橋梁撞擊問(wèn)題2019年度研究進(jìn)展

劉占輝，呼瑞杰，姚昌榮，李永樂(lè)，李亞?wèn)|

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

橋梁是“跨越障礙的通道”。橋梁的建設(shè)與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)，從“橫木為梁”、“結(jié)藤成索”、“壘石為拱”3種古代基本橋式的誕生，逐漸發(fā)展演變到現(xiàn)代橋梁的造型多樣、超長(zhǎng)大跨，其跨越對(duì)象為大江大河、深溝峽谷、海峽灘涂、既有線路等，對(duì)應(yīng)的就有跨河橋、跨谷橋、跨海橋、跨線橋等。據(jù)中國(guó)2019年橋博會(huì)公布數(shù)據(jù)顯示，在長(zhǎng)江干流上已建成的各類(lèi)長(zhǎng)江大橋就達(dá)115座。這些橋梁構(gòu)成了當(dāng)?shù)亟煌ㄏ到y(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并進(jìn)一步推動(dòng)著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

對(duì)于跨河橋、跨海橋，一般有通航的要求。無(wú)論是大跨纜索承重橋梁的橋塔結(jié)構(gòu)還是梁橋、拱橋等的墩臺(tái)對(duì)河流和海洋環(huán)境都有一定程度的影響，同時(shí)，通航船只和漂流物對(duì)橋梁的撞擊作用也是跨河、跨海橋面臨的一大威脅。而山區(qū)修建的跨谷橋與平原和淺丘地區(qū)的橋梁相比，通常具有“兩高一大”(橋面高、橋墩高，橋梁跨徑大)的顯著特征[1]。跨谷橋梁施工和運(yùn)營(yíng)階段都有可能會(huì)面臨地震、崩塌滾石、泥石流、滑坡等多種災(zāi)害的侵?jǐn)_，其造成破壞的事故并不少見(jiàn)，崩塌落石、泥石流等對(duì)橋梁的撞擊問(wèn)題值得重視?？缇€橋遭受汽車(chē)撞擊的事故時(shí)有發(fā)生，損失一般不大；跨鐵路線橋梁如若列車(chē)脫軌，其撞擊后果不堪設(shè)想。

橋梁撞擊問(wèn)題是既有和在建橋梁工程長(zhǎng)期面臨的問(wèn)題；大跨橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的災(zāi)變和防控問(wèn)題也被列入了2006年國(guó)務(wù)院頒布的《2006—2020年國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要規(guī)劃》中。2019年國(guó)家自然科學(xué)基金在“橋梁撞擊與防護(hù)方面”批準(zhǔn)資助的項(xiàng)目有4項(xiàng)，2019年仍在執(zhí)行期的有7項(xiàng)。橋梁撞擊及防治是國(guó)家發(fā)展需求，也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

2020年作為“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃的收官之年，也是面向“十四五”部署科技重點(diǎn)任務(wù)的關(guān)鍵之年。“明鏡所以照形，古事所以知今”，筆者主要回顧了2019年橋梁撞擊事件及科學(xué)研究現(xiàn)狀，對(duì)目前分析熱點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，展望撞擊災(zāi)變和防控的研究趨勢(shì)。

