橋墩防船舶撞擊研究綜述

(重慶交通大學　重慶　400000)

一、橋梁碰撞問題的研究現(xiàn)狀

船撞橋研究主要包括船撞力計算、船撞橋力學分析、風險概率模型、風險接受準則、風險減小措施等關鍵問題。

(一)船撞力計算

船舶碰撞的力學分析可以分成兩部分，即外部碰撞力學和內部碰撞力學。外部碰撞力學重點關注碰撞時船體的整體剛性運動問題，并研究船舶與其周圍流體介質之間的作用。內部碰撞力學則重在研究撞擊船舶本身，包括船舶船頭和側殼構件對撞擊能的吸收能力、碰撞力與碰撞損傷之間的關系及碰撞體結構各種失效反應與吸收能的復雜計算等。

(二)船撞力計算方法評析

內部碰撞力學是目前船撞力研究的主要內容。內部碰撞力學研究方法大致可分為4種，即經驗公式法、簡化解析法、有限元數(shù)值分析法以及試驗方法。

1.經驗公式法。內部碰撞力學將船舶碰撞分為兩類：高能碰撞，又稱嚴重碰撞，主要指在碰撞過程中船體結構發(fā)生斷裂、穿透等嚴重破壞；低能碰撞，又稱非嚴重碰撞，主要指碰撞中發(fā)生較小的塑性變形但并未穿透的破壞。多數(shù)的船舶之間和船橋碰撞都屬于高能碰撞，少數(shù)情況諸如船只靠泊時與泊岸發(fā)生的碰撞屬于低能碰撞。

2.簡化解析法。簡化解析法將船舶構件分解成幾種簡單模型，根據(jù)得到的實際損傷情況識別這些簡單構件的主要破損形式，并導出這些破損形式的損傷理論公式，之后使用推導公式分別計算出每一種簡化模型的損傷力和變形能，最后合成總的船舶結構碰撞損傷力和能量。

3.全有限元數(shù)值法。內部力學涉及屈服、擠壓、斷裂、撕裂和破裂等種種破壞形式，為了精確模擬這些破損過程，必須使用全有限元數(shù)值分析的方法。近三十年來，計算機和計算方法的進步使得全非線性有限元分析成為碰撞問題內部力學狀態(tài)評估的一個有力手段。

4.試驗方法。試驗方法無疑最有說服力，但船撞橋工況眾多，完全采用試驗方法需要花費巨大的人力、物力和財力，這對船撞橋風險分析既不現(xiàn)實，也無必要。

(三)概率模型

國外計算船撞橋概率的代表性模型還包括歐洲規(guī)范模型以及德國昆茲模型和瑞典佩德森模型等。Modjeski和Masters建議在建立內河船撞橋概率模型時，應根據(jù)內河航道特點對AASHTO規(guī)范做修正。

(四)風險接受準則

目前船撞橋風險分析接受準則主要包括工程對象破壞可接受準則和最小費用準則兩種。

1.工程對象破壞風險的可接受準則。ASHTO規(guī)范規(guī)定：橋梁在任何大小船撞力作用下都存在倒塌概率，在橋梁抵抗力確定下，倒塌概率和船撞力大小成正比。同一座橋在不同船舶撞擊力作用下采用單一的倒塌破壞形態(tài)，掩蓋了其它形式的破壞形態(tài)，尤其和設計上要求橋梁結構在不同船舶撞擊力作用下具有不同服務功能形態(tài)這一基本規(guī)定極不相稱。

2.效益一成本接受準則。效益一成本接受準則出發(fā)點就是把橋梁加固和防護措施的費用，與降低風險獲得效益相比較，按照廣義造價最低的原則進行橋梁船撞設計。利用效益一成本接受準則進行船撞橋風險分析的一個關鍵問題是計算撞擊后果所包含的各種經濟損失。

(五)風險減小措施

1.改善通航手段。如何通過改善水路上通航手段(如設浮標、距離標記、船舶運輸管理系統(tǒng)和電子導航系統(tǒng)等)降低橋梁遭受船舶碰撞風險，值得作進一步研究。事實已經證明：改善橋梁附近的通航手段，對于把船撞風險降低至可接受的程度具有極佳的效果。

二、船撞橋計方法框架

(一)對于狹窄航道的設計框架

船撞橋設計→狹窄航道→初步設計→故障樹建立→確定設計船只→船撞力計算→撞擊角度計算→橋梁結構響應→修正結構設計→增加構件強度→防撞設施→設計完成

(二)對于一般航道的設計框架

船撞橋設計→一般航道→初步設計→故障樹建立→船撞橋概率計算→滿足倒塌概率接受準則→設計防撞設施→撞擊角度計算→撞擊力計算→橋梁破壞形態(tài)→撞擊后果損失計算→滿足成本收益原則→設計完成

三、橋梁碰撞安全評估

橋梁的損傷狀態(tài)評估是一個復雜的問題，取決于船舶的船型、大小、外形、船速、撞擊角度、船舶質量及碰撞特性，還取決于橋墩和上部結構抵抗碰撞沖擊荷載的剛度和強度特性等。橋梁的風險評估在于考慮其失效概率與后果的乘積。

四、現(xiàn)有橋梁船撞風險評估的建議方法

目前，我國公路橋梁設計規(guī)范尚無船撞橋風險設計的相關規(guī)范，建議不妨借鑒國外相關規(guī)范(如美國公路橋梁設計規(guī)范)，結臺我國船舶的特點，對現(xiàn)有橋梁作船撞風險評估并及時采取相應對策。

建議船撞橋風險評估可按以下步驟進行：1.調查橋位處水流條件、橋墩處水深，以及船舶的數(shù)量類型、航速和大小分布。2.評估橋梁的重要性并確定相應的可接受倒塌風險概率。3.計算各墩的應具備的防撞力。4.復算各墩的實際抗力。5.根據(jù)實際抗力應具備的防撞力的大小對橋梁結構進行分類評估。6.由評估的結果對不同風險等級的橋梁采取相應的防撞方案設計。

五、橋墩的主要防撞措施

橋墩防撞設施都是基于能量吸收、動量緩沖的基本原理以防止船舶撞擊力超過橋墩的設計承受能力而設計的。設計防撞設施需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等各類因素綜合進行。

防撞設施一般應滿足如下要求:1.防護裝置應少占位置，不礙航。2.防護裝置應適應水位的變化要求：枯水洪水、漲潮退潮均能適應。3.防護裝置的吸能能力要大，使船和橋墩都不被破壞。4.防護裝置應能反復使用，小撞不需維修，大撞稍加修理即可繼續(xù)使用。5.防護裝置應安裝運輸方便，不應要求過多的施工條件。

目前，主動防撞采取的防船撞措施主要包括:1.設置導航標。2.施行船舶航行定線制。3.設置船舶航行警戒區(qū)。4.對特殊船舶實行引航措施。5.船舶安裝AIS導航系統(tǒng)。6.橋區(qū)設置船舶交通管理系統(tǒng)VTS等。

對于遭受船舶撞擊有較大風險的橋梁，也可考慮采用被動防撞系統(tǒng)，主要包括:1.附著式防撞系統(tǒng)。2.重力擺式防撞系統(tǒng)。3.薄殼筑沙圍堰防撞系統(tǒng)。4.膠囊沙袋防撞系統(tǒng)。5.人工島防撞系統(tǒng)。6.集群式護墩樁。7.漂浮網狀防撞系統(tǒng)。