跨江公路特大桥船撞力学分析研究 田 钦，程海根，康彩霞 （华东交通大学土木建筑学院，江西南昌３３００１３） 【摘要】 随着交通运输的发展，航运量不断增大，受船舶撞击而诱发的桥梁跨塌事件日益增多。并且 这类事件往往造成桥梁倒塌、船舶沉没、人员伤亡和水陆运输干线长期中断的严重后果，经济损失巨大。因 此，船一桥碰撞及桥梁的防撞研究已成为具有广泛意义的国际性课题，日益引起各国、学者、工程界的关 注。文中针对跨江公路特大桥船撞事故，概述了国内外规范船一桥碰撞力学的计算方法，并提出防撞设施的 设置方法。 【关键词】碰撞力；桥梁防撞；有限元 【中图分类号】Ｕ４４２．５ ９ 【文献标识码】Ａ 船撞桥问题在国外从２０世纪８Ｏ年代初开始得到认真 平运动，归结为两维问题；后者将该问题扩展为三维情况，考 的研究，经过２Ｏ年的努力，欧洲和美国等国家已经制定了专 虑了碰撞中船舶六个自由度运动。在该方法中流体动力用 门的设计规范或指南。虽然目前我国有关大桥的安全保障 切片法计算，碰撞力则假设为贯人量的非线性函数，通过六 部门采取了一系列的安全措施，但对防撞问题一直未得到足 根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理… 。 够的重视，也没有专门的设计规范或指南可供工程师使用。 １．１．４简化解析法 在公路桥梁设计规范中的相应条款过于简单，设计船撞力过 简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型，导 低，对桥梁设计几乎没有影响，这不符合实际情况 。随着 出这些简化模型损伤的理式，分别计算出每一种简化模 跨江的公路特大桥越建越多，以及大江航道等级的提高，大 型的损伤力和变形能，最后合成总的船舶结构碰撞损伤力和 吨位的船只越来越多地进入了大江，加之建桥后的航道演 能量。简化解析法是一种非耦合的方法¨ 。 变，这些跨大江桥梁被船撞的风险明显加大 。对这些特大 １．１．５实验方法 桥进行船撞安全风险评价，并提出一些防范措施，就显得尤 通过碰撞模型实验，直接测量船～桥碰撞中碰撞力、变 为重要。 形能随撞深的变化曲线【１ 。但由于实验方法耗费昂贵，一 １ 船桥相撞有限元计算方法的研究 般难以实施。有关资料表明从２Ｏ世纪６０年代初开始，日 本、德国等国的学者相继完成了少量船一船碰撞试验，而船 １．１船一桥碰撞力学计算研究方法 一桥碰撞试验的资料还未发现。 １．１．１ Ｍｉｎｏｒｓｋｙ理论 １．１．６经验规范公式法 Ｍｉｎｏｒｓｋｙ船一船碰撞理论 Ｊ’ 自１９７５年公开发表后， （１）我国《公路桥涵设计规范》（１９８９）将船舶撞击当作 已为众多的实验所证实，由此奠定了船一船碰撞的分析基 一种偶然载荷，对桥梁防撞问题做出了规定：位于通航河流 础，并推广应用于船一桥碰撞，为国际桥梁工程界和各国学 或有漂流物的河流中的桥梁墩台，设计时应考虑船只或漂流 者公认。Ｍｉｎｏｒｓｋｙ的研究工作主要是将船一船碰撞问题分 物的撞击力。对漂流物撞击力Ｐ给出的计算公式为： 为两个相互的部分，即动能损失和结构损伤，并用统计 Ｐ＝ ｇ Ｘ １ （１） 分析方法将它们联系在一起。 １．１．２汉斯一德鲁彻理论 式中：Ｐ为撞击力（ｋＮ）； 汉斯和德鲁彻教授根据ＣＧ一７１９５５一Ａ合同研究提出 Ｗ为漂流物重力（ｋＮ）； 的理论，主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击 、『“］。该理 为水流速度（ｍ／ｓ）； ｇ为重力加速度（９．８１ ｍ／ｓ ）； 论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统 为撞击时间（ｓ），无资料时取１秒。 