1 橋梁船撞事故及船橋碰撞研究進(jìn)展

跨越水上航線的橋梁結(jié)構(gòu)(如跨河橋、跨海橋等)船撞事故頻發(fā)，其導(dǎo)致的橋梁損傷、倒塌危害巨大；船撞風(fēng)險(xiǎn)在橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及運(yùn)營(yíng)全壽命過(guò)程中不可忽視。1980年，美國(guó)陽(yáng)光大橋船撞事故之后，橋梁界開(kāi)始對(duì)船撞問(wèn)題高度重視。美國(guó)交通部門(mén)統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示：大型橋梁通航運(yùn)營(yíng)期間，約1/10會(huì)因船撞而垮塌，如不加以重視，甚至?xí)_(dá)到50%以上[2]。在中國(guó)，船撞橋事故也頻繁發(fā)生。僅以武漢長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江大橋和重慶白沙沱長(zhǎng)江大橋這3座橋?yàn)槔?，自建成以?lái)，橋梁船撞事故就分別發(fā)生了70起、30起和100起以上。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅發(fā)生在中國(guó)長(zhǎng)江、珠江、黑龍江三大水系干流上的船撞橋事件就達(dá)到300起以上[3]。2019年發(fā)生了多起橋梁船撞事故：1月，廣深高速的東洲河橋B2～B3通航孔被一艘貨船船頭傳送帶的支撐柱碰撞，導(dǎo)致橋上部承重梁體嚴(yán)重受損；4月6日，巴西帕拉州首府貝倫一座橫跨莫茹河(Moju)的橋梁遭貨船撞擊坍塌；4月20日凌晨，中國(guó)四大古橋之一的潮州廣濟(jì)橋遭貨船碰撞，多處受損；7月10日，中國(guó)湖南衡陽(yáng)衡東縣洋塘河壩水電站橋被3艘失控貨船輪番撞擊；7月16日，中國(guó)廣西貴港平南大橋拱肋被“粵云138”砂石船撞擊，船舶駕駛臺(tái)與大橋橋拱碰撞，破損嚴(yán)重。在橋梁的非通航孔跨，由于船舶操作失誤也會(huì)有發(fā)生船撞事故的風(fēng)險(xiǎn)。如2008年3月27日，貨船撞上在建的金塘大橋非通航孔橋箱梁，被撞落后壓在肇事貨船的駕駛臺(tái)上。另外，隨著民用航空器使用越來(lái)越普遍，偶爾也有飛機(jī)撞橋事件發(fā)生，如2016年7月20日，幸福通用航空一水上B-10FW飛機(jī)在由上海金山—舟山航線起飛過(guò)程中撞上大橋發(fā)生事故。

橋梁船撞規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)目前有美國(guó)道路工程師協(xié)會(huì)(AASHTO)于1991年編寫(xiě)的《公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》(該指南于2009年進(jìn)行了修訂)，其專(zhuān)門(mén)針對(duì)美國(guó)內(nèi)河橋梁提出了基于風(fēng)險(xiǎn)的船撞設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法。1996年美國(guó)鐵路工程協(xié)會(huì)(AREMA)出版了《防撞保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》。歐洲用于指導(dǎo)橋梁船撞設(shè)計(jì)的規(guī)范是1997年出版的歐洲統(tǒng)一規(guī)范中的Eurocode 1.2.7分冊(cè)。中國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D 60—2015)和《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)對(duì)船撞有所涉及；中國(guó)第一部專(zhuān)門(mén)的船撞設(shè)計(jì)指南是地方標(biāo)準(zhǔn)《重慶市三峽庫(kù)區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》(DBJ/T 50-106—2010)。中國(guó)公路學(xué)會(huì)2018年發(fā)布了《公路橋梁防船撞裝置技術(shù)指南》，以此來(lái)規(guī)范公路橋梁防船撞裝置的技術(shù)要求，提升橋梁防船撞產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

(1)

式中：F(z)為水位概率密度。其他符號(hào)具體含義參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]，此處不再贅述。

Song等[5]提出了一種簡(jiǎn)化的橋梁沖擊荷載時(shí)程分析模型，以預(yù)測(cè)橋梁在船舶撞擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其簡(jiǎn)化模型通過(guò)一種用拋物線表達(dá)式修正的半正弦波函數(shù)來(lái)捕捉?jīng)_擊力時(shí)程的上述特征，函數(shù)的形式為

(0≤t≤T)

(2)

該模型的有效性在兩個(gè)橋梁模型的案例分析中得到了驗(yàn)證。宋彥臣等[6]還以一座連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行了接觸碰撞反應(yīng)與撞擊力時(shí)程反應(yīng)分析，并將修正半波正弦荷載模型的響應(yīng)求解誤差分為3類(lèi)，并討論了這3種誤差對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響大小。

