一种船舶拦截系统及其应用

1.本发明涉及桥梁防撞工程技术领域，具体涉及一种船舶拦截系统及其应用。


背景技术：

2.通航水域中的桥梁存在被船舶撞击的风险，而船舶一旦撞击，轻则船、桥受损，重则船沉、桥塌，直接危及人民的生命安全，桥梁的中断通常能使得整条交通线甚至交通网瘫痪，因此船桥碰撞产生的后果往往很严重。
3.本发明的技术背景主要基于如下两点：
4.(一)大型水域非通航孔处桥墩的防护问题
5.通航水域中的桥梁，一般可分为通航孔和非通航孔。一般认为通航孔处的桥墩被撞风险大，设计中大都考虑了抗撞设计或设置有防撞装置。但在大型水域上的桥梁，其通航孔一般较少，而数量众多、跨线长、结构设计单薄的非通航孔桥墩则成为抗撞的薄弱环节，非通航孔处的通航净空低、桥墩因跨径小等因素其设计相对柔弱，一旦发生船撞，更容易导致主梁塌落、桥墩失效，进而引发严重事故。
6.而根据《公路桥梁抗撞设计规范》jtg/t 3360-02-2020规定，桥梁抗撞设防区域应包括主通航孔、辅通航孔以及设计最高通航水位下船舶可能到达的非通航孔。因此非通航孔处存在被撞可能的桥墩均需考虑防撞。如果非通航孔处桥墩数量不多、通航净空满足，通过对单墩逐一设防若能满足抗撞需求，则可参考通航孔处进行抗撞设计。但在宽阔水域中，如跨海大桥等，其非通航孔桥墩数量极其庞大，若仍参考通航孔对单墩进行设防的理念，其造价之大、施工难度之高，均是不现实的，而且非通航孔的通航净空也难以满足需求，因此以往单墩的防撞、抗撞设计理念无法应用于非通航孔处。
7.基于如上考虑，非通航孔处的桥墩的防撞一般采用船舶拦截系统，而国内外针对非通航孔的拦截系统相对较少，现有的拦截系统主要是浮体
–
拦网
–
锚块式拦截系统，这种拦截系统主要由浮体、拦网、锚块三部分组成。浮体部分主要由轻质浮筒等构造组成，其作用是保证拦网等构造浮于水面；拦网系统部分与锚块及浮体相连，其主要作用是起到拦截船舶，并将船舶动能耗散传递给锚块；而锚块的作用主要是在拦截船舶后，船舶带动拦网运动，进而拖动锚块在水底滑动进行耗能，起到了主要的耗能作用。基于这种浮体
–
拦网
–
锚块式的拦截系统，也发展出一些改进的拦截系统，如：将浮体设置为高架式、自动下落式等形式，或将拦网的缆索设置为部分断裂耗能的形式等，但主体的构造形式及耗能形式并没有实质变化，这类拦截系统从本质上看属于同一类，且已在部分水域上得以应用，根据其构造特点及实际应用出现的情况，可以发现，目前，此类型的拦截系统，由于整个系统整体刚度小、构造纤柔、缺乏有效抗风浪结构，所以当大型水域上出现台风等大型风浪作用时，拦截系统容易出现浮基移位、浮基塔架倒塌、网绳脱落、浮基翻转等灾损。该类损害一旦出现，维护成本极高。该类拦截系统在长期工作时，同时还存在如下问题：拦截系统依靠锚块固定位置，而锚块的正常工作十分依赖于水底地貌等情况，因锚块位于水底，日常维护无法观测到锚块的工作情况；当锚块发生偏位时，难以检查并复位。
8.如上所述，这类浮体
–
拦网
–
锚块式拦截系统主要依靠锚块在水底的滑动进行耗能，但这种耗能方式过于依靠水底地貌条件；而利用部分锚链的断裂失效控制辅助耗能的形式，则在海域的风浪作用下其可靠性不足；因为固定拦网等系统主要构件是锚块，锚块的工作状态无法做到人为可控，台风等风浪作用下常发生拦网脱落、缠绕等，浮体移位、塔架倒塌倾覆等问题，故而无法保证拦截系统的长期正常运行，且维护成本过高、维护技术难度大。
9.(二)既有桥梁通航孔处薄弱桥墩的侧向防撞问题