的数学模型，计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大 这是最简单的公式，但要获取确切的撞击时间是困 位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞击力、撞击过程的持 续时间。 １．１．３数值解法 ［收稿日期］２００９—０２—１９ 数值解法产生于船一船碰撞理论 ，引伸到船一桥碰 ［作者简介］田钦（１９８２ ），男，湖南湘西人，土家族，在 撞计算。数值方法中较有代表性的是Ｐｅｔｅｒｓｅｎ方法和梁文 读研究生，研究方向：桥梁检测、桥梁施工监控和桥梁动 娟计算方法 Ｊ。前者提出的方法可以模拟碰撞中船舶的水 力学。 四川建筑第３０卷１期２０１０．０２ １４７ 难的。 限元技术，对于不同类型的船桥碰撞问题可以较为精确地描 （２）我国《铁路工程技术规范》（１９８５）第３．４．６条规定， 桥梁墩台承受船舶或排筏的撞击力Ｐ可按下式计算，即 厂—面 一 Ｍ述船舶和桥梁复杂的几何形状、材料本构、破坏损伤等信息， 从而能够得到更精确的结果，较传统的经验公式计算体现出 了较大的优势。 √ ｒ＿ （２） １．２船桥相撞模型经验规范公式法计算撞击力结果的比较 一式中： 为动能折减系数（ｍ／ｓ ），当正向撞击时取 艘重为２３７．７７６５ ｔ（折合２３３０．２０９７ ｋＮ）的船，行驶入 ０．３，斜向撞击时取０．２； 为船只撞击速度（ｍ／ｓ），采用航运部门提供的 数据； 江中，行驶速度为１１节（５．６５９ ｍ／ｓ），正面撞击大桥桥墩。 采用经验公式法计算撞击力。 （１）采用我国《公路桥涵设计规范》（１９８９）计算撞击 为船只驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹 力得： 角，应根据具体情况确定，如有困难可采用２０。； Ｐ：—ＷｘＶ２３３０．２０９７ｘ５．６５９—：——：１３４５．５７７ｋＮ：１．３４６ ＭＮ 为船只重（ｋＮ）； ｇ Ｘ Ｔ ９．８ Ｘ １ Ｃ 、Ｃ：分别为船只的弹性变形系数和墩台的弹性 （２）采用我国《铁路工程技术规范》（１９８５）计算撞击 变形系数，缺乏资料时可定Ｃ ＋Ｃ ２＝０．０００５ 力得： ｍ／ｋＮ。 （３）美国《公路桥梁设计规范》对于通航桥孔的桥墩，船 Ｆ ｙ ×ｓｉｎ ／ ＿｛ ０・３×５・６５９×ｓｉｎ２０。× 舶对桥墩的正面撞击力，为： ５３．５０２ １．２５３ ＭＮ Ｆ＝１．２ Ｘ１０ Ｖ厕 （３） 式中： 为船舶航行速度（ｍ／ｓ）； （３）采用美国《公路桥梁设计规范》计算撞击力得： ＤＷＴ为船舶重量（ｔ）． Ｆ＝１．２ Ｘ １０ Ｖ．俪＝１．２ Ｘ １０ Ｘ ５．６５９ ｘ （４）美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》（ＡＡＳＨＴＯ） 、 丽＝１０．４７１ ＭＮ 对货船、大型轮船等船舶等效静态冲击力按下式计算（即修 （４）采用美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》（ＡＡＳＨ． 正Ｗｏｉｓｏｎ公式）： ＴＯ）计算撞击力得： Ｐ ＝０．９８（ＤＷＴ）Ｔ Ｘ（ ８） （４） Ｐ ＝０．９８（ＤＷＴ）丁Ｘ（Ｉ／／８）＝０．９８×（２３７．７７６５） 式中：Ｐ 为静态等效冲击力（ｋＮ）； （５．６５９／８）＝１０．６９０ ＭＮ 为船舶碰撞时的速度（ｍ／ｓ）； （５）北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和 ＤＷＴ为船舶排水量（ｋＮ）。 渡轮的碰撞力．计算撞击力得： （５）北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和 Ｐ＝０．５（Ｄ ）Ｔ１＝０．５×（２３７．７７６５） ／２＝７．７１０ ＭＮ 渡轮的碰撞力计算公式为： 从以上的经验公式的计算结果可以看出，美国规范计算 １ Ｐ＝０．