橋梁下部結(jié)構(gòu)(包括橋墩和橋塔)應(yīng)有足夠的防撞能力，這方面引起了足夠的重視，但上部結(jié)構(gòu)的撞擊卻往往被忽略。Sha等[12]建立了船艏結(jié)構(gòu)和橋梁的高保真有限元模型，研究了船艏沖擊作用下橋主梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；并提出了一種簡(jiǎn)單而有效的加固方法——“雙層橫隔梁端部”，有效地提高了鋼主梁的橫向抗沖擊性能，并很好地控制了成本和施工工作量的增加。

橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面：羅嘉敏等[13]調(diào)查廣深高速公路某次船撞橋梁上部結(jié)構(gòu)事故原因時(shí)，結(jié)合人工接觸式檢查結(jié)果，確定損傷實(shí)際狀況，之后采用靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)車(chē)輛荷載下的結(jié)果，總結(jié)梁體變形、關(guān)鍵截面應(yīng)變和主梁裂縫等指標(biāo)的分布規(guī)律，評(píng)估船舶撞擊的影響，然后提出維修建議。李志榮等[14]從分析危險(xiǎn)源與船撞橋事故的關(guān)系出發(fā)，提出人、船、橋、環(huán)境、管理等5類(lèi)船撞橋危險(xiǎn)源；結(jié)合DPSIR模型中各指標(biāo)間的制約關(guān)系，從驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)等5方面篩選出12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。劉靜文[15]以武漢天興洲大橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立ANSYS全橋模型，研究了在相同船舶撞擊下不同碰撞角度對(duì)橋梁橫向位移響應(yīng)的影響；得到了塔頂對(duì)碰撞較為敏感、通過(guò)增大碰撞角能有效降低橋梁船損風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)論。

Chen等[16]從海事安全管理的宏觀角度，對(duì)船舶碰撞事故定量風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行了系統(tǒng)回顧和分析，探究了主要利益相關(guān)者及其在風(fēng)險(xiǎn)分析中的偏好，并對(duì)藤井和Shiobara(1971年)及Macduff(1974年)提出的框架下的風(fēng)險(xiǎn)分析方法進(jìn)行了研究。在因果概率分析中，統(tǒng)計(jì)分析、故障樹(shù)分析和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型被選為主要的方法類(lèi)別。

陳瓊等[18]提出的智能化橋梁管理系統(tǒng)主要包含3個(gè)方面：主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)、復(fù)合防撞及報(bào)警系統(tǒng)、可追溯式監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)主被動(dòng)結(jié)合的方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)船撞橋事故的全方位、多角度管控，為橋梁防撞提供了有益的思路。

在橋梁防船撞設(shè)施方面：船舶撞擊是航道橋墩的潛在危險(xiǎn)。為避免船舶與橋墩直接接觸，目前，橋梁設(shè)計(jì)中廣泛采用不同類(lèi)型的防護(hù)結(jié)構(gòu)，以防船舶撞擊。馬志敏等[19]基于ANSYS軟件分析了某大橋鋼管防撞墩結(jié)構(gòu)的15個(gè)不同撞擊點(diǎn)在船撞工況荷載作用下的應(yīng)力分布情況，并提出了新的防撞墩結(jié)構(gòu)。其通過(guò)減小系桿跨度、增加節(jié)點(diǎn)剛度和撞擊點(diǎn)系桿數(shù)量等方式改進(jìn)防撞墩性能的措施值得借鑒。王紀(jì)鋒等[20]以京港澳高速沙河大橋某兩個(gè)橋墩進(jìn)行防撞能力評(píng)估，并針對(duì)500 t級(jí)船舶撞擊下橋墩自身抗撞能力不足的問(wèn)題，添加了自浮式鋼覆復(fù)合材料防撞設(shè)施，船舶撞擊力削減了26%，基本滿足橋梁設(shè)防要求。Wang等[21]采用有限元模擬方法，對(duì)廣東湛江海灣大橋采用的柔性浮式防撞裝置進(jìn)行了有效性評(píng)價(jià)。

圖1 速度為1 m/s時(shí)正面碰撞沖擊力時(shí)程 [22]Fig.1 The time history of the impact forces for head-on collision with a velocity of 1 m/s[22]

