0 引言

随着公路交通运输网的加密，水中桥墩数量的迅速增加加大了船舶航行的难度。近30 a来，国内外发生了一系列桥梁船撞倒塌事故，造成了严重的人员伤亡及社会、环境影响^[1]。如1981年，美国原阳光高架桥因遭受一艘2万吨货轮撞击发生多跨倒塌，造成35人死亡^[2]；2001年，美国跨海大桥伊莎贝拉皇后大桥因船队撞击倒塌，造成5辆汽车坠落，4人丧生^[2]；2007年，原325国道九江大桥遭受挖沙船撞击而造成4跨倒塌、4辆汽车坠江、8人丧生^[2]；2014年，巴西莫居河某连续梁桥遭受一艘运粮驳船的撞击，事故造成4跨主梁约900 m落梁，3个桥墩发生倒塌，2辆汽车坠入江中。

为保证桥墩的撞后安全，各国学者针对桥墩被动防船撞措施展开了大量研究，并取得较多研究成果^[3-4]，如美国新阳光高架桥主墩采用一体式人工岛防护，边墩则采用独立式薄壳筑砂围堰防护；黄石长江公路大桥双薄壁主墩采用附着式钢套箱防撞设施^{[2, 5]}，并已成功抵抗了2次船舶撞击；湛江海湾大桥主墩采用附着式柔性钢套箱防撞设施^[2]，可抵御5万吨级海轮撞击；针对杭州湾跨海大桥大范围的非通航孔桥，提出并采用了漂浮拦截索网体系^[6]；近年来复合材料防撞装置发展迅速，已在国内多座特大桥上得到应用，如马鞍山长江公路大桥^[7]、润扬长江大桥^[8]、港珠澳大桥^[9]等。

目前国内外桥梁上所应用的被动防撞设施呈现出多样化的特点。然而，由于各类防撞设施的结构差异较大，其防护能力、维护、经济性等方面以及对航道环境的影响都存在较大差异，针对各类防撞装置的防护效果与适用场合尚缺乏统一的梳理。为此，本研究首先对被动防撞装置的分类方法进行了梳理，并对各类防撞装置的研究与应用现状进行了分析。结合对国内外35座大桥防船撞装置的应用调查，对各类防撞装置的特点与适用性进行了总结，并梳理了各类防船撞装置目前面临的技术难题。最后对被动防船撞装置未来可能需要进一步研究的问题进行了展望。

1 被动防船撞措施的常见分类方法

20世纪80年代，日本学者岩井聪^[10]根据防撞设施的安装位置，将防撞设施分为直接构造与间接构造2类。直接构造是指防撞设施设置于桥墩，二者共同受力，间接构造是指防撞设置独立于桥墩结构，单独承受撞击荷载。每一类防撞设施按吸收船舶撞击能量的方式又分为弹性变形型、压坏变形型以及变位型，具体分类如图 1所示。

1991年，国际桥梁和结构工程协会(IABSE)将常用的桥梁防船撞设施分为5类：防护板系统、支撑桩系统、系缆桩系统、人工岛、浮动防护系统^[11]。在岩井聪的分类基础上，为更进一步区分各类防撞设施的功能，王君杰等^[2]将被动防撞系统归纳为3类：一体式防撞系统、附着式防撞系统与独立式防撞系统，如图 2所示。

一体式防撞系统是防护结构与桥墩结合在一起，但防护结构不能随水位上下浮动，如钢围堰、人工岛等。与一体式防撞系统不同，附着式防撞系统虽安装于桥墩基础之上，但可以随水位而上下浮动，如钢浮箱、复合材料浮箱等。独立式防撞系统与桥墩基础分离，防撞设施独立承受撞击荷载，如独立防撞墩(桩)、漂浮拦截索网等。

2 被动型防船撞装置研究进展 2.1 直接构造型防船撞装置研究进展 2.1.1 钢浮箱防撞装置

钢浮箱防撞装置一般安装在桥墩或承台周围，可以随水位上下浮动，应用较为广泛^[12]，如黄石长江公路大桥与湛江海湾大桥的防撞钢浮箱。

钢浮箱主要依靠钢材的塑性变形消耗撞击能量，王君杰等^[12]基于数值模拟对黄石长江公路大桥进行了数值分析，如图 3所示，研究结果表明对于5 000 DWT设计代表船舶，钢浮箱可吸收约75%的撞击能量。陈传景^[13]对武汉天兴洲长江大桥防撞钢浮箱的防撞数值模拟分析结果表明，对于5 000 DWT设计代表船舶，防撞钢浮箱吸收了约86%的撞击能量。

