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钢-复合材料组合防船撞设施缓冲性能的多维度探究与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着经济的快速发展，我国水上交通运输日益繁忙，内河航运交通变得十分繁忙，船舶数量不断增加且船型趋于大型化，与此同时，跨水桥梁的建设数量也在持续增长。根据相关统计数据，至2019年底，我国各类跨越内河高等级航道的桥梁约2523座，公路桥梁已达103.32万座，而截至2023年10月，我国登记在册的中国籍商船达18.5万艘。在这种“桥多船密”的格局下，船桥碰撞事故频发。据不完全统计，4年内至少发生19起船撞桥事件。例如，2024年2月22日5时30分左右，一艘集装箱船空载从佛山南海开往广州南沙途中，航经洪奇沥水道时触碰沥心沙大桥桥墩，致沥心沙大桥桥面断裂，事故造成5人死亡；2022年1月10日22时21分，“岐机622”船途经水口水道丰岗大桥时，触碰丰岗大桥右幅第9跨，轮机员被倒塌的钢架压伤，后经救治无效死亡。这些事故不仅造成了严重的人员伤亡和财产损失，如2015年10月15日抽沙船撞损肇庆西江大桥事故导致铁路停运55小时，经济损失高达4000万元，还会导致航道受阻，陆上交通中断，对区域的交通运输网络产生极大的负面影响，同时，也可能引发环境污染等次生灾害，对水域生态环境造成破坏。

为了降低船桥碰撞事故带来的损失，保障桥梁和船舶的安全，防船撞设施的研究和应用显得尤为重要。钢-复合材料组合防船撞设施作为一种新型的防撞结构，近年来受到了广泛关注。它结合了钢材的高强度和复合材料的轻质、耐腐蚀、吸能性能好等优点，能够在船桥碰撞时有效地缓冲撞击力，降低事故的危害程度。复合材料的比强度高、比模量大，材料性能具有良好的可设计性，抗腐蚀性和耐久性能好，与钢材组合后，可形成多级吸能系统，提高防撞设施的整体性能。如一种钢-纤维增强复合材料桥梁防撞结构采用了复合材料-钢制芯模-耗能材料的三级吸能结构，充分利用了纤维增强复合材料以及再生缓冲吸能材料的优越性能，具有高强度、轻量化、易修复、快速拼装能力等显著优点。

然而，目前对于钢-复合材料组合防船撞设施的缓冲性能研究还存在一些不足。不同的钢材和复合材料组合方式、结构设计以及材料参数等，都会对防船撞设施的缓冲性能产生影响，而这些影响因素之间的相互关系较为复杂，尚未得到深入系统的研究。此外，在实际应用中，船桥碰撞的工况复杂多变，包括船舶的速度、角度、吨位以及碰撞位置等因素都具有不确定性，如何使钢-复合材料组合防船撞设施在各种复杂工况下都能发挥良好的缓冲性能，也是需要进一步研究的问题。因此，深入研究钢-复合材料组合防船撞设施的缓冲性能，对于优化其设计、提高防护效果、保障桥梁和船舶的安全具有重要的现实意义，能够为实际工程应用提供理论支持和技术指导，降低船桥碰撞事故带来的经济损失和社会影响。

1.2国内外研究现状

在国外，对于钢-复合材料组合防船撞设施的研究开展较早。一些发达国家如美国、日本、德国等，凭借其先进的材料科学与工程技术，在复合材料的研发与应用方面取得了显著成果，并将其应用于桥梁防船撞领域。美国在桥梁防撞研究中，注重多学科交叉，综合考虑船舶动力学、材料力学以及结构力学等方面，对钢-复合材料组合结构的防撞性能进行深入分析。通过建立精细化的数值模型，模拟不同工况下船桥碰撞过程，研究组合结构的能量吸收机制和变形模式。例如，美国某研究团队利用有限元软件，对一种新型钢-碳纤维复合材料防撞装置进行仿真分析，探究了碳纤维含量、铺层方式以及钢材型号等因素对防撞性能的影响，结果表明，合理设计的钢-碳纤维复合材料防撞装置能够有效降低船撞力，提高桥梁的防护能力。

日本则在复合材料的耐久性和耐腐蚀性研究方面表现出色。由于其特殊的地理环境，桥梁长期面临海洋环境的侵蚀，因此对防船撞设施的耐久性要求极高。日本研发的一些钢-复合材料组合防船撞设施，采用了特殊的复合材料涂层和防护工艺，大大提高了设施在恶劣环境下的使用寿命。同时，通过实船碰撞试验，验证了这些组合防船撞设施在实际应用中的有效性，为桥梁防撞工程提供了可靠的技术支持。

在国内，随着桥梁建设的快速发展和航运业的日益繁荣，船桥碰撞问题受到了广泛关注，钢-复合材料组合防船撞设施的研究也取得了一定的进展。众多科研机构和高校，如同济大学、西南交通大学、哈尔滨工业大学等，开展了相关的研究工作。研究内容涵盖了复合材料的选型与性能优化、组合结构的设计与力学分析、防撞性能的试验研究与数值模拟等多个方面。

在复合材料选型方面，国内研究人员对玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料等进行了大量的性能测试与对比分析，根据不同的工