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4. 标题和副标题：用管状护舷抵御船舶撞击桥墩的可行性
5．发表日期：2008年8月
7.作者：Dr. George Z. Voyiadjis
16.摘要：船舶与桥梁的碰撞事故数量正以惊人的速度增长，因为桥梁下方重型船舶航行日益频繁。在美国，船舶碰撞对桥梁严格的设计首先由AASHTO指南规范和公路桥梁船撞设计评述所涵盖，其中引入了设计桥梁构件时所需的确定船舶撞击力的模型。该指南在AASHTO LFRD桥梁规范的部分中，并没有为桥墩保护系统的设计提供具体的指导。鉴于在路易斯安那州的通航水道中桥梁结构的数量较多，桥墩的保护得到LADOD的关注。希望能提供可接受的防撞性能的护舷装置性能可以被验证。该项目的目标是鉴定现有的保护系统，并提出新的可用于减轻桥梁/船舶碰撞的影响的系统，。努力的重点方向是验证或提出护舷系统有如下特点：（1）模块化；2）易于安装或更换；3）适用于改进现有桥梁或用于新构造；4）耐撞性，换句话说即高损伤耐受性，具有良好的能量吸收和刚度特性。5）耐用，低生命周期成本。使用新提出的基于性能的多层化设计方法，评估大量多种选择护舷的性能，并检查了它们对桥梁防护的适用性。研究发现，纤维增强聚合物（FRP）桩布置在两个桩的集群中，为中低能量水平的碰撞提供了足够的侧向保护。然而，它们不能为任何能级的正面碰撞提供保护。对于这样的用途，桥墩安装的能量吸收纤维护舷装置表明适合于吸收碰撞能量并将冲击力降低到可接受的水平。与普及使用且可买的到的车辆防撞垫一样，所提出的护舷装置可以被定制以实现广泛的适用性。然而，需要更多的研究来提供该概念的证明和制造一个广泛适用的商业市场产品。可以想象，无论是实验和计算的研究都将在开发和系统优化中被需要，到时将会可以在路易斯安那州和全国范围内广泛采用。
17.关键词：船舶碰撞，冲击，能量，纤维增强复合材料，荷载抗力分项系数法，护舷
引言
船舶与桥梁的碰撞事故数量正以惊人的速度增长，因为桥梁下方重型船舶航行日益频繁。在美国，船舶碰撞对桥梁严格的设计首先由AASHTO指南规范和公路桥梁船撞设计评述所涵盖，其中引入了设计桥梁构件时所需的确定船舶撞击力的模型。该指南在AASHTO LFRD桥梁规范的部分中，并没有为桥墩保护系统的设计提供具体的指导。鉴于在路易斯安那州的通航水道中桥梁结构的数量较多，桥墩的保护得到LADOD的关注。希望能提供可接受的防撞性能的护舷装置性能可以被验证。
根据AASHTO指南规范，预期的冲击力取决于在水道中行驶的船舶的类型以及船的载重量，尺寸和航行速度。最终的设计还应该考虑到碰撞的概率，取决于航道的几何形状以及船舶的尺寸和数量。船舶碰撞的概率和碰撞产生的预期碰撞力以及预期的碰撞损伤类型是用于风险-效益分析的重要参数，用于为特定水道选择适当的码头防撞系统设计。这项研究需要对其他州甚至世界各地使用商业使用的最先进的保护系统进行大量的文献搜索调查。
从该项目进行的文献调查得出的结论之一是，桥梁防撞技术并不像用于车辆的道路安全装置那样先进。防撞技术在过去的几十年里变化不大，主要的进步是使用纤维增强聚合物（FRP）管桩。尽管过去十年进行了一些研究，纤维增强聚合物钢桩仍然被大多数桥梁工程师认为是实验性的。例如，许多州仍在尝试使用FHWA的国际复兴开发银行计划，该计划允许各国在大规模部署之前评估试验项目的实验技术。然而，车辆保护装置远没有实验性。市场上有数百种创新产品可供选择，其中大部分产品受专利保护。事实上，NCHRP已经开发了NCHRP-350（2000）规范以确保这些产品能够提供所需的保护水平，因此存在许多不同类型的产品。
