橋梁不懼船撞

文/供圖 同濟(jì)大學(xué) 夏燁 邵珠峰

招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 尚軍年

組圖 不同航道條件上的橋梁

由同濟(jì)大學(xué)、招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司、中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司、上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所、上海無線電設(shè)備研究所、上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司、上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司完成的“橋梁抗撞安全設(shè)計(jì)理論與防護(hù)、預(yù)警技術(shù)”項(xiàng)目，獲得了2020年度中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。項(xiàng)目創(chuàng)立了基于性能的橋梁船撞多目標(biāo)安全設(shè)計(jì)理論體系，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)橋梁船撞設(shè)計(jì)理論的空白，建立了基于剛度匹配的橋梁防撞設(shè)施設(shè)計(jì)方法，提出了適合不同水域環(huán)境的橋梁抗撞防護(hù)技術(shù)，研發(fā)了多種防撞設(shè)施，建立了基于時(shí)空數(shù)據(jù)的橋梁船撞安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)估平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了橋區(qū)船只的監(jiān)測(cè)與危險(xiǎn)預(yù)警，通過上述技術(shù)的整體運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了橋梁從建設(shè)到運(yùn)營(yíng)階段的船撞保護(hù)，有效降低了船舶撞擊橋梁的事故率。

適于我國(guó)的橋梁防船撞設(shè)計(jì)方法橫空出世

我國(guó)公路網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，水系眾多，跨航道橋梁船撞問題突出，而跨航道橋梁的船撞設(shè)計(jì)及防護(hù)一直是全世界面臨的難題。與此同時(shí)，我國(guó)公路和航道里程逐年增加，船舶大型化趨勢(shì)明顯，大大增加了跨航道橋梁的船撞風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致船撞事故頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)平均每年發(fā)生嚴(yán)重船撞事故約17起，導(dǎo)致了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，引起了社會(huì)的高度關(guān)注。降低了橋梁船撞事故風(fēng)險(xiǎn)，遏制了重特大事故的發(fā)生，保障了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全已迫在眉睫。

我國(guó)橋梁所處環(huán)境復(fù)雜，且存在航道彎曲、礁石淺灘眾多、潮起潮落導(dǎo)致的大水位落差等情況，國(guó)外規(guī)范無法直接應(yīng)用于我國(guó)橋梁防船撞設(shè)計(jì)，因此急需一套適用于我國(guó)國(guó)情的橋梁防船撞設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)的防撞理論研究、主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)等方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)橋梁從建設(shè)階段到運(yùn)行階段全壽命的船撞安全防護(hù)。項(xiàng)目創(chuàng)立了基于性能的橋梁船撞多目標(biāo)安全設(shè)計(jì)理論體系，建立了基于剛度匹配的橋梁防撞設(shè)施設(shè)計(jì)方法與基于時(shí)空數(shù)據(jù)的橋梁船撞安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)估平臺(tái)。通過以上技術(shù)的整體運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了橋梁從建設(shè)到運(yùn)營(yíng)階段的船撞保護(hù)，有效降低了船舶撞擊橋梁的事故率。

方案設(shè)計(jì)亮點(diǎn)頗多

該項(xiàng)目依托交通運(yùn)輸部西部項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，歷經(jīng)15年產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合攻關(guān)，通過對(duì)橋區(qū)環(huán)境的建模分析，建立了面向橋梁抗撞性能設(shè)計(jì)要求、可考慮復(fù)雜航道環(huán)境特性的船撞風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型，計(jì)算確定橋梁防撞設(shè)計(jì)所需的設(shè)防船撞力和設(shè)防代表船型，明確了橋梁的設(shè)防水準(zhǔn)；通過數(shù)值模擬手段，規(guī)范了船撞靜力及動(dòng)力作用荷載；在設(shè)防代表船型及設(shè)防船撞力的基礎(chǔ)上，采用基于性能的靜動(dòng)力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的防撞設(shè)計(jì)。對(duì)于抗撞性能不滿足需求的橋梁，項(xiàng)目組采用精細(xì)化的數(shù)值模擬和適用不同水域特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性防護(hù)技術(shù)，對(duì)橋梁進(jìn)行有效防護(hù)。同時(shí)，采用主動(dòng)在線預(yù)警系統(tǒng)，有效減少船舶撞擊橋梁的事故發(fā)生。

研究強(qiáng)迫力和質(zhì)點(diǎn)碰撞荷載模型 提出面向設(shè)計(jì)的橋梁船撞動(dòng)力荷載模型

針對(duì)抗撞理論體系不完善，項(xiàng)目組研究了強(qiáng)迫力和質(zhì)點(diǎn)碰撞荷載模型，提出了面向設(shè)計(jì)的橋梁船撞動(dòng)力荷載模型，規(guī)范了船撞動(dòng)力作用荷載；研究了船舶撞擊橋墩的作用荷載及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，建立了橋梁船撞性能指標(biāo)體系，提出了多約束條件下橋梁船撞易損性分析方法，創(chuàng)建了橋梁船撞性能設(shè)計(jì)的理論框架和實(shí)現(xiàn)途徑；揭示了偏航船舶碰撞橋梁的規(guī)律，建立了面向橋梁設(shè)計(jì)、可考慮復(fù)雜航道環(huán)境的船撞風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型，并提出了橋梁船撞后果量化估計(jì)方法，最終構(gòu)建了橋梁船撞多目標(biāo)安全設(shè)計(jì)與決策整體理論體系。