为研究钢浮箱对大型船舶的防撞机理与防护效果，肖波等^[14]采用数值模拟对湛江海湾大桥的柔性防撞钢浮箱的抗撞性能进行了较为全面的分析，如图 4所示，结果表明对于50 000 DWT的大型海轮，防撞装置能够消耗91%的船舶撞击能量，同时可以降低船舶的破损程度，从而可降低油船、化学品船发生泄露对环境造成的巨大损失。

钢材除具有良好的消能性能外，还具有优异的可加工性，因此也极大地提高了钢浮箱防撞设施的经济性，如湛江海湾大桥钢浮箱防撞装置总造价约为2 000万元，而防撞群桩方案则需7 300余万元，因此针对湛江海湾大桥的防护需求，钢浮箱防撞设施经济优势明显^[15]。

然而，钢浮箱防撞设施面临的主要问题为耐海水腐蚀性差，根据调查发现，在海洋环境下，海浪飞溅区钢板的腐蚀速率可达0.5 mm/a^[16]。即使钢浮箱防撞系统进行防腐油漆涂层，但在漂流物或小船刮碰下极易造成油漆的脱落，加速钢箱的腐蚀，如国内某跨海大桥的钢浮箱防撞设施，在安装不久后由于小船舶的撞击造成钢箱外表面防腐涂层破坏，导致外钢板裸露部位发生了较为严重的腐蚀。

根据上述讨论，防撞钢浮箱的优点为：(1)缓冲消能效果好；(2)对安装空间适应性好，可根据桥梁墩台的形状设计防撞设施的形状；(3)经济性好，但其不足之处在于钢板抗腐蚀与耐海水腐蚀性较差，因此在内河航道更为适用。

2.1.2 复合材料防撞装置

纤维树脂增强复合材料(FRP)因强度高、轻质、耐腐蚀等优点，目前在桥墩防船撞设施设计中得到了较为广泛的应用^{[8, 17-18]}，如润扬长江大桥主塔采用的GFRP防撞浮筒。与钢浮箱相比，由于GFRP材料为轻质材料，因此GFRP浮筒(箱)浮动性能更佳，同时GFRP材料耐腐性能优异，在海洋环境下适用性更强。

刘伟庆等^[8]对润扬长江公路大桥复合材料防撞装置的抗撞性能进行了数值模拟，研究结果表明，3 000吨级船舶撞击力峰值降低幅度为34%，具有显著的防护效果。祝露等^[19]对GFRP浮筒的抗撞性能进行了模型试验与数值模拟研究，结果表明GFRP筒形复合材料防撞装置对中小型船舶具有较好的防护效果，如图 5所示，设置防撞设施后船舶撞击力约为无防撞装置情况下的50%~70%左右。

然而，GFRP作为一种新型材料，对于各构件之间连接技术尚未发展成熟，模型试验中复合材料筒试部件间采用了搭接连接技术，试件在试验过程中发生了连接部位的失效。因此研发连接部位晚于主体结构发生破坏的GFRP连接技术，不仅有利于提高复合材料防撞装置的抗撞性能，对于复合材料防撞装置的应用亦有重要推动作用。

2.1.3 双壁钢围堰防撞措施

双壁钢围堰防撞设施与承台的施工相结合，既可作为防船撞设施，又可作为承台的施工模板，因此具有较高的经济性优势，也得到了较多工程应用^[20-22]。双壁钢围堰防撞设施主要利用双壁钢围堰的变形来吸收撞击能量，图 6为上海长江大桥采用的承台双壁钢围堰。根据数值模拟研究结果^[23-24]，双壁钢围堰具有较好的撞击力削减效果，撞击力峰值削减比例约为10%~30%。

双壁钢围堰防护设施与钢浮箱面临同样的问题，即防腐涂层油漆脱落后耐海水腐蚀性差，因此用于跨海大桥防撞结构将面临耐久性不足的问题，如青岛海湾大桥大沽河航道桥^[20]防撞钢围堰为避免海水腐蚀，需对钢围堰防腐层进行多种涂层防腐处理，并且由于双壁钢围堰固定于承台，无法随水位上下浮动，对于年水位落差较大的内河航道，装置的防护范围则受承台标高所限。

