在浙江宁波，全长6.7公里的宁波象山港大桥是当地人出行的重要通道。作为一座双塔双索面斜拉桥，两根200多米高的主塔连同周围的桥墩，似几根巨大的手指，将彩带般的桥面托举于海面之上。几座桥墩与海面相接之处，均被一圈橘红色的“钢板”环绕着，如同戴上了一枚枚“戒指”。很多人不知道，正是这些看似不起眼儿的“戒指”，一直在默默保护着大桥以及过往船只的安全。
组成“戒指”的不是简单的“钢板”，而是宁波大学大桥防船撞技术团队历经30年的研发成果。
不久前，在宁波大学举办的大桥防船撞重大技术成果发布会暨重大工程结构健康与安全高端论坛上，宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室副主任王永刚说：“多年来，在大桥防撞技术领域，我们一直在破解从‘两败俱伤’到‘两全其美’的方程式。”通航孔刚柔匹配导向桥墩防船撞技术应用于宁波梅山红桥。
自发明造桥技术以来，人类就必须面对一个难题——如何防止船舶与桥梁相撞？随着近年来大型桥梁的大量兴建以及大吨位船舶的逐年增加，这个问题正变得越来越棘手。据不完全统计，自2007年以来，我国已发生船撞桥重大事故92起，对交通大动脉造成了严重危害。早在2016年，交通运输部发布的《交通运输科技“十三五”规划》中，就已经把跨航道桥梁防船撞关键技术与设施的研发，列为交通安全应急领域的研究重点。
事实上，人们一直在努力探索如何避免船撞桥事件的发生，以及如何在事故中尽量减少损失，但基本思路大多局限于通过增加桥梁本身的防撞硬度，提升桥墩耐撞性。“从本质上说，这是一种‘保桥不保船’的做法，而且由于无法从根本上削弱船只，尤其是大型船只对桥梁的冲击力，这种‘硬碰硬’的方式最终可能导致桥与船‘两败俱伤’。”王永刚说，这显然不是解决船撞桥问题的“最优解”。
那么，有没有一种方式可以在船与桥发生碰撞时，实现“两全其美”的“保船又保桥”呢？这正是宁波大学科研团队求索多年的问题。“太极”和“安全气囊”让我们将目光拉回到矗立在宁波外海的象山港大桥上。如果仔细观察那些巨大的“戒指”，就会发现它们由两部分组成——外部是由厚厚的钢材组成的外钢围结构，内部则是一个个由钢丝绳缠绕形成的巨大防撞圈，并通过它们将桥墩与外钢围相连接，形成一个整体。
这就是王永刚团队研发的通航孔刚柔匹配导向桥墩防船撞技术成果。“简单来说，这一结构体现了我国传统文化中‘刚柔并济’的太极思想。”王永刚解释说，一方面，外钢围结构要有足够的钢度，使船舶撞击时能整体做近似刚性的运动，并带动成百上千个防撞圈发生弹性形变，从而将撞击力由“集中力”转化为“分布力”，从而在大幅提升桥梁防撞性能的同时，减少对船只的损害。
同时，研究团队通过大量计算，将外钢围设计成特定的多边形结构，使船只即使撞击外钢围，也会呈现一定角度，从而分散能量。
象山港大桥维养单位负责人表示，该套设备自2012年6月服役至今已有11年，其间曾数次抵御过船舶的撞击。船舶撞击防撞设施后，防撞设施基本完好，无须维修，船舶无损自行驶离现场。“经过我们的测试，这套设备可使船舶撞击力减少55%~75%，从而实现了桥梁、船舶乃至防撞设施本身的‘三不坏’效果。”王永刚介绍，除象山港大桥外，目前该设备还在蛇盘大桥、梅山红桥等国内多座大规模桥梁中应用。