項(xiàng)目研究了橋梁船撞動(dòng)力響應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)碰撞和強(qiáng)迫力荷載模型，提出了面向設(shè)計(jì)的橋梁船撞動(dòng)力荷載模型，規(guī)范了船撞動(dòng)力作用荷載。通過靜動(dòng)力荷載下混凝土構(gòu)件沖擊加載破壞狀態(tài)分析，確定混凝土構(gòu)件的性能指標(biāo)和沖擊性能等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)，提出了橋梁結(jié)構(gòu)船撞性能等級(jí)的量化劃分方法，并在此基礎(chǔ)上建立了橋梁結(jié)構(gòu)船撞易損性分析和基于性能的橋梁抗船撞設(shè)計(jì)理論、方法。項(xiàng)目揭示了偏航船舶碰撞橋梁的規(guī)律，建立了考慮復(fù)雜航道環(huán)境的面向橋梁設(shè)計(jì)的船撞風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型，建立了橋梁船撞多目標(biāo)安全設(shè)計(jì)與決策整體理論體系。

船撞風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型

開展基于合理剛度的防撞設(shè)施設(shè)計(jì)理論研究 揭示橋墩、防撞設(shè)施及船頭三者剛度的合理分布規(guī)律

項(xiàng)目技術(shù)原理及流程

針對(duì)防撞防護(hù)技術(shù)不系統(tǒng)的問題，項(xiàng)目組開展了基于合理剛度的防撞設(shè)施設(shè)計(jì)理論研究，揭示了橋墩、防撞設(shè)施及船頭三者剛度的合理分布規(guī)律，提出了適合不同水域環(huán)境的橋梁抗撞防護(hù)技術(shù)，并研發(fā)了變剛度的鋼-復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)防撞裝置、柔性轉(zhuǎn)筒式梯級(jí)耗能防撞裝置、寬闊水域走錨耗能式防撞裝置及阻尼拉索式防撞裝置。

項(xiàng)目通過精細(xì)化模型和簡(jiǎn)化剛度模型的精細(xì)化分析，揭示了橋墩、防撞設(shè)施及船頭三者剛度的合理分布規(guī)律，提出了系統(tǒng)合理剛度的取值方法，確定了基于耗能和壓縮比平衡的系統(tǒng)剛度取值范圍，奠定了橋梁防撞設(shè)施設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

數(shù)值模擬模型

寬闊水域船舶攔截防護(hù)技術(shù)

視頻目標(biāo)檢測(cè)效果

研究人員利用基于合理剛度的橋梁防撞設(shè)施設(shè)計(jì)理論，提出多目標(biāo)雙保護(hù)柔性防撞技術(shù)，研發(fā)了梯級(jí)耗能的鋼-復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)防撞裝置，實(shí)現(xiàn)了航道內(nèi)多種類型船型的設(shè)防需求。

項(xiàng)目組運(yùn)用合理剛度和撥轉(zhuǎn)船艏的設(shè)計(jì)理論，對(duì)不同材質(zhì)轉(zhuǎn)筒和不同內(nèi)部構(gòu)造的轉(zhuǎn)筒進(jìn)行了研究，研發(fā)了轉(zhuǎn)筒式梯級(jí)耗能防撞裝置，實(shí)現(xiàn)了低拱腳拱橋設(shè)防需求。運(yùn)用理論分析與船舶操縱模擬試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)方法，揭示了非通航區(qū)浮體走錨耗能的作用機(jī)理，研發(fā)了寬闊水域走錨耗能式防撞攔截裝置和阻尼拉索式防撞攔截裝置。

研究基于純視頻傳感的航區(qū)船舶高精度目標(biāo)檢測(cè)方法 研制視頻-小型專用雷達(dá)識(shí)別技術(shù)與裝置

針對(duì)主動(dòng)預(yù)警精確度低、針對(duì)性差的難題，項(xiàng)目組研究了基于純視頻傳感的航區(qū)船舶高精度目標(biāo)檢測(cè)方法和通航區(qū)碰撞危險(xiǎn)源航跡跟蹤預(yù)測(cè)與偽航跡自檢技術(shù)，研制了視頻-小型專用雷達(dá)識(shí)別技術(shù)與裝置，創(chuàng)建了基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合的橋梁群防撞聯(lián)合預(yù)警及動(dòng)態(tài)分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可彌補(bǔ)大多數(shù)橋區(qū)水上海事監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)施不足帶來的監(jiān)管盲區(qū)。