陳國(guó)虞等[25]在柔性耗能防撞裝置的選型、研發(fā)及相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)上取得了明顯的進(jìn)步并已應(yīng)用到能通行5萬(wàn)t級(jí)船舶的湛江海灣大橋、象山港跨海大橋等實(shí)際工程中。

船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)是船撞橋梁事故的種類(lèi)之一。在上部結(jié)構(gòu)防撞限高架的設(shè)計(jì)、施工和選型方面，徐光中[26]對(duì)川槎大橋通航孔水上防撞限高架進(jìn)行了剛性和柔性方案比選、設(shè)計(jì)及施工方法介紹，屬于中國(guó)首例水上鋼結(jié)構(gòu)限高防撞工程。鄭宏鴻[27]結(jié)合實(shí)際工程案例，總結(jié)了防止超高船舶撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的“軟措施”，并對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)置的“鋼桁架”和“固定拉索”這兩種水上限高架進(jìn)行受力分析和計(jì)算，給出了其適用范圍。林光峰[28]以對(duì)某連續(xù)箱梁橋上部結(jié)構(gòu)被船舶撞擊事故調(diào)查為出發(fā)點(diǎn)，提出3種防船撞技術(shù)措施并進(jìn)行了比選，確定了具體的對(duì)策。這些分析計(jì)算均可為橋梁工程上部結(jié)構(gòu)防撞提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

船撞橋問(wèn)題屬于典型的交叉學(xué)科，船撞橋事故的發(fā)生涉及人、船舶、通航條件和環(huán)境、管理等多個(gè)方面。為了從根源上解決這一安全隱患，除了規(guī)范航道管理，謹(jǐn)慎通行以外，橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中還要采用合理的船舶撞擊力設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加設(shè)防撞裝置和主被動(dòng)監(jiān)測(cè)防控系統(tǒng)，因地制宜、多管齊下才能切實(shí)維護(hù)好通航水域的橋梁安全和橋區(qū)水域的水上交通安全[29]。

2 崩塌落石對(duì)橋梁的撞擊

位于山區(qū)的橋梁易受落石碰撞的影響，這可能危及這些橋梁上的高速列車(chē)或汽車(chē)的行駛安全。何思明等[30]為了減輕落石對(duì)橋梁的危害，研制了一種新型的柔性、耗能的橋墩防撞裝置。在沖擊過(guò)程中考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明，該防護(hù)結(jié)構(gòu)能有效緩沖落石沖擊，顯著提高橋墩抗沖擊能力。張迅等[31]利用有限元程序LS-DYNA對(duì)落石與橋墩碰撞進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了落石速度、落石直徑、落石位置和列車(chē)速度對(duì)沖擊力、墩頂位移和列車(chē)運(yùn)行安全指標(biāo)的影響。樊偉等[32]開(kāi)展了UHPC墩柱和普通鋼筋混凝土墩柱的落錘沖擊試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，建立一種簡(jiǎn)化分析方法，用于分析受壓墩柱的沖擊響應(yīng)和破壞形態(tài)。成永剛[33]在公眾號(hào)文章中對(duì)崩塌落石常用防治技術(shù)的主要特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了簡(jiǎn)要匯總，還根據(jù)崩塌機(jī)制分析，對(duì)川藏高速公路陡崖坡腳特大橋提出了具體防治措施[34]。

通常情況下，橋隧相接地段橋面危巖落石防護(hù)有剛性和柔性的明洞、棚洞等。唐建輝等[35-36]以大跨度拱形明洞為研究對(duì)象，基于ANSYS/LS-DYNA軟件分析了落石質(zhì)量、沖擊速度和回填土厚度等對(duì)拱形明洞的沖擊影響，提出了計(jì)算落石沖擊力、沖擊壓應(yīng)力的方法，并做了模型試驗(yàn)來(lái)探明其作用力傳遞機(jī)理。王玉鎖等[37]提出了落石沖擊下有回填土拱形明洞結(jié)構(gòu)方面的概率可靠度設(shè)計(jì)方法，并授權(quán)申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。柏雪松[38]對(duì)現(xiàn)有落石沖擊力計(jì)算公式進(jìn)行總結(jié)，對(duì)比分析各個(gè)公式之間的異同；系統(tǒng)地分析了落石質(zhì)量、下落高度、沖擊角度以及形狀對(duì)沖擊效應(yīng)的影響；進(jìn)一步探討了墊層厚度、材料對(duì)棚洞抗沖擊性能的影響。