10.通航孔处桥墩常见的防撞设施，根据其安装位置与结构特点主要可分为如下几类：(1) 附着式的消能结构(如橡胶护舷、防撞块、缓冲块等)；(2)自浮式的套箱(如钢套箱等)； (3)独立防撞墩式(独立导向柱或导向柱 套箱组合式等)；(4)人工岛等。其中，附着式消能结构、自浮式套箱这类防撞设施一般耗能能力有限，主要还需依靠桥墩结构自身的抗撞能力承受船舶冲击作用；独立防撞墩和人工岛等防护能力出色，但是人工岛形式严重压缩了航道断面。
11.近年来所发生的一些十分严重的船撞事故表明：事故桥梁均为双柱式桥墩，船撞后均出现了严重损伤。该类桥墩结构纤细，结构自身抗撞能力极差，附着式、自浮式的防撞装置通常无法满足实际的抗撞需求，而这类流域里人工岛等形式显然是不现实的，独立桩等抗撞结构通过合理设计，可以有效抵抗船舶的正向撞击作用，但是根据上述事故可以发现，这些严重的船撞事故中，存在着船舶侧向撞击桥墩，造成桥墩产生顺桥向的位移进而致使落梁的严重事故。虽然这类事故频发，但现有的防撞设施均难以有效应对这些船撞事故。
12.综上可知，在宽阔水域(特别是跨海桥梁)中的桥梁，需一种全新的适应复杂的风浪环境，且在恶劣的气候下能长期可靠工作；而另一种情况是，既有桥梁中有大量双柱式薄弱桥墩，存在突出正、侧撞致损坏的风险，现有防撞装置无法有效解决其防护问题，需要一种经济合理新型防护方法和措施。


技术实现要素：

13.本发明提供了一种船舶拦截系统及其应用，目的在于克服背景技术中现有船舶拦截、抗撞设施的不足和缺陷，提供一种能适应恶劣气候环境、在宽阔水域中能长期可靠工作的导向柱
–
转筒
–
拦网联合船舶拦截系统，同时此类防撞系统可为双柱式等抗撞能力差的桥墩结构提供正、侧撞一体化的防护新思路和方法，保护桥梁结构、船舶的安全。
14.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
15.一种船舶拦截系统，包括若干拦网、固定在水底地面的独立导向柱和套设在所述独立导向柱外的耗能筒，所述拦网固定在耗能筒之间。
16.上述技术方案的设计思路在于，采用拦网、独立导向柱和耗能筒的拦截系统，当船舶被拦截系统拦截时候，船舶首先与拦网接触，船舶的动能推动拦网运动，拦网的运动将产生对其直接相连的耗能筒造成挤压，使得耗能筒起到主要的耗能作用；在耗能筒耗能同时，拦网的变形和运动将牵动远处若干相连的耗能筒变形耗能，从而起到耗能和防护的联合拦截效果；相较于现有的浮体
–
拦网
–
锚块式拦截系统而言，对水底地貌的依赖性小，可保证拦网和耗能筒位置的有效固定，从而避免在船舶拦截荷载、大型风浪作用下拦截系统的失效等问题。
17.作为上述技术方案的进一步改进：
18.所述耗能筒包括水阻耗能组件，所述水阻耗能组件受力后发生形变导致阻水面积增加。通过对耗能筒结构的优化，使耗能筒的水阻耗能组件在耗能筒受力后发生形变，其垂直方向上的横截面积增大，也即在耗能筒运动方向上水阻面积的增大，可显著提高耗能筒对于能量的消耗效果。
19.所述水阻耗能组件包括弹性填料和覆盖在弹性填料表面的波折弹性面板，所述弹性填料内设置有弹性隔板。对水阻耗能组件的结构上进一步改进可保证水阻耗能组件在受力后垂直方向截面面积增大功能的实现：当受力时波折弹性面板和弹性填料将受到与冲击方向相反的来自水的压力，致使弹性填料变形、波折弹性面板展开，从而实现阻水面积的增加，增强了耗能效果，同时弹性填料、波折弹性面板和弹性隔板可为水阻耗能组件提供自复位功能，在荷载消散后，可自行恢复初始形貌，无需维修更换。