項(xiàng)目提出了基于視頻監(jiān)測(cè)的高精度航區(qū)目標(biāo)檢測(cè)方法，研發(fā)通航區(qū)碰撞危險(xiǎn)源航跡跟蹤預(yù)測(cè)與偽航跡自檢技術(shù)；研發(fā)了小型專用雷達(dá)識(shí)別技術(shù)與裝置，并與視頻技術(shù)融合，形成橋梁船撞監(jiān)測(cè)預(yù)警的綜合技術(shù)；開發(fā)了橋梁主動(dòng)防撞監(jiān)測(cè)預(yù)警和安全評(píng)估綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在線預(yù)警、撞后快速評(píng)估和橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)演化評(píng)估等功能，并實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

創(chuàng)新成果應(yīng)用廣泛

項(xiàng)目構(gòu)建了橋梁防撞整體理論體系，提出的基于目標(biāo)概率的橋梁船撞設(shè)計(jì)方法，將國(guó)際上單一目標(biāo)設(shè)計(jì)方法推至了新的高度，使得橋梁防撞體系更科學(xué)，操作性更強(qiáng)，也使得我國(guó)的橋梁防撞水平處于世界領(lǐng)先地位。項(xiàng)目研發(fā)的適合不同水域環(huán)境的梯級(jí)耗能柔性防撞裝置，已應(yīng)用在杭州灣大橋、虎門二橋、望東長(zhǎng)江大橋等重要跨航道橋梁上，有效保護(hù)了橋梁安全?；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合的橋梁群防撞聯(lián)合預(yù)警及動(dòng)態(tài)分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)，聯(lián)合海事部門的AIS數(shù)據(jù)終端，提高了多部門聯(lián)合監(jiān)控的精準(zhǔn)性，有效地降低了船舶撞擊橋梁的風(fēng)險(xiǎn)。

項(xiàng)目中所研制的防撞套箱、防撞護(hù)舷、主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)等一系列防撞產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了科研成果的產(chǎn)品化，拓展了市場(chǎng)方向。評(píng)估理論與方法、柔性防撞產(chǎn)品和防撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于全國(guó)的重大工程中。項(xiàng)目組主編的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在港珠澳大橋、廈漳大橋、重慶東水門大橋、重慶千廝門大橋等眾多重大橋梁工程中應(yīng)用，成功指導(dǎo)了大橋的防撞設(shè)計(jì)，有效降低了大橋的船撞風(fēng)險(xiǎn)，提高了大橋后期運(yùn)營(yíng)的安全性。

項(xiàng)目研發(fā)的適合不同水域環(huán)境的梯級(jí)耗能柔性防撞裝置，已在杭州灣大橋、虎門二橋、廈漳跨海大橋、望東長(zhǎng)江大橋、安慶公路長(zhǎng)江大橋、蕪湖二橋、池州長(zhǎng)江大橋等重要跨航道橋梁上應(yīng)用，特別是望東長(zhǎng)江大橋，項(xiàng)目研發(fā)的非通航區(qū)域防撞裝置有效抵御了2000噸船舶的撞擊，保護(hù)了橋梁安全，避免了一場(chǎng)類似九江長(zhǎng)江大橋船撞事故的發(fā)生。

組圖：防撞裝置實(shí)際應(yīng)用

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合的橋梁群防撞聯(lián)合預(yù)警及動(dòng)態(tài)分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)，聯(lián)合海事部門的AIS數(shù)據(jù)終端，提高了多部門聯(lián)合監(jiān)控的精準(zhǔn)性，預(yù)警系統(tǒng)成功應(yīng)用于珠海大橋、橫琴大橋、淇澳大橋等多座寬闊水域的橋梁，有效地降低了船舶撞擊橋梁的風(fēng)險(xiǎn)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)船撞事故造成的經(jīng)濟(jì)損失每次可達(dá)500萬元至1000萬元。據(jù)此測(cè)算，防撞技術(shù)的采用每年可為國(guó)家避免相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失上億元。

隨著我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的日趨完善，我國(guó)數(shù)以萬計(jì)的橋梁進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)的重要時(shí)期。其中，跨江、跨海大橋由于航運(yùn)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，船撞事故率也急劇增加，且橋梁和結(jié)構(gòu)工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)規(guī)模巨大，尤其對(duì)于老舊橋梁，往往處于交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，而運(yùn)營(yíng)安全性則受到嚴(yán)重的威脅。因此，橋梁防撞設(shè)計(jì)計(jì)算體系的完善、防撞產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)、主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)施具有重要的社會(huì)意義和市場(chǎng)前景。交通運(yùn)輸部已啟動(dòng)長(zhǎng)江干線、西江干線橋梁防范船舶撞擊專項(xiàng)整治行動(dòng)。粗略估計(jì)，我國(guó)每年在橋梁防撞專題研究、橋梁防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)和咨詢、防撞產(chǎn)品工程應(yīng)用等方面的市場(chǎng)需求將達(dá)數(shù)億元。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，跨航道橋梁涉水橋墩數(shù)量約27746個(gè)，其中9425個(gè)橋墩防撞能力不足，市場(chǎng)潛力巨大，推廣前景廣闊。

項(xiàng)目形成的橋梁船撞相關(guān)理論方法、防撞技術(shù)與產(chǎn)品、防撞標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)橋梁防船撞技術(shù)走向世界也將發(fā)揮重要作用。