圖2 7 000 kJ能級(jí)足尺沖擊試驗(yàn)Fig.2 Full scale impact test of 7 000 kJ energy level

以往針對(duì)落石沖擊的研究主要包括崩塌落石運(yùn)動(dòng)特性、落石運(yùn)動(dòng)路徑計(jì)算與威脅區(qū)域預(yù)測(cè)(包括對(duì)橋墩的沖擊破壞以及對(duì)行車(chē)安全性的影響等)、落石沖擊特性與沖擊力計(jì)算表達(dá)式、崩塌落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防治決策、崩塌落石災(zāi)害的工程防治措施、崩塌落石災(zāi)害防治工程監(jiān)測(cè)與維護(hù)等方面，篇幅有限，不再贅述。在艱險(xiǎn)山區(qū)的高速鐵路或公路的修建過(guò)程中，如在以上幾方面結(jié)合具體橋梁工程實(shí)例開(kāi)展系統(tǒng)崩塌落石影響研究，將會(huì)為山區(qū)重大橋梁(如川藏公路、鐵路等)的設(shè)計(jì)與施工提供重要依據(jù)。

3 車(chē)輛對(duì)橋梁的撞擊

因城市快速擴(kuò)張、城市交通迅猛發(fā)展、立交跨線橋梁增多，汽車(chē)撞擊問(wèn)題突出。按車(chē)輛高度劃分，可分為超高車(chē)輛撞擊和非超高車(chē)輛撞擊。非超高車(chē)輛的撞擊部位大多是橋墩，如2019年5月15日，104國(guó)道東郭段上跨甬金高速一輛集裝箱車(chē)撞擊到橋墩，導(dǎo)致東郭立交橋立柱、防震擋塊多處開(kāi)裂，見(jiàn)圖3。超高車(chē)輛的撞擊部位大多是梁跨結(jié)構(gòu)，撞擊導(dǎo)致其垮塌或局部破損。如2019年5月7日，在德國(guó)漢諾威，一輛裝載有挖掘機(jī)的平板掛車(chē)撞傷了A352公路的一座跨線橋，造成了約30萬(wàn)歐元損失。2019年5月18日，一輛大貨車(chē)因載物超高，碰撞杭州市慶春東路口鋼結(jié)構(gòu)人行過(guò)街天橋，導(dǎo)致其東南側(cè)垮塌。2019年7月28日，四川綿陽(yáng)二環(huán)路八角人行天橋被超高貨車(chē)撞擊，造成梁體破損、位移，橋面鋪裝破裂、墩臺(tái)基礎(chǔ)裂縫等病害。

圖3 東郭立交橋車(chē)撞事故(百度圖片)Fig.3 Collision accident of Dongguo overpass

目前，針對(duì)車(chē)輛撞擊橋墩和橋跨結(jié)構(gòu)的研究也不少。陳林等[47]基于LS-DYNA軟件對(duì)車(chē)輛與典型鋼筋混凝土橋墩的碰撞進(jìn)行了非線性有限元模擬，重點(diǎn)考察了不同邊界條件和箍筋直徑的橋墩在車(chē)輛撞擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)及損傷特征，特別是鋼筋混凝土橋墩的典型破壞形態(tài)。

