1概述

　　改革开放30多年来，我国公路建设发展迅速，公路通车里程由89万千米增长到386.0889万千米，实现了“五纵七横”的国道主干线。截至2010年底通航桥梁共有40972座，其中绝大多数桥梁桥墩未设桥墩防撞设施，严重危及桥梁的安全，桥墩防船撞设置迫在眉睫。桥墩防船撞击的被动防撞保护技术措施，国内外常用和有效的作法是在桥墩周围增设防撞围护结构。目前常用的桥墩防撞围护结构，按照国际桥梁和结构工程协会（IABSE）的划分标准可分为如下五类结构：防护板结构，支承桩结构，系缆桩结构，人工岛或暗礁保护结构，浮体式保护结构。

　　桥墩防撞围护结构的选择，主要依据桥墩自身的防撞能力、几何外形、水流速度、水位变化情况、通航船舶类型、碰撞速度及角度等因素综合分析确定，但应满足如下基本要求：兼顾桥梁、航道、水运三方利益；结构体量小，少占航道；能适应水位和落差变化；吸能能力强；撞后能恢复，即大能量撞击后可修复继续使用，小能量撞击后不需修理；不因围护结构而产生诸如河床冲刷、回流淤积、环境保护等新问题；安装、运输方便，工程造价较低。

　　浮体式保护结构在桥墩防撞体系中优势比另外四类桥墩防撞围护结构更明显，综合优势更强，故成为目前桥墩防撞工程应用得最多和最好的防撞结构，使用前景更广阔。现在新型材料FRP桥墩防撞体系属于浮体式保护结构的一种形式，它应用在桥墩防撞上突破了传统模式，是一项与时俱进的应用，此四新技术应用不仅具有传统方案所有优势，而且还有“自定位、弱接触、高消能”“科学”、“经济”、“和谐”等众多优势，是一项前景广阔的四新技术。

　　2FRP桥墩防撞浮箱消能机理分析

　　2.1FRP桥墩防撞浮箱的总体结构形式

　　FRP桥墩防撞浮箱的总体结构形式，为围护在桥墩四周的FRP外围箱体结构与附着于外围箱体结构内表面上的一排FRP内衬八边形柱壳薄壁构件组成的组合结构（如图1所示）。FRP外围箱体结构，为浮箱的抗撞消能主体结构和浮力平衡结构；FRP内衬柱壳构件，为浮箱与桥墩的弱接触连接支承结构和撞击缓冲结构。

　　2.2防撞浮箱消能机理

　　浮箱的消能主要从外层结构、内层结构、内外水流受撞击时产生的阻力这三方面消能。

　　2.2.1外层结构消能和散能

　　最外层结构的消能原理，外围箱体结构中舱内的八边形和四边形柱壳薄壁构件相互之间及其与箱壁之间是进行有机联结，在正常状况下不受外力作用下处于不受力状态，既不受力、也不传力，当浮箱受到外力作用时产生力的传递，外围部件产生相互挤压、相互运动、相互传递。当船舶或漂浮物以高速度撞击到浮箱外围箱体结构任一部位时，以较大的动能和势能产生较大的冲击力，受撞部位的外围箱体结构的中、底舱外箱壁借助其高强度、低刚度保证其不被撞坏的前提下产生向内位移的大变形，从而挤压中舱箱内的八边形柱壳构件和四边形柱壳构件，迫使箱内每个柱壳构件都产生不同程度的相互挤压变形和相互运动摩擦，消耗冲击时产生的具大能量，在消能过程中如外层结构不足以消耗撞击时的能量就将外层结构撞坏，从而使这些柱壳构件为外围箱体结构提供变形较大的变形能和作功时间较长的摩擦能及能耗最高的散能；外围箱体结构同时借助FRP材料完全弹性和低应变速率的优异性能，通过缓慢地释放变形能反推船舶作功形成浮箱反作用功，以进一步消耗船舶的撞击动能和进一步增加浮箱总的撞击作功时间，使浮箱外围箱体结构通过正向作功吸能和反向作功耗能这两种消能模式可消耗船舶撞击动能的六层左右。
　　
　　2.2.2内部构件的变形消能和散能

　　浮箱内层结构比外层结构内的刚度更低和约束更弱的设计，当浮箱外层结构受到撞击时，内层结构比外层结构有更大的挤压变形空间，当外层结构受撞击时剩余部份能量传递到内层构件，内层结构通过其更大的变形消能和散能来吸收浮箱外围箱体结构消能后剩余的部份撞击动能，如内层结构不能消耗掉所有剩余的能量，就会将部份部件压坏，并同时将剩余的船撞力经变形缓冲和支承面积扩散后再传给桥墩，使桥墩直接承受的船撞力可进一步降低至其可承受的水平。