2.1.4 防撞护舷

防撞护舷的种类较多，常见的有橡胶护舷与GFRP防撞护舷，其中鼓型、拱型和气囊是常见的橡胶护舷形式，如鹦鹉洲长江大桥主塔柱采用的GFRP防撞护舷。陈正^[25]基于数值仿真对比研究了防撞橡胶护舷与GFRP浮箱的抗撞效果，得出结论为：(1)橡胶护舷的防护有效性受撞击位置、角度影响较大，而GFRP浮箱为连续结构，可以实现全方位防护；(2)橡胶护舷需破坏桥墩表面，钻安装螺栓孔，而GFRP浮箱对墩身无损坏；(3)橡胶护舷造价为FRP浮箱造价的7%；(4)橡胶护舷需在枯水期安装，而GFRP浮箱不受此限制；(5)由于橡胶材料易老化，橡胶护舷更换周期短，而FRP浮箱正常使用寿命可达50 a，基于此，目前GFRP防撞消能护舷逐渐得到了较多应用^{[9, 26]}。

根据上述讨论，防撞护舷具有便于更换、经济性好的优点。不足之处在于护舷单元不能实现全方位防护，且难以抵御中等或大型撞击，更适用于防护小吨位船舶，由于橡胶材料易老化，橡胶护舷的更换年限较短。

2.2 间接构造型防船撞装置研究进展 2.2.1 独立防护桩

独立防护桩与桥墩结构分离布置，防护桩之间可采用集群桩并用刚性系梁连为整体。撞击过程中主要依靠桩体变形吸收撞击能量，并将撞击荷载传递至地基，其优点为将桥墩基础隔离，可避免桥墩基础发生损伤。然而由于地基土的水平抗力较差，防护桩的抗弯能力有限，且防护桩的刚度受冲刷深度影响较大，因此仅较适用于防护撞击能量较小的情况^[27]，图 7所示为上海松蒸路斜塘大桥采用的独立防护桩系统，设计代表船舶为1 000 DWT船舶。

1961年，一艘10 000 t货轮撞击挪威Tromso Bridge的西侧防护桩系统，并将防护桩撞断。1963年，该桥东侧防护桩被一艘1 560 DWT的货轮撞毁，如图 8所示。此后，该桥重新修建了更为强壮的防护桩群，但重建成本极为昂贵^[4]。另外，由于独立防护桩群多采用钢管桩，如用于跨海桥梁，钢管桩海水飞溅区的腐蚀问题较为突出^[16]，应予以重视。

2.2.2 漂浮拦截索网

跨海大桥跨越水域范围较长，部分桥梁可达几十千米，水中非通航孔桥墩数量众多，并且通航孔桥墩/梁的抗撞能力一般较弱，其防船撞措施面临的问题有：(1)仅仅依靠直接型防撞装置无法保证非通航孔桥墩在船舶撞击作用下的安全；(2)针对每个非通航孔桥墩设置独立防撞墩(桩)经济性较差。因此，针对跨海大桥大量的水中非通航孔桥墩，陈国虞等^[28]、吴全友等^[29]针对我国跨海大桥提出了漂浮拦截索网防撞理念，如图 9所示，漂浮拦截索网体系一般由独立防撞墩、拦截索、锚碇块以及浮体组成，其工作原理为通过防撞拦截体系中的防撞墩、拦截索以及浮体共同拦截失控船只，从而保护桥梁避免发生船撞事故。

漂浮拦截索网体系陆续在我国杭州湾跨海大桥^[6]、东海大桥^[30]、福建平潭海峡大桥和浙江三门峡大桥^[31]非通航孔桥上得到应用。在世界范围内漂浮拦截索网系统也有应用，如澳大利亚塔斯曼桥、意大利塔兰托桥、日本明石海峡桥等^[4]。

吴全友等^[29]针对杭州湾跨海大桥非通航孔漂浮拦截索开展了室内模型撞击试验，试验代表船型为3 000吨级货船，试验结果表明：3 000 t船舶压载状态，以3.9 m/s速度撞击拦截系统时，拦截索系统能够阻挡船舶的撞击。为使拦截索体系足以拦截万吨级以上的船舶，王金权等^[31]对金塘大桥非通航孔防撞拦截方案进行了优化，并开展了室内模型撞击试验，试验代表船型为10万吨级散货船，结果表明：金塘大桥防撞拦截索方案对10万吨级散货船在满载、3 m/s撞击速度工况下的拦截是有效的。