20.所述耗能筒还包括耗能夹层和冲击面板；所述水阻耗能组件、耗能夹层和冲击面板由耗能筒内向外依次固定连接。冲击面板-耗能夹层-水阻耗能组件三者形成了组合型多级耗能套箱，可实现多级耗能模式，在台风等风浪作用和船舶的小型撞击拦截作用下，耗能筒依靠可自复位水阻耗能部件进行耗能，并在荷载消散后自行恢复；而当大型船舶等撞击作用下，水阻耗能部件不足以耗散所有动能，故而拦网进一步压缩耗能筒，通过抗冲击性能优越的冲击面板，将冲击作用传递给耗能夹层耗散冲击动能，并传导至独立导向柱进一步耗散能量，以保证大型冲击作用下船舶拦截系统的稳定运行。
21.所述耗能夹层包括轻质耗能材料以及设置在轻质耗能材料内的耗能骨架。对耗能夹层结构的改进可进一步提高耗能筒的整体耗能缓冲效果，提高对桥梁的保护能力及对船舶的拦截能力。
22.所述冲击面板包括设置在外层的超高性能混凝土板以及设置在内层的钢面板。上述结构的冲击面板具有很高的力学强度，有效将力传导至耗能筒内部耗能结构，提高了船舶拦截系统的使用寿命和使用稳定性。
23.所述独立导向柱包括若干独立桩基，所述独立桩基之间通过横向梁相连接。以上结构的独立导向柱具有较大整体刚度，且便于施工，可确保大型风浪(如台风等)、船舶撞击作用下独立导向柱的安全性和可靠性。
24.所述独立导向柱顶部设置有限位装置。限位装置可避免漂浮的耗能筒在高水位、大风浪作用下从独立导向柱的顶部滑脱。
25.所述拦网上设置有若干浮体，所述浮体上设置有阻水板。浮体可以保证两个独立导向柱间的拦网浮在水面之上，确保拦网的有效拦截高度，同时，当船舶撞击拦网时，拉动纵向缆索，进而拖动浮体，浮体的阻水板可有效利用对水体的阻尼效果发挥耗能作用，从而使得浮体在碰撞下也能起到辅助耗能的作用。
26.所述耗能筒上设置有固定装置，所述拦网通过固定装置呈环形闭合固定在耗能筒之间。上述设计可确保船舶在撞击一处的拦网后，被撞处的拦网运动可以带动耗能筒，进而可带动相邻其他处的拦网和耗能筒，将撞击的荷载传递给整个拦截系统，保证高效的耗能。
27.所述拦网包括沿垂直方向设置的多条水平缆索，所述水平缆索之间通过垂直缆索相连，水平缆索上设置有用于调节拦网松紧的锁定调节装置。
28.基于同一技术构思，本发明还提供一种上述船舶拦截系统的应用，所述船舶拦截
系统应用于大型水域的非通航孔的拦截或应用于既有桥梁的防撞中。
29.作为上述技术方案的进一步优选：
30.船舶拦截系统应用于大型水域的非通航孔的拦截时，所述船舶拦截系统沿非通航口设置并覆盖非通航口所对应的水域；船舶拦截系统应用于既有桥梁的防撞中时，所述既有桥梁的桥墩设置在船舶拦截系统的拦网包围区域内。
31.与现有技术相比，本发明的优点在于：
32.本发明的船舶拦截系统耗能形式在于，一处的拦网受到船舶冲击时，拦网可将荷载传递给耗能筒，而耗能筒的运动继而牵动了相邻远处耗能筒，可实现撞一处而动全系统的拦截耗能的作用，即牵一发而动全身的效果，耗能能力极强，可满足大型水域的大型船舶的拦截需求，只需设置有少量的独立导向柱，无需为每个非通航孔处桥墩均设置独立防护装置，作为拦截防护系统可有效降低成本，拦网固定于耗能筒之上，其位移受限于独立导向柱，独立导向柱的存在可确保整个船舶拦截系统在大型风浪作用下依然可靠工作，抵御海域内恶劣气候的能力强，无需担心风浪等作用影响整个拦截系统。