Do等[48]建立了中型貨車(chē)與大型掛車(chē)碰撞下全橋立柱的有限元模型，探討鋼筋混凝土橋柱在車(chē)輛碰撞下的沖擊行為；分析了3種不同荷載條件下柱參數(shù)對(duì)沖擊力時(shí)程和柱響應(yīng)的影響，并基于對(duì)前人研究的理解和中型卡車(chē)數(shù)值分析結(jié)果，將卡車(chē)撞擊RCB柱的沖擊力時(shí)程理想化為4個(gè)階段，如圖4 所示。此外，根據(jù)沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的剪切機(jī)理，還確定了車(chē)輛碰撞作用于柱的最大沖擊力；將RCB柱的響應(yīng)和失效分為彎曲響應(yīng)和剪切響應(yīng)兩類(lèi)，定義了柱的最大動(dòng)剪承載力，為工程人員預(yù)測(cè)RCB柱的沖擊性能提供了指導(dǎo)。

圖4 中型貨車(chē)沖擊力時(shí)程的簡(jiǎn)化模型[48]Fig.4 A simplified model of the impact force time histories from the medium truck [48]

Saini等[49]調(diào)查了鋼管混凝土(CFST)橋墩在車(chē)輛碰撞下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對(duì)存在較高車(chē)輛碰撞風(fēng)險(xiǎn)情況下使用鋼管混凝土橋墩代替常規(guī)鋼筋混凝土橋墩的可行性進(jìn)行研究。Fan等[50]通過(guò)圓形鋼筋混凝土柱的沖擊試驗(yàn)，提出一種基于碰撞后狀態(tài)(變形和損壞模式)的評(píng)估方法，并證明了該方法能夠預(yù)測(cè)碰撞后的殘余軸向承載力，并通過(guò)參數(shù)研究結(jié)果推導(dǎo)了經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算殘余強(qiáng)度。

針對(duì)現(xiàn)行的AASHTO、CEN等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將車(chē)輛碰撞所產(chǎn)生的沖擊力簡(jiǎn)化為等效靜態(tài)力的方式存在的缺陷，Do等[51]采用解析研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探討了鋼筋混凝土橋柱在車(chē)輛碰撞下的動(dòng)態(tài)特性。

Chen等[52]采用替代撞擊器來(lái)模擬卡車(chē)對(duì)橋梁的碰撞試驗(yàn)，一項(xiàng)測(cè)試對(duì)墩造成了中度損傷，一項(xiàng)造成了輕度損傷，試驗(yàn)測(cè)試與模擬數(shù)值結(jié)果較吻合。作者還強(qiáng)調(diào)了制定針對(duì)卡車(chē)與撞車(chē)事故基于性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的必要性。Auyeung等[53]提出一種基于橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和碰撞車(chē)輛動(dòng)能的新的損傷率指標(biāo)(DRI)，它可以用來(lái)定義車(chē)輛撞擊橋墩時(shí)的預(yù)期損傷。作者在橋梁車(chē)撞研究中引入了基于性能的設(shè)計(jì)理念，允許設(shè)計(jì)者或橋梁所有者根據(jù)不同的參數(shù)選擇目標(biāo)性能水平。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮多種極限狀態(tài)函數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)的性能水平。在AASHTO LRFD設(shè)計(jì)規(guī)范中，考慮了4種極限狀態(tài)，包括強(qiáng)度、使用、疲勞和極端事件。極端事件極限狀態(tài)下有地震組合和車(chē)輛碰撞組合。由于AASHTO LRFD橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的本質(zhì)建立在可靠性分析基礎(chǔ)上，因此，有必要對(duì)此類(lèi)極端事件進(jìn)行可靠性分析。Hosseini等[54]確定了一種車(chē)輛碰撞下橋墩基于性能的設(shè)計(jì)方法。相應(yīng)地，橋墩的性能水平根據(jù)車(chē)輛碰撞時(shí)橋墩的損壞狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。