后续研究进一步发现：(1)对于无球艏船舶，传统的拦截索系统有可能被船舶压于船底，从而导致拦截失效；(2)传统拦截索系统拦截阻力不恒定，拦截效果存在不确定性。因此陈涛等^[32]提出了自适应、恒阻力船舶拦截系统，并开展了模型撞击试验、实船撞击试验与数值仿真分析。研究结果表明：由于将浮体几何形状改为啤酒瓶外形，当与无球艏船舶发生撞击时，自适应浮筒能够快速提升拦截网，从而包裹船头，起到很好的自适应拦截效果，有效防止拦截索被压至船底。

漂浮拦截索网防撞装置的优点在于能够独立于桥墩拦截船舶，并且拦截索系统基本不发生损坏，可以重复使用。然而其不足之处在于造价较为昂贵，阻拦几千吨级货船的拦截索网系统造价可高达4.4亿人民币^[33]。

2.2.3 防撞人工岛

防撞人工岛通过砂石砌筑将桥墩围护成岛礁，使船舶搁浅实现桥墩保护。由于这种防撞设施能够有效阻止船舶碰撞桥墩，可重复使用，后期维护成本低，因此在早期建造的桥梁工程中采用较多，如中国香港汀九大桥和青马大桥、美国阳光高架桥、法国凡尔登桥等。但防撞人工岛也因存在显著的不足，目前已很少采用，主要体现在^{[4, 33]}：(1)人工岛将改变原有水域河床地貌，导致冲刷、回流、淤积，旋涡等问题，对水域环境影响大；(2)人工岛结构刚性大，容易造成油船泄露，存在燃油泄露导致生态破坏的风险；(3)防撞人工岛占用航道区域较大；(4)防撞人工岛的造价与现场环境相关，在有些场合人工防撞岛造价极高。

3 被动防撞设施适用性分析 3.1 应用调查

为支撑上述讨论，并进一步分析各类防撞设施的适用性，本研究调查了国内外35座跨航道大桥的防撞设施应用情况，结果如表 1所示。

根据表 1，结合各类防撞设施的应用条件，可得出如下信息：

(1) 当前针对桥墩的防撞设施以保护通航孔桥墩为主，通航孔桥墩一般具备较强的抗撞能力，以采用直接型防撞设施为主；

(2) 针对跨海大桥非通航孔桥墩的防船撞设计逐渐得到重视，而非通航孔桥墩的抗撞能力一般较弱，因此发展了漂浮拦截索网体系防撞设施；

(3) 针对通航孔桥墩的防撞设施呈现多样化特点，综合防护船舶吨位等级、经济性等各种因素，钢浮箱、复合材料浮箱、钢围堰、普通橡胶护舷均有应用；

(4) 人工岛因对环境影响大、造价较高，进入21世纪后已较少采用；

(5) 独立防撞钢管桩适用于内河航道非通航孔桥且水中桥墩较少的情形。

总体而言，针对通航孔桥墩一般采用直接型防撞装置，对于非通航孔桥墩，由于其抗撞能力不足，一般采用间接型防撞装置，这与本研究所述各类型防撞装置的适用场合一致。然而，本研究所进行的防撞装置应用统计工作量依然较为有限，因此得出的信息不够全面，统计数据有待于进一步丰富。

3.2 被动防船撞装置特点与适用场合对照

综上所述，将常见的被动型防船撞装置的特点与适用场合进行了归纳，如表 2所示。

4 结论

在交通运输行业日趋繁忙背景下，作为跨越航道的建筑物，桥梁数量的快速增长无疑提高了桥梁船撞事故的风险，因此针对桥墩防船撞装置的应用研究已得到高度重视。本研究归纳了已有各类被动型防船撞装置的研究成果，结合对国内外35座大桥防撞装置的应用情况，分析总结了各类防撞装置的特点与适用场合。随着科技的快速发展，新材料、新技术的突破也必将为今后提升桥梁被动型防船撞装置的防护性能提供强有力的支撑，本研究对未来可能需要进一步研究的问题总结如下：

(1) 对于钢浮箱、钢围堰类等防船撞装置，可采用高性能复合金属材料，如钛钢复合板材、FRP复合钢板等新型材料，提升其耐腐蚀性能，提高其在跨海大桥防船撞设计领域的适用性；

(2) 研发GFRP部件连接新工艺与新形式，以实现连接部位强度高于主体材料强度，将有效增强复合材料防撞装置的消能性能；

(3) 研发拦截索网自适应技术，提高拦截索网对不同船舶类型的拦截有效性，研发拦截索网恒定阻力装置，以改善漂浮拦截索网的拦截稳定性。