用于设计这两种保护装置的哲学的巨大差异是显而易见的。道路安全装置主要用于保护车辆乘员在两物体碰撞期间，尽管它们也有用于保护桥墩免受过度的车辆碰撞力的装置（El-Tawil等，2004）。另一方面，桥梁防撞装置保护桥梁免受过度的碰撞力，同时应该防止犯错的船只沉没或被损坏，直至其将货物释放到环境中。后一点很重要，因为驳船和船只经常携带可能污染损坏环境的货物。另一个关键区别在于生成的加载类型。车辆保护装置受到相对较轻的车辆产生的高速冲击载荷，而挡板由重载船舶产生的低速冲击载荷。
尽管车辆和船舶保护装置的要求存在差异，但其基本功能时相同的，即它们必须处理并安全处理所传递的碰撞能量。本报告关注这一特定主题，从而为桥梁防护设施制定了新的基于性能的设计理念。新方法定义了三个级别的性能，可以评估桥梁挡泥板的性能，即命名低能量碰撞，中等能量碰撞和高能碰撞。 在这个框架内评估各种类型的商用防护板，并就其适用性作出结论。 此外，在新提出的基于性能的设计框架内提出并评估新型防护板。
问题陈述和目标
一个防护系统可以定义为用来来预防，重定向，或减少桥墩和承台上的冲击荷载影响。如果保护系统的抗力高于船舶的压毁力，船舶的船首将被压扁，船舶将吸收冲击大部分能量。如果船舶的破碎力高于防护系统的抗力，冲击能量主要由防护系统的非弹性变形吸收。船只受损可能导致严重的环境后果，例如油类和其他化学品的泄露。因此，有效的保护系统不仅要保护桥梁结构，而且要保护船只和环境。目前防护系统设计的做法是基于能量考虑。因此，冲击之前船舶的动能被等量转换成必须被保护系统通过变形吸收的能量。当前安装在桥墩周围的防撞系统通常呈刚性但相对较脆。这些障碍通常表现出高水平的破坏甚至完全破坏，需要在发生碰撞后进行大修。
船舶碰撞设计要求是通航水道桥梁设计中的一个重要因素，可能影响桥梁结构和布局，桥墩的类型和尺寸，或者是桥墩保护系统的类型和尺寸。当碰撞事故（不管是轻微事故还是重大事故）确会发生，并且防撞装置首先受到损坏，因此发展防撞系统对于以开发特定性能保护桥梁的防撞系统非常重要。例如，防撞设计理念可能涉及各种性能要求，例如，在轻微碰撞或颠簸的情况下，防撞系统不该发生损坏; 或者对于严重碰撞，防撞系统可能会受到损坏，但应该能够吸收足够的能量以防止偏航的船只损坏桥梁。
在一座新桥的规划阶段，将船舶碰撞载荷纳入规划的成本可以占到在没有保护的情况下从基础结构成本的5％到50％之间，并且对现有桥梁进行改造或增加保护的成本可以从25％甚至超过现有桥梁的成本的1倍。吸能防撞装置已被认定为可以为桥梁提供可接受的防护性能和寿命周期成本的潜在保护系统。
这项研究的目标是鉴定现有的保护系统并提出可用于减轻船桥碰撞影响的新系统。努力的重点是鉴定或提出防撞系统，这些系统是：1）模块化; 2）易于安装或更换; 3）适用于改造现有桥梁或用于新构造; 4）耐撞性，即具有良好的能量吸收和刚度特性的高度损伤耐受性; 5）耐用，生命周期成本低。考虑其他州或国家的许多现有系统作为这项工作的一部分，已经进行了全面的文献综述，。获得的结果有助于确定使用的正确的防撞系统。
文献综述