33.本发明的船舶拦截系统的耗能筒有多级耗能功能，耗能筒浮于水面，日常检修维护方便，相比以往拦网依靠水底锚块滑动等耗能形式，可以无视水底地貌情况，可在水面直观检查耗能筒的外观、结构等问题，检修方便、维护成本低；作为主要的耗能构件，碰撞作用下，内层的水阻耗能组件率先参与工作，可抵抗中小型的船舶撞击、台风等风浪作用，该耗能结构在荷载消散后可自行复位，具有可持续性、耐久性及环保性，灾后无需修复，大幅降低运营维护成本。
34.本发明的船舶拦截系统中还设置有浮体作为辅助耗能部件，其带有阻水板结构，在碰撞后通过水体对阻水板的阻尼作用等产生耗能，进而起到辅助耗能作用。
35.本发明的船舶拦截系统通过设置通航孔薄弱桥墩处的防护形式，不仅可起到防护船舶的正面撞击，借助装置的拦截系统，可对侧向撞击的船舶起到防护和导向的作用，保证桥梁结构在侧撞下的安全性。
附图说明
36.图1为实施例1中船舶拦截系统的平面示意图；
37.图2为实施例1中船舶拦截系统的立面示意图；
38.图3为实施例1中耗能筒的构造平面示意图；
39.图4为实施例1中耗能筒构造的横断面示意图；
40.图5为实施例1中浮体的立面示意图；
41.图6为实施例1中浮体的断面示意图；
42.图7为实施例2中船舶拦截系统的平面示意图；
43.图8为实施例2中船舶拦截系统的立面示意图。
44.图例说明：
45.0、船舶；1、独立导向柱；2、耗能筒；3、拦网；4、浮体；10、桥墩；11、横向梁；12、限位装置；13、桩基；20、固定装置；21、超高性能混凝土板；22、钢面板；23、轻质耗能材料；24、内钢板；25、弹性填料；26、波折弹性面板；27、弹性隔板；31、水平缆索；32、垂直缆索；33、缆索调节器；41、阻水板。
具体实施方式
46.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
47.实施例1：
48.如图1和图2所示，本实施例为应用于大型水域的非通航孔的船舶联合拦截系统，主要由独立导向柱1、拦网3、浮体4组成；沿非通航孔设置有多个独立导向柱1，独立导向柱1 上套设有耗能筒2，耗能筒2之间环形封闭设置有拦网3，拦网3上设置有浮体4；独立导向柱1由四根独立桩基13组成，设置有横向梁11，增强各个桩基13之间的横向联系，提高独立导向柱1的整体刚度；独立导向柱1的顶部设置有限位装置12，防止漂浮的耗能筒2在高水位、大风浪作用下从独立导向柱1的顶部滑脱。
49.耗能筒2包围在独立导向柱1的四周，通过节段拼装的施工方法浮运至独立导向柱1的四周拼接而成，其结构如图3和图4所示；耗能筒2是一种多级耗能浮箱，其最外侧为冲击面板，由超高性能混凝土板21和钢面板22组合而成，具有极优越的抗冲击性和耐久性；耗能筒2的中间为耗能夹层，内部为带有耗能骨架(钢制)的轻质耗能材料23，最内侧为水阻耗能组件；水阻耗能组件包括弹性填料25和覆盖在弹性填料25表面的波折弹性面板26，弹性填料25内还设置有弹性隔板27，该结构保证水阻耗能组件的有效耗能和自动复原功能，耗能夹层和水阻耗能组件之间还设置有内钢板24；耗能筒2的冲击面板外表面设置有固定装置20，拦网3穿过固定装置20，由耗能筒2漂浮确定拦截的有效高度。
