橋梁結構抗撞研究綜述（一）

航道橋梁防護實際工程應用

王文煒 周暢 程毅 吳曾晗 曹宏斌 吳浩愷

東南大學交通學院 橋梁工程系 橋梁抗撞研究課題組

1 國內外研究背景及現狀

船舶作為運載工具的歷史，幾乎和人類文明史一樣悠久[1]。航運業作為一種運量最大且運價最小的運輸方式，是航空運輸和陸路運輸所無法比擬的。隨著航運業快速發展，船舶數量不斷增加，船舶航線越來越密集，與此同時，交通行業的高速發展也使得跨江、跨海大橋數量逐年上升，船舶和跨航道橋梁之間的碰撞概率不可避免的增大，從而導致船橋碰撞事故屢見不鮮[2]。

1980年美國佛羅里達州，因暴風雨天氣，能見度低，船長判斷失誤導致駕駛貨船撞向陽光大橋，致使橋面結構連同8輛汽車墜海，造成35人喪生。1993年美國亞拉巴馬州，駁船撞擊鐵路大橋，導致行駛列車出軌，列車上47人遇難。據統計，1970年至1974年間，美國發生船橋碰撞事件共811起；1960年至1993年間，全世界因船橋碰撞事故導致橋梁損毀達29座，死亡人數達321人[3]。

圖1 陽光大橋船撞事故

                                圖2 美國駁船撞擊鐵路橋

在中國，船橋碰撞事故也頻繁發生。2007年6月15日，一艘運砂船通過廣東佛山九江大橋時，撞上橋墩，橋墩當場被撞斷，共造成8人死亡。2010年11月2日一艘船只撞擊福州烏龍江大橋致使18人受傷。2019年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，導致橋上部承重梁體嚴重受損。同年4月20日凌晨，中國四大古橋之一的潮州廣濟橋遭貨船碰撞，多處受損。

圖3 九江大橋船撞橋墩事故

圖4 11·2福州船只撞橋事故

圖5 東洲河橋被貨船碰撞受損

圖6 廣濟橋遭失控貨船碰撞

事實上，船橋碰撞事故遠不止于此，事故頻發現象始終未得到較好地控制。船橋碰撞發生后會給社會各方面利益造成較大損失，這種損失不僅僅局限于船舶和橋梁擁有者，同時還會對交通、貿易、環境以及公眾心理造成極大沖擊[4-5]。因此，對于船橋碰撞問題的研究，合理控制船橋碰撞事故的發生，以及降低碰撞事故造成的損失，已成為船舶研究部門、橋梁建設部門以及航道保障部門共同關注的重要課題。

國內外關于船橋碰撞研究，主要集中在規范的編制與修訂、碰撞理論分析模型、船撞數值模擬及實際工程分析這四個方面。

對于船橋碰撞規范的編制與修訂，美國道路工程師協會(AASHTO)于1991年編寫的《公路橋梁船撞設計指南》(該指南于2009年進行了修訂)，其專門針對美國內河橋梁提出了基于風險的船撞設計技術標準和設計方法。1996年美國鐵路工程協會(AREMA)出版了《防撞保護系統設計規范》。歐洲用于指導橋梁船撞設計的規范是1997年出版的歐洲統一規范中的Eurocode1.2.7分冊。中國《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)和《鐵路橋涵設計規范》(TB10002-2017)對船撞有所涉及；中國第一部專門的船撞設計指南是地方標準《重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南》(DBJ/T50-106-2010)。中國公路學會2018年發布了《公路橋梁防船撞裝置技術指南》，以此來規范公路橋梁防船撞裝置的技術要求，提升橋梁防船撞產品的質量水平。我國于2020年發布了《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T 3360-02-2020)，明確提出公路橋梁主體結構宜采用基于性能的抗撞設計方法，并給出了兩個作用水準。

圖7 《公路橋涵設計通用規范》

                    圖8 《重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南》

圖9 《公路橋梁防船撞裝置技術指南》

圖10 《公路橋梁抗撞設計規范》

對于船橋碰撞理論分析模型，張可成[6]綜合考慮航跡、航角、停船距離和水位等因素的影響，優化了現有船撞橋梁風險分析模型，考慮了變動水位的影響，提出了相應的改進船橋碰撞概率模型。Song等[7]提出了一種簡化的橋梁沖擊荷載時程分析模型，以預測橋梁在船舶撞擊下的動態響應。其簡化模型通過一種用拋物線形式修正的半正弦波函數來捕捉沖擊力時程的力學特征，并使用兩個橋梁工程案例驗證了該模型的有效性。宋彥臣等[7]還以一座連續梁橋為例進行了接觸碰撞響應與撞擊力時程響應分析，并將修正半波正弦荷載模型的響應求解誤差分為3類，并討論了這3種誤差對結構響應的影響。

圖11 三參數路徑積分船-橋碰撞概率模型[6]

圖12 船撞力與船舶質量、沖擊速度的擬合曲面[8]

對于船橋碰撞的數值模擬，Leheta H W等[2]運用LS-DYNA非線性有限元軟件分析駁船在兩種船速下撞擊剛性墻產生的船艏應力分布，以及動能和撞深隨時間變化的規律，指出船艏撞深隨船舶航速的增加而增加，但損傷范圍始終限制在船艏區域內。周劉茜[9]考慮航行速度和碰撞角度兩個影響因素，研究船舶撞擊橋梁過程中的能量轉換、撞擊力變化、船舶和橋墩的應力、位移等響應規律，得出船舶通過橋梁時，應嚴格限速，如存在碰撞可能，應避免正碰的發生。Kameshwar S等[10]運用logistic回歸模型研究駁船撞擊橋梁過程中，駁船質量、撞擊速度、駁船屈服力以及柱的尺寸參數對橋柱剪切破壞和彎矩破壞的脆弱性評估。袁星星[11]采用正交試驗法建立船舶噸位、船舶速度、碰撞角度、碰撞高度及面積配箍率五因素五水平設計方案，完成各影響因素對撞擊力的影響主次順序分析。

圖13 不同船速撞擊力時程曲線[9]

圖14 不同角度撞擊力時程曲線[9]

圖15 不同參數對結構剪切破壞的影響[10]

圖16 不同參數對結構彎曲破壞的影響[10]

對于船橋碰撞的實際工程分析，羅強等[12]以東洲湘江大橋主橋為背景，設計了一種新型鋼－復合材料組合防撞裝置，采用LS-DYNA軟件開展帶球艏船舶、駁船撞擊下的數值模擬，對比有無防撞裝置下的橋墩結構響應，分析鋼-復合材料防撞裝置的防撞性能。袁龍文等[13]以潤揚長江大橋為背景，采用LS-DYNA分析了橋墩混凝土強度、配筋率、船舶行駛速度等主要影響因素對內河橋梁受船舶撞擊的具體作用規律。Wan等[14-15]以石臼湖大橋為研究背景，提出了簡化船艏模型，進行了準靜態壓縮試驗和數值模擬，研究了船艏的靜剛度特性并與其動力特性進行了比較；以此船艏模型為例，分析了撞擊后橋墩的損傷過程和破壞模式，之后對歐洲規范和AASHTO LRFD橋梁設計規范規定的設計沖擊荷載進行了評估。劉靜文[16]以武漢天興洲大橋為工程背景，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橋梁橫向位移響應的影響,得到了塔頂對碰撞較為敏感、通過增大碰撞角能有效降低橋梁船損風險的結論。

圖17 船艏損傷[12]

圖18 防撞單元損傷[12]

圖19 RC墩柱的破壞模式和