不足；设置防撞装置后最高可削减船撞力51%,耗能比最高可达84% 。
关键词：船桥碰撞;抗撞能力;船撞力;复合材料;防撞装置;
作者简介：郑植，男，博士研究生，工程师;
基金：国家重点研发计划项目(编号：2017YFC0806000);广东省交通运输厅科技计划项目(编号：2016-02-005);
2017—2018年，广东洪奇沥大桥、莲溪大桥、斗门大桥、磨刀门大桥、珠海大桥及重庆朝天门大桥相继遭受船舶撞击，造成严重损失[1] 。船桥碰撞问题已日趋严重 ， 近年来关于桥墩防撞保护设施的研究得到越来越多关注 。桥墩防撞设施种类繁多，国际桥梁和结构工程协会将桥梁保护结构分为防护板系统、支撑桩系统、系缆桩系统、人工岛或暗礁保护以及浮动保护系统5大类[2] 。王君杰[3]将桥梁防撞系统分为独立式、一体式和附着式3大类，并详细介绍了不同类型防撞设施的适用场合 。其中附着式防撞浮式结构因能适应大水位落差，在抵御中等撞击能量下具有较为明显的优势；张锡祥[4]提出一种多节段燕尾榫连接的防撞浮箱结构 ， 开展了大节段足尺冲击试验 ， 证明其具有较好的缓冲折减性能，其成果已应用在黄花园大桥上；刘伟庆[5,6]提出一种自浮式圆形截面复合材料防撞圈，采用格构腹板增强泡沫夹芯材料制作，通过凹凸榫卯式插销连接形成整体 ， 并进行了多个工程应用；樊伟[7]提出一种新型钢-UHPFRC组合结构防撞装置，结合试验与数值模拟验证了其防护性能，并成功应用于长沙湘江一座斜拉桥过渡墩上 。
斜拉桥由于跨越能力大被广泛应用于跨航道工程中，其主跨通航孔的通航尺度可满足大吨位船舶及船队通航 。斜拉桥主桥墩刚度大，抗撞能力强，而邻近主航道的过渡墩与第一跨引桥墩通常抗撞能力不足且碰撞概率较高，易遭到失控船舶撞击引起倒塌 。如2007年一艘2 000 t砂船撞击广东九江大桥23号桥墩，导致大桥南侧前三跨引桥倒塌，事故造成8人死亡，4辆汽车落水，一艘中型运砂船沉没，经济损失达4 500万元[8] 。因此对于航道斜拉桥的过渡墩及邻近引桥墩进行防护意义重大 。该文针对湛江通明海特大桥，计算桥墩抗撞能力，通过数值模拟研究各桥墩设防船撞力 。对过渡墩及第一跨引桥墩提出一种新型柔性防护装置；开展复合材料力学性能试验，分析不同荷载下复合材料的破坏方式，确定材料本构参数；最后对防撞装置的防护性能进行研究，以便为工程顺利实施提供保障 。
1 工程概况通明海特大桥横跨通明海，是东雷高速公路的控制性工程，属于广东省重点交通建设项目 。大桥主桥为(146 338 146) m双塔三跨双索面组合梁斜拉桥，桥面全宽36 m, 设计最高通航水位为6.714 m 。采用单孔双向通航，通航孔跨径为338 m, 通航净宽270 m, 上底宽与净宽一致，净高28 m, 侧高与净高一致 。距离通航孔上下行航迹中心3倍船长范围包含主墩、过渡墩与第一跨引桥墩 。桥型布置见图1[9] 。
主塔采用A字形，塔高121.3 m, 中塔柱及下塔柱间设置横梁 。主塔基础采用2.8 m钻孔桩，每个桥塔设30根桩基 ， 桩长123 m; 辅助墩、第一跨引桥墩桩基分别采用2.5、2 m桩径，桩长分别为84.5、93 m 。大桥基础形式为高桩承台，按摩擦桩设计 。
图1 通明海特大桥桥型布置图(单位：cm)
根据文献[9],大桥采用梯次设防 ， 靠近航道的主墩按3 000 t级货船设防，船长108 m, 型宽16 m; 远离航道的过渡墩与引桥墩分别按2 000、1 500 t设防 。
偏航船舶速度采用三角形分布插值确定[10],如图2所示 。其中