50.拦网3主要由水平缆索31和垂直缆索32组成，水平缆索31通过固定装置20固定于耗能筒2上，通过设置在水平缆索31上的缆索调节器33调节缆索收紧程度，确保拦网3的正常工作，垂直缆索32连接多根水平缆索31，保证拦网3的强度和正常运作。水平缆索31内穿若干浮体4，浮体4不仅起到使两个独立导向柱1之间的拦网3漂浮，确保拦网3可正常浮在水面的作用，同时浮体4下还设置有全部浸入水中的阻水板41，当拦网3发生位移时，浮体4的阻水板41可起到阻碍拦网3运动、进一步耗能的作用，浮体4结构如图5和图6所示。
51.本实施例的工作原理为：
52.当船舶0进入拦截水域，船舶0与拦网3发生碰撞，拦网3发生变形，进而拖动固定拦网3的两个耗能筒2，两侧的两个耗能筒2在水平缆索31的作用下，在水中向船舶0方向靠拢，进而一方面受到水的阻力另一方面与独立导向柱1接触产生挤压；而因为耗能筒2发生了偏移，继而带动远处的拦网3及更远处的耗能筒2产生位移和挤压；耗能筒2为性能优越的耗能套箱，当船舶0撞击能量较小时，挤压部分为水阻耗能组件，被挤压后，弹性隔板27 发生变形挤压，使得波折弹性面板26拉伸，增大了水阻耗能组件水阻面积，利用水阻耗能和弹性填料25、波折弹性面板26和弹性隔板27的变形进行耗能；多个耗能筒2的水阻耗能组件的联合变形可抵消大船舶0的动能，而动能消失后，水阻耗能组件利用自身的特性重新复位，无需修复；在大能量的冲击下，当耗能筒2的水阻耗能组件的耗能能力无法消除船体动能时，缆索进一步挤压耗能筒2使得耗能内箱部分的耗能夹层发生塑性变形，进一步耗能，同时外部的冲击面板具有极其优越的抗冲击性能，可确保面板不至于在冲击下失效，使得耗能夹层正常参与耗能，进一步耗散船舶0的动能。由于耗能筒2浮于水面，且采用节段拼装技术组合而成，故而在失效后同样便于更换和维修。此外，浮体4因为拦网3的运动而使得阻水板41产生阻尼效果，浮体4不仅起到了漂浮拦网3的高度、漆涂颜色或设置灯光起警示作用等，更重要的，其在碰撞过程中可以起到辅助耗能的效果，且耗能途径是利用水体的阻尼效果，环保
无污染。
53.本发明中，船舶0拦截系统有独立导向柱1的作为约束系统的刚性结构，可确保拦截系统在台风等风浪下不至于发生灾损；耗能结构主要为漂浮的耗能筒2，耗能能力优越且明确，比依靠锚块在水底滑行的方向要可靠，且在常规能量下，耗能筒2的耗能方式环保，可自复位无需进行维护等操作；从长期运营、维护的角度来看，耗能筒2的维护和检修与传统的套箱相同，检修工艺成熟，难度小。此外，浮体4在碰撞作用下，可以充分利用阻水板41对水体的阻尼效果起到辅助耗能的效果，进一步发挥了整个系统的耗能能力。
54.实施例2：
55.如图7和图8所示，本实施例为应用于既有桥梁防船舶侧撞的防撞系统，主要由独立导向柱1、拦网3、浮体4组成；既有桥墩10外设有两个独立导向柱1，独立导向柱1外套设有耗能筒2、两耗能筒2之间环形封闭设置有拦网3，拦网3上设置有浮体4；独立导向柱1 由四根独立桩基13组成，设置有横向梁11，增强各个桩基13之间的横向联系，提高独立导向柱1的整体刚度；独立导向柱1的顶部设置有限位装置12，防止漂浮的耗能筒2在高水位时从独立导向柱1的顶部滑脱。
56.耗能筒2包围套设在独立导向柱1的四周，通过节段拼装的施工方法浮运至独立导向柱 1的四周拼接而成；耗能筒2是一种多级耗能浮箱，其最外侧为冲击面板，由超高性能混凝土板21和钢面板22组合而成，具有极优越的抗冲击性和耐久性；耗能筒2的中间为耗能夹层，内部为带有耗能骨架(钢制)的轻质耗能材料23，最内侧为水阻耗能组件；水阻耗能组件包括弹性填料25和覆盖在弹性填料25表面的波折弹性面板26，弹性填料25内还设置有弹性隔板27，该结构保证水阻耗能组件的有效耗能和自动复原功能，耗能夹层和水阻耗能组件之间还设置有内钢板24；耗能筒2的冲击面板外表面设置有固定装置20，拦网3穿过固定装置20，由耗能筒2漂浮确定拦截的有效高度。