然而，这套设备其实并非适用于桥梁的所有部分。据介绍，一座大型桥梁通常由通航孔桥和非通航孔桥两大部分组成。其中可以通航的部分为通航孔桥，其他不能通航的部分则是非通航孔桥。两者均存在船撞风险，但由于本身的设计特性，后者的抗撞击能力更差。2020年，我国颁布的《公路桥梁抗撞设计规范》指出，船舶撞击非通航孔引起的桥梁垮塌事故数量约为撞击主通航孔的两倍，非通航孔桥的船撞问题需要引起重视。
对于非通航孔桥防撞设计，“刚柔并济”显然不再适合，王永刚采取了另一种方式——给大桥准备一个“安全气囊”。今年“五一”国际劳动节前夕，在浙江象山附近海面，一艘500吨级的轮船突然“失控”，以7节航速冲向附近的一座大桥。千钧一发之际，海面上迅速浮起数个橡胶气囊，气囊通过胶带和绳索与两端的定位浮体连接，瞬间形成100多米长的“防护链”。失控船只撞上“防护链”时，“防护链”上的绳索缓缓断开。
随着动能渐渐消耗，这艘失控的船完好无损地被阻拦了下来。这是王永刚团队针对非通航孔桥研发的桥梁柔性防船撞技术在实船试验中的一次应用。
“这套系统由系泊浮体、自适应浮体、触发钢索、高强度拦截网等部分组成，平时各部分会浮在桥梁附近的水面上，不受水流和水位变化影响。一旦有船只靠近或撞击，拦截网就会在撞击力的冲击下迅速弹起，从而实现对船只的拦截。”王永刚说。据了解，目前这项技术已被应用于平潭海峡大桥、响礁门大桥等多座桥梁，甚至在湘江蔡家洲大坝等水坝的防船撞系统中也有应用。
严格地说，试验测试的其实是桥梁柔性防船撞技术的迭代技术——潜浮式船舶拦截。“与此前技术相比，这一代技术的最大特点是用来阻拦失控船舶的橡胶气囊并不在水面上，而是沉于水底，只有借助雷达等手段探测到事故即将发生时，才会迅速弹出组成防护链。”王永刚说。事实上，多年来宁波大学科研团队始终对相关技术没有停止探索的脚步，而这样的探索也取得了一定的“回报”。
去年12月20日，宁波大学和港珠澳大桥管理局签署战略合作协议，该校将承担“港珠澳大桥主体工程营运期桥梁防船撞拦阻新技术研究”项目并深化合作。
港珠澳大桥管理局副局长段国钦坦言：“这是港珠澳大桥管理局第一次与高校签署全方位战略合作协议，以推动知识产权落地转化，推进产业、学科发展。”对此，宁波大学副校长吕朝锋表示：“虽然港珠澳大桥被誉为世界桥梁建设的‘珠穆朗玛峰’，但宁波大学有底气也有信心为大桥的建设和运维提供良好的技术服务。”这份底气自然来自学校对于王永刚团队的信任。
不过，作为目前宁波大学大桥防撞技术团队的带头人，王永刚并不是该校从事相关研究的“开路者”。事实上，宁波大学针对桥梁防撞击的研究已经有30多年。新中国成立伊始，由于缺乏万吨水压机，无法做出符合航天特殊要求的零部件，钱学森、郑哲敏等老一辈科学家便想出一个法子——用爆炸的方法炸出来，并由此创建了爆炸力学这门学科。当时在中国科学院力学研究所工作的王礼立对此产生了浓厚兴趣。
随着他于1986年调任宁波大学副校长，该校的力学学科正式创立，并开展创新性爆炸与冲击动力学基础研究与工程应用研究，在该领域形成了自身的特色和优势。
30多年来，该校力学学科取得了一系列重大科研成果，并入选“双一流”建设学科，而大桥防撞设备的成功研发，正是在该校力学学科几十年科研探索的基础上诞生的。站在前人探索的基础上，作为新一代团队带头人的王永刚，对未来也有自己的思考。
在他看来，除在桥梁建设方面的应用外，防撞系统还有更广阔的应用前景。“比如港口码头、海上风电，甚至军港的防护等。未来，我们还将继续探索相关科研成果应用转化的新途径，为国家建设贡献自己的一份力量。”他说。