５（ＤＷＴ） （５） 的碰撞力结果是最大的，我国铁路规范计算的结果是最小 式中：ＤＷＴ为船舶重量（ｔ）。 的，结果相差近８倍。由此可以得出，美国的规范对于船桥 除了以上经验公式外还有沃辛碰撞理论［３ ３：１９７６年，德 碰撞力的计算是偏于安全的，而且这个力作为一个活载计 国学者沃辛根据保护核动力船舶的核反应堆在碰撞下的安 算，安全富裕度高；我国的规范对于碰撞力的计算是比较粗 全问题而进行了大量实验，提出了沃辛经验公式；Ｓａｕｌ和 糙的，而且只是作为一个偶然荷载进行计算，安全富裕度低； Ｓｖｅｎｓｓｏｎ等对沃辛经验公式进行了修正，得到修正的沃辛公 欧洲的规范计算结果和美国差不多。这也就可以解释为什 式；挪威公共道路局规定其公共道路系统桥梁和浮桥的碰撞 么我国的桥梁容易被撞断，而美国、欧洲的桥梁抗撞击能力 荷载计算公式。 强。这就使研究修正我国规范中碰撞力的计算公式，变得尤 １．１．７非线性有限元方法 为重要。 以上对于船桥碰撞的常用工程计算方法中，考虑的因素 比较简单，主要是从冲量公式、能量公式等出发，根据经验数 ２桥梁防撞设施的研究与应用 据导出的计算方法，对工程应用具有一定的指导意义 Ｊ。但 采用桥梁防撞的目的是防止桥梁因船舶撞击力超过桥 这些经验公式都没有全面地考虑船舶、桩基、承台、墩台等的 墩的设计承受能力，保护桥梁结构安全。工程上通过采用不 具体类型、结构、材料等因素的影响。而目前我国的交通基 同型式的防撞设施，可以阻止船舶撞击力传到桥墩（或桥 础设施建设发展迅速，跨江甚至跨海大桥不断兴建，桥梁的 梁），或者通过缓冲消能防撞设施，延长船舶的撞击时间，减 结构形式不断更新，同时船舶吨位和航速也不断增加，因此， 小船舶撞击力，从而最终保护桥梁安全。防撞设施的设计需 对于不同的船桥撞击类型，仅采用传统的工程公式计算，越 要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流 来越难以满足我国现代化建设的需要。 的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进 近年来随着非线性有限元分析技术和计算机硬件系统 行设计。 的发展，船桥碰撞问题的计算有了新的突破。采用非线性有 １４８ 四川建筑第３０卷１期２０１０．０２ ２．１防撞设施的性能要求 参考文献 防撞设施一般应满足如下要求Ｄ０］： 。（１）吸能能力要大，但更重要的是将船的动能仍保留在 ［１］ 刘建成，顾永宁．船桥碰撞数值仿真［ｃ］∥第１５届全国桥梁 学术会议论文集．上海：同济大学出版社，２００２ 船上，最新的办法是防撞装置将船头拨歪，使船离开墩而不 被镶住，即不咬住船头。 （２）防撞设施不能影响航道的通航，占用航道范围尽 量少。 ［２］孙雾．桥梁防撞设施数值仿真研究［Ｄ］．上海：同济大学，２００５ ［３］ 陈国虞，沈文玮．船对桥墩的侧撞力［ｃ］∥第１５届全国桥梁 学术会议论文集．上海：同济大学出版社，２００２ （３）通过合理的结构形式、各种缓冲材料的布置，尽量减 小通航船舶的损伤。 （４）防撞设施制造、安装、维护和修理经济性较好，现在 一［４］梁文娟，金允龙，陈高增．船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞 ［Ｃ］／／第ｌ４届全国桥梁学术会议论文集．上海：同济大学出版 社。２０００：５６６—５７１ ［５】Ｖ．ｕ．Ｍｉｎｏｒｓｋｙ Ａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｔｏ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｕ— ｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｊ．Ｓｈｉｐ Ｒｅｓｅａｒｅｈ，１９５９（１） 般可做到只占桥梁建设费用的５％左右。 （５）防撞设施具有很好的可靠性和安全性。 （６）应适应水位变化的要求：枯水、洪水；涨潮、退潮。 （７）不因设置防撞装置而增加新的问题，如回流沉积、妨 ［６］Ｚｈａｎｇ Ｓｈｅｎｇ ｒｒｄｎｇ，Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｓｈｉｐ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ，［Ｄｉｓｓｅｒｔａ－ ｔｉｏｎ］，Ｄｅｎｍａｒｋ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｎｍａｒｋ，１９９９ ［７］Ｋｉｎｋｅａｄ Ａ．Ｎ．Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ｃａｒｇｏ Ｐｒｏｔｃｔｅｉｏｎ Ａｆｆｏｒｄｅｄ ｂｙ ｓｈｉｐ Ｓｔｒｕｅｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ｎｄ ａＩｔｓ ＡＰＰｌｉｅａｔｉｏｎ ｔｏ ｈｅ ＬＮＧ ｔＣａｒ－ ｒｌｅｒ，ＲＩＮＡ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１９８０：２９９—３２３ 碍捕捞养殖等。 ２．２防撞设施的设计原则 由于桥、船和防撞设施都是造价昂贵的工程建筑物，所 ［８］王自力，顾永宁．船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究［Ｊ］．爆 炸与冲击，２００１，２１（１）：２９—３４ 以，对于设计防撞设施的目的和要求，是按照下列原则处 理的。 ［９］ 李雅宁．船一桥碰撞非线性有限元仿真研究［Ｄ］．上海：上海交 通大学，２００３ （１）大桥的破坏后果最为严重，确保桥梁安全是防撞设 施设计的首要目的，为了保证大桥的安全，即使防撞设施和 船舶损坏，也是合理的、必要的。 （２）防撞设施的损坏是允许的，但应易于修复，以使大桥 不失受保护状态。 ［１Ｏ］潘晋．船桥碰撞机理及桥墩防护装置研究［Ｄ］．武汉：武汉理 工大学，２００３ ［１１］顾永宁，胡志强，高震．船舶碰撞与触底事故的数值仿真 ［Ｊ］．上海交通大学学报，２００３，３７（８） ［１２］吴卫国，姜河蓉，杨茨祥．桥墩防护装置在船舶撞击载荷作用 下的动态响应分析［Ｊ］．武汉理工大学学报（交通科学与工程 版），２００４，２８（４）：４８２—４８４ （３）船舶是碰撞事故的责任方，但船舶的沉没也是极大 的经济损失，而且影响航道畅通，应予避免，所以，对船舶的 保护在防撞设施的设计中也应给予必要的适度考虑，应避免 沉船事故。 ［１３］戴彤字．桥梁船撞力实用计算方法［Ｊ］．黑龙江交通科技， ２００３（１） ３结束语 规范化的桥梁防撞研究在我国处于起步阶段，不断发生 的船撞桥事故却使这一课题研究越来越具有必要性和紧迫 性。目前，建立统一的适用于实际的船桥碰撞规范研究是这 一［１４］元文果，金先龙，张晓云．冲击一接触问题有限元仿真的并行 计算［Ｊ］．振动与冲击，２００６，２５（４）：６８—７２ ［１５］杨世殊，范众斌．靠船桩船舶撞击力的计算［Ｊ］．湖南交通科 技，２０ｏ３（２） ［１６］ 刘小虎，杨文兵，王乘，等．大桥受船撞击灾害的计算机评价 方法［Ｊ］．工程力学，２０００，１７（４）：１２４—１３１ 领域有待完善和今后发展的重点。此外，相关基础学科， 如船舶、桥墩的材料本构模型定义、船舱内压载水影响、船桥 碰撞力学等理论的不断完善并应用于船一桥碰撞力学计算 方法中，也可以进一步提高船撞桥的研究技术，相信非线性 有限元技术的桥梁防撞研究技术将会在这一研究领域发挥 更重要的作用。 四川建筑第３０卷１期２０１０．０２ １４９