鋼筋混凝土梁柱的沖擊特性通常采用三維實(shí)體單元的有限元模型來(lái)模擬。然而，該方法通常需要大量的時(shí)間和精力來(lái)模擬混凝土和鋼筋，并且要進(jìn)行非線性接觸沖擊分析。樊偉等[55]提出了一種有效的低速度沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁柱彎曲和剪切性能的模擬方法；提出了一種基于宏單元的接觸模型，用以捕捉碰撞物體與鋼筋混凝土構(gòu)件之間的相互作用行為。只要有傳統(tǒng)的光纖截面單元和離散宏單元，該方法就可以在任何有限元軟件中實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需編碼。這一特性在評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)在船舶和車(chē)輛碰撞下的響應(yīng)和易損性的時(shí)候具有很大優(yōu)勢(shì)。樊偉等[56]還開(kāi)發(fā)了一種由超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(UHPFRC)面板和波紋鋼管作為能量吸收構(gòu)件的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)，并提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，以在車(chē)輛碰撞時(shí)找到擬保護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳配置。此外，F(xiàn)an等[57]還開(kāi)發(fā)了基于超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(UHPFRC)的增強(qiáng)方法，該方法的數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果均表明UHPFRC強(qiáng)化技術(shù)可為提高RC柱的抗沖擊性能提供替代解決方案。

城市中，超高車(chē)輛在橋下由于凈空不夠造成的沖擊損壞較為頻繁。Mi-kiewicz等[58]基于詳細(xì)的物體損壞評(píng)估、3D激光掃描和數(shù)值模擬，分析了某具體車(chē)撞橋事件，提出了診斷梁體內(nèi)部損傷并評(píng)估修復(fù)的方法。陸新征等[59]以廣西某高速公路連續(xù)T梁橋?yàn)檠芯勘尘?，針?duì)超高車(chē)輛撞擊和地震作用兩種工況下容易發(fā)生的難于修復(fù)的落梁破壞和橋墩塑性破壞，提出了功能可恢復(fù)連續(xù)梁橋體系。楊樹(shù)志[60]以金匯斜拉橋?yàn)楸尘?，?duì)斜拉橋運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，考慮了車(chē)輛撞擊的影響。但風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的精確度、可信度仍有待提高。

4 近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)思想概述

近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)(Peridynamics，簡(jiǎn)稱PD)是一種非局部作用理論，其核心思想就是將連續(xù)體之間的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷植孔饔?，將臨界伸長(zhǎng)率作為強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，能成功模擬材料的損傷形成及演化過(guò)程。目前，很多研究者已經(jīng)做了相關(guān)理論和工程研究工作，研究具體涉及沖擊、爆炸、疲勞、熱力耦合、電化學(xué)、破冰等問(wèn)題；針對(duì)的具體材料包含金屬、混凝土、復(fù)合材料、功能梯度材料等。郭居上[62]重點(diǎn)研究了格子模型PD理論，對(duì)不同格子優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)估，并將其推向常規(guī)態(tài)型的格子模型中，成功模擬了金屬材料和復(fù)合材料的失效問(wèn)題。沈峰等[63]對(duì)混凝土材料進(jìn)行沖擊模擬，研究在一定沖擊速度下混凝土結(jié)構(gòu)的損傷演化問(wèn)題。

作為新興的非局部連續(xù)力學(xué)理論體系，近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)(PD)理論用空間積分方程代替偏微分方程，用以描述物質(zhì)的受力情況，從而避免了傳統(tǒng)連續(xù)力學(xué)中的微分計(jì)算在遇到不連續(xù)問(wèn)題時(shí)的奇異性，并且兼有分子動(dòng)力學(xué)方法和無(wú)網(wǎng)格方法的特點(diǎn)，特別適用于模擬材料自發(fā)的斷裂過(guò)程。然而，因?yàn)榻鼒?chǎng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)理論內(nèi)容豐富且與傳統(tǒng)理論差別較大，目前的相關(guān)文獻(xiàn)又以英文表述為主，在橋梁撞擊研究中尚未得到重視。筆者結(jié)合郭居上等[62]在復(fù)合材料研究中的一些成果和沈峰等[63]的最新論文，認(rèn)為在橋梁在船舶、落石、車(chē)輛等撞擊作用下橋墩、防撞結(jié)構(gòu)以及橋梁主梁等混凝土、鋼材或復(fù)合材料構(gòu)件的撞擊問(wèn)題分析中引入近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)思想，利用PD模擬裂紋自發(fā)萌生和擴(kuò)展等非連續(xù)問(wèn)題[64]，將有助于加深對(duì)碰撞本質(zhì)的認(rèn)識(shí)；也將為橋梁撞擊問(wèn)題分析突破傳統(tǒng)思維瓶頸提供新的突破口。