　　3FRP桥墩防撞浮箱应用优势分析

　　3.1运行中的桥墩防撞工程实施的必要性和紧迫性

　　例：重庆嘉陵江黄花园大桥1、2号主墩在2010年、2020年和2050年预测通航密度下的船撞倒塌频率分别为1.86×10-4、1.17×10-3、2.36×10-3，均大于重要桥墩的可接受风险10-4，故有必要对其进行防撞保护，避免船撞突发事故。黄花园大桥1、2号主墩现时要求的设防船撞力高出桥墩自身抗力21%～50%，桥墩一旦被撞则可能造成巨大伤害，故须及时对其进行防撞保护，提高桥梁防灾减灾的能力。

　　3.2桥墩防撞工程结构的合理性和可行性

　　根据桥梁所处地水系、洪水频率、水流大小、水流湍急程度、船舶类型、船舶流量等因素决定了桥墩防撞结构类型的合理性。以长江下游的一座大桥采用管桩结构案例作分析：此特大桥由于在建期间遭遇特大洪水，桥区河段滩槽发生剧烈变化，原设计主通航孔在枯水期通航困难，自建桥以来，已有三届枯水期被迫利用没有防撞设施的非通航桥孔通航，桥下通航存在严重安全隐患。为此，2008年交通部决定对可能作为通航孔使用的6个非通航桥孔、七座桥墩设置防撞加固等设施，以保障船舶航行和桥梁安全。此长江大桥防撞工程总投资6300多万元，考虑桥墩全方位防撞防护，防撞工程建设采用管桩方案，即在桥墩四周设置16根桩径为1.5米、壁厚为22毫米、长度29.5米的钢管桩，钢管桩内浇注混凝土，钢管桩通过系杆连接成整体，周边设置消能钢板和橡胶护舷，钢管外露部分进行防腐处理。采用此方案固然达到安全防护的要求，但建设成本高、维护费用高、维护工作量大、维护难度大等不利因素。综上所述，如采用当今国内外桥墩防撞工程应用得最多和最成熟的防撞结构形式为钢浮箱形式的浮体式保护结构，将达到事半功倍的效果。又因钢浮箱通过消能降低的船撞力比例约30%，且撞后修复工程量大，使用期防锈养护多，方案优选FRP浮箱结构经消能降低的船撞力比例约50%。且撞后主体结构不坏，使用期不须防锈养护，故FRP浮箱结构设计方案比钢浮箱更合理、更科学、更实用。

　　3.3桥墩防撞工程的经济性和可靠性

　　杭州湾跨海大桥、湛江海湾大桥、荆州长江大桥、菜园坝大桥、黄花园大桥桥墩防撞工程的单墩工程造价分别约为1134万元、1200万元、900万元、750万元、500万元，故设计方案的FRP桥墩防撞浮箱结构比同类钢浮箱更经济。另外浮箱结构又比其它防撞结构经济，例如湛江海湾大桥，钢浮箱防撞结构工程造价比人工岛防撞结构工程造价低3倍左右。

　　钢浮箱浮体式保护结构已先后在我国10多座桥梁中成功应用，FRP桥墩防撞浮箱的技术经济性能比钢浮箱更优，FRP桥梁结构的设计施工有技术规范参照和成功案例，故能保证该桥桥墩防撞工程实施的可靠性。

　　4结论

　　第一，FRP桥墩防撞浮箱结构，依靠其全新的结构形式、连接方式和消能模式，使其具有“自定位、弱接触、高消能”结构功能，不仅抗撞击破坏的能力比钢浮箱强，而且通过能量吸收和动量缓冲降低船撞力的比例也比钢浮箱提高1倍以上，故能比钢浮箱更好地对桥墩提供防撞安全保护。

　　第二，FRP桥墩防撞浮箱结构，具有“和谐防撞”与“长效防撞”的技术、经济优势，是桥墩防撞工程的技术创新和技术进步，经进一步研究完善推广工程应用，将有助于桥梁防灾减灾技术实力的提升和桥梁、水运建设的和谐发展。

　　第三，FRP桥墩防撞浮箱结构，反映浮箱外围箱体结构内多边形柱壳构件挤压变形、摩擦运动、崩溃破坏及浮箱-水流耦合作用的结构分析和计算也是一项全新的理论研究课题，具有较高的难度。通过这些理论问题的研究解决，将推动桥墩防撞工程设计迈向“科学”、“经济”、“和谐”的更高水平。