桥墩护舷系统可以由木材，钢铁，混凝土或橡胶制成，并直接安装在桥墩上（见图1-4）。 然而木材，钢铁和混凝土护舷通常易碎，并且在高冲击力下可能会受到不可挽回的损坏，但橡胶固有的高弹性赋予了较高的能量吸收特性。木材护舷由垂直和水平木梁组成，可以直接连接到桥墩或架设在桥墩边上。由于木材成本低，因此常用木材。 然而，木材护舷对于轻微的碰撞是最有效的，但一般不会制造出能够抵御大型船只的尺寸。
混凝土护舷是中空的薄壁混凝土箱体结构，通过弯曲和混凝土墙体的粉碎来扩散冲击能量。钢制护舷提供与混凝土护舷一样的能量扩散; 然而，在这种应用中，应在钢护舷上安装木质护舷以防止钢壳船舶遇到钢质护舷时出现火花。
橡胶护舷有各种形状，可以通过商业采购。它们以压缩，弯曲和剪切变形或三者的组合的形式来吸收冲击的能量。橡胶护舷还具有低维护成本和高耐久性的优点。桥墩安装的橡胶护舷已经成功地吸收了碰撞过程中的一些冲击力，减少了码头上的最终力，并避免了永久性损坏。这些改进的橡胶产品有助于提高用于桥墩保护的橡胶护舷的效率。例如，层压橡胶的载荷变形，能量吸收和化学性质使其成为船舶和其他结构用的在初始挤压和模制橡胶的首选。
桥墩碰撞实例
如表1所示，对文献进行简要调查可以得出使用羸弱的保护系统的后果。设计得当的护舷系统有助于保护桥梁免受灾难性故障的影响，例如1993年与阿拉巴马州Amtrak大桥发生碰撞，造成47人死亡，数百万美元的损失。2002年5月，14名驾驶人员遇难身亡，99英尺长的拖船Robert Y. Love在阿肯色河上推进了两艘空的298英尺长的驳船，偏离航向，撞向俄克拉荷马州韦伯斯瀑布的40号州际公路桥。 Whitney等人描述了AASHTO船舶碰撞模型在俄亥俄河上驳船运输的应用。
图5显示了I-40桥梁碰撞的图片，其中一节道路掉落在驳船上，这艘船撞倒了横跨阿肯色河的I-40桥梁的支撑物。倒塌的桥墩离通道约200英尺。这次碰撞再次引起了人们对公路和铁路桥梁与船舶碰撞的保护问题的担忧。I-40大桥建于1967年，并被俄克拉荷马州交通局评为满意。该州的交通局已经对阿肯色河上的桥梁进行了船桥碰撞调查，但得出的结论是，一艘船撞击I-40桥的外部桥墩的可能性很小。因此，护舷位于导航通道旁边的两个桥墩的上游侧，而下游侧则没有。
桥墩的保护：历史的经验与实践
美国桥梁结构冲击-防御标准的发展始于1980年5月8日一艘海轮撞击了位于佛罗里达州Tampa的阳光高架桥的支撑系统之后，导致这个大跨度的高架桥的倒塌。在1988年，有11个州和FHWA赞助了一个共同出资的研究项目，以建立船桥撞击设计规范。在1991年，该项目的研究成果被AASHTO采纳，并作为公路桥梁碰撞设计规范和注释发表。指南规范提供了三种船舶撞击的设计方法，称为方法I，II和III。第一种是半确定性方法，允许设计人员选择设计的船只进行冲击碰撞。第二个涉及基于对实际交通数据的概率分析来选择设计船只。第三种方法采用合算的的分析程序来选择设计船舶且类似于方法II。指南规范的方法II已被纳入LRFD桥梁规范。
美国陆军工程兵团（USACE）最近进行了全尺寸驳船冲击实验。这些实验在水道实验站进行，以协助验证当前在吸能护舷系统设计中使用的驳船冲击方法。这些全尺寸的实验利用了四条和十五条驳船的拖曳结构。船队完全压载到大约9英尺（3米）的吃水深度，并使用最先进的仪器进行布置来记录实际的冲击力和系统在冲击过程中的特征。在这些实验中，拖船在冲击过程中的角度和速度范围为每秒0.5至4.1英尺（0.2至1.2米），冲击角度为5至30度。 这些实验的结果将用于进一步确定和发展驳船冲击的数值模型，并协助设计在USACE项目中使用的程序。