5 結(jié)論

對(duì)橋梁撞擊問(wèn)題2019年研究文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)、分類(lèi)，并根據(jù)個(gè)人理解詳細(xì)檢視了其中幾項(xiàng)研究的相關(guān)成果。通過(guò)對(duì)橋梁遭受船撞、落石沖擊、車(chē)輛撞擊等方面的近期研究成果進(jìn)行分析，認(rèn)為以下幾方面的研究在未來(lái)的工作中需要進(jìn)一步考慮：

1)已有研究成果的拓展方面：① 在單個(gè)影響因素的研究基礎(chǔ)上，對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上因素組合作用的橋梁撞擊研究理論，值得進(jìn)一步探索。如地震同時(shí)伴隨崩塌落石、泥石流等對(duì)跨谷橋梁撞擊作用的耦合效應(yīng)；考慮水流作用的船橋碰撞數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究；地震、強(qiáng)風(fēng)、波浪和船撞等極端情況同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，跨海橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究及安全性評(píng)估。② 在橋梁撞擊事故中人為因素和組織因素引起的因果概率分析方面，仍然缺乏數(shù)據(jù)和具有不確定性。為了得到可靠的結(jié)果，需要進(jìn)一步發(fā)展考慮不確定性的概率推理方法。③ 基于有限元建模的橋梁撞擊分析計(jì)算量龐大，較高計(jì)算精度和計(jì)算效率的簡(jiǎn)化計(jì)算模型或分析方法的提出，將對(duì)深入認(rèn)識(shí)橋梁碰撞影響規(guī)律有很大幫助。

2)新材料的應(yīng)用方面：高強(qiáng)輕質(zhì)材料或者新型材料的更多應(yīng)用是中國(guó)橋梁工程的發(fā)展方向，如泡沫鋁、UHPC、UHPFRC等應(yīng)用于橋梁防撞及橋梁加固方面的研究已經(jīng)開(kāi)始，該方面的系統(tǒng)研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

4)新理論、新方法的發(fā)展方面：①基于性能的橋梁防撞設(shè)計(jì)理論研究將得到發(fā)展?；谛阅艿脑O(shè)計(jì)理念，是允許設(shè)計(jì)者或橋梁所有者根據(jù)結(jié)構(gòu)物的重要性和用途選擇目標(biāo)性能水平，由不同的性能目標(biāo)提出相應(yīng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，以使結(jié)構(gòu)具有預(yù)期功能。該思想是21世紀(jì)世界各國(guó)抗震理論的發(fā)展方向，應(yīng)用于橋梁撞擊問(wèn)題研究將推動(dòng)相關(guān)理論的發(fā)展。② 依據(jù)模擬材料的損傷形成及演化過(guò)程的已有PD成果，在橋梁撞擊問(wèn)題研究中引入近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)思想，將有助于加深對(duì)碰撞本質(zhì)的認(rèn)識(shí)；也將為橋梁撞擊問(wèn)題分析突破傳統(tǒng)思維瓶頸提供新的路徑。③ 船舶橋梁碰撞評(píng)估新方法在智能橋梁防撞管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。如基于模糊邏輯的船橋碰撞預(yù)警方法的發(fā)展，在考慮各種危險(xiǎn)源的前提下，還應(yīng)考慮船舶碰撞，從而建立綜合的船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以協(xié)助保證橋梁航道區(qū)域的綜合海事安全。

綜上所述，在未來(lái)研究中，應(yīng)重點(diǎn)考慮主被動(dòng)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁全方位、多角度防撞智能管控，保障橋梁運(yùn)營(yíng)安全；同時(shí)，應(yīng)結(jié)合新的理念和分析方法深入認(rèn)識(shí)橋梁撞擊問(wèn)題發(fā)生和損傷演化機(jī)理，推動(dòng)橋梁防撞相關(guān)理論的發(fā)展。