57.拦网3主要由水平缆索31和垂直缆索32组成，水平缆索31通过固定装置20固定于耗能筒2上，通过设置在水平缆索31上的缆索调节器33调节缆索收紧程度，确保拦网3的正常工作，垂直缆索32连接多根水平缆索31，保证拦网3的强度和正常运作。水平缆索31内穿若干浮体4，浮体4不仅起到使两个独立导向柱1之间的拦网3漂浮，确保拦网3可正常浮在水面的作用，同时浮体4下还设置有全部浸入水中的阻水板41(结构与实施例1相同)，当拦网3发生位移时，浮体4的阻水板41可起到阻碍拦网3运动、进一步耗能的作用。
58.本实施例的工作原理为：
59.(1)船舶正面撞击：
60.当船舶正向迎面朝着桥墩10方向发生碰撞时，船舶与耗能筒2接触，推动耗能筒2与独立导向柱1发生挤压，导致耗能筒2内层的水阻耗能组件的变形，一方面使得水阻耗能组件发生大变形，增大了阻水面积，起到了抵抗冲击作用的效果；另一方面，水阻耗能组件在水中发生变形时会受到水体阻尼的作用，进而约束结构变形、增大了结构的抗冲击性能，可以缓解船舶的冲击作用，此外，因耗能筒2在船撞作用下，还可以起到拨动船舶，进而减少船舶动能在防护装置上的消耗，进一步降低船舶损伤。
61.(2)船舶侧向撞击：
62.本实施例的船舶拦截系统，对抗撞能力弱的双柱式桥墩10形成了包覆。当船舶因故障以顺桥向方向的角度行进桥墩10时，船舶与拦网3发生碰撞，拦网3发生变形，进而拖动
前后两个耗能筒2，两侧的两个耗能筒2在水平缆索31的作用下，耗能筒2被压紧，进而与独立导向柱1接触产生挤压；因为耗能筒2为性能优越的耗能套箱，被挤压后，水阻耗能组件的超弹性隔板27发生变形挤压，使得波折弹性面板26拉伸，增大了水阻耗能组件水阻面积，利用水阻耗能和超弹性构件变形进行耗能；同时，因为拦网3在撞击下，因船舶与拦网3的摩擦作用，摩擦力可传递给耗能筒2进一步形成可以拨转船首的作用，可避免船舶撞击作用传递给桥墩10，即便是在大能量的冲击下，缆索进一步挤压耗能筒2使得耗能内箱部分的耗能夹层发生塑性变形，进一步耗能，同时外部的冲击面板具有极其优越的抗冲击性能，可确保面板不至于在冲击下失效，使得耗能夹层正常参与耗能，进一步耗散船舶的动能。由于耗能筒2浮于水面，且采用节段拼装技术组合而成，故而在失效后同样便于更换和维修。此外，浮体4因为拦网3的运动而使得阻水板41产生阻尼效果，浮体4不仅起到了漂浮拦网3的高度等作用，更重要的，在碰撞过程中可以起到辅助耗能的效果，且耗能途径是利用水体的阻尼效果，这种耗能方式环保。
63.本发明中，船舶拦截系统有独立导向柱1的作为约束系统的刚性结构，可确保拦截系统在风浪下不至于发生灾损；耗能构件主要为漂浮的耗能筒2，耗能能力优越且明确，比依靠锚块在水底滑行的方向要可靠，且在常规能量下，耗能筒2的耗能方式环保，可自复位无需进行维护等操作；从长期运营、维护的角度来看，耗能筒2的维护和检修与传统的套箱相同，检修工艺成熟，难度小。此外，浮体4在碰撞作用下，可以充分利用阻水板41对水体的阻尼效果起到辅助耗能的效果，进一步发挥了整个系统的耗能能力。
64.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。