在与佛罗里达大学的共同努力下，佛罗里达州交通局最近进行了一系列类似于USACE所做的的驳船撞击实验。佛罗里达州的实验旨在评估AASHTO的规定并校准现有的设计指南。实验不久前已经结束，但其结果尚未公布。
商业适用的防护桩系统
市场上可购买到的吸收能量的防护桩系统如下所述
1.SEAPILEreg;＆SEATIMBERreg;复合材料海船用产品：SEAPILE和SEATIMBER复合材料海船用产品是由100％回收塑料制成的塑料打桩和栋木，为传统的化学处理木桩和栋木提供替代产品。 SEAPILE和SEATIMBER复合材料海洋打桩和栋木已用于华盛顿，阿尔及利亚，香港，韩国，巴巴多斯和瑞典。
2.硬核复合材料：Hardcore Fender和Dolphin Systems是为每种情况而定制设计的。护舷被固定在复合桩的外面以保护码头或桥墩。他们已在特拉华州被应用。
3.泡沫填充的海洋用防护板：ProMar泡沫填充海洋用防护板是能吸收高能量的，弹性的海洋用物体，用于为船舶，码头，港口中船与船或船与运营设施提供保护。
4.甜甜圈类型单桩护舷：ProMar甜甜圈型单桩护舷是用特殊用途泡沫填充的安装在固定单桩上的防护装置。护舷和桩作为一个集成系统来吸收能量并抵抗由船只撞击或其他外力所产生的反作用力。
5.Maritime International Inc.：海洋国际集团销售一系列UHMW-PE海洋塑料材料，用于码头，港口和桥梁用的护舷。 提供了广泛的尺寸，厚度和原始材料颜色以及再加工材料。
6．Urethane Technologies, Inc.:聚氨酯科技有限公司生产具有多种设计，形状，配置和颜色的耐撞产品。护舷或其他漂浮装置可以根据客户的特殊需求定制设计和制造。
7.Viking Fender：维京轻软泡沫船和码头用护舷被誉为可提供寿命最长，重量最轻的重型船舶和码头护舷。 它们易于使用，操作安全，并且需要少量人员和轻型设备进行部署和拆除。 他们已在新泽西州使用。
8.Svedala / Trellex：斯维达拉/ 特莱克斯是J.H.Menge＆Company集团的子公司，专门设计海洋防护装置和机械制造商。目前它正在向墨西哥湾沿岸的造船厂，炼油厂和码头及码头建造业和海洋石油工业第四代工程进行销售。他们在新奥尔良的办公室覆盖墨西哥湾沿岸甚至上到孟菲斯。
9.Ultra Poly，Inc.：Ultra Poly，Inc.是一家以服务为导向的公司，提供各种超高分子量产品，从压塑板到冲压型材和以及定制部件。超高分子量聚乙烯（UHMW）通常被称为世界上最坚硬的聚合物。UHMW是线性高密度聚乙烯，具有高耐磨性和高冲击强度。
10.施拉德公司：施拉德公司的塑料桩集团：施拉德集团的塑料桩公司提供再生塑料桩，以满足设计工程师对弯曲载荷，轴向载荷或两者结合的要求。可根据要求提供挡泥板护舷和带钢管芯的垂直承重桩（以及带纤维增强件的防撞桩）。PPI打桩对所有的海洋腐蚀免疫，因此不需要进一步的保护（例如杂酚油或塑料护套）。PPI打桩本质上是免维护的。1987年4月，它们已经在洛杉矶港进行了过测试。
11.舒勒橡胶公司：舒勒橡胶有限公司设计，测试; 并自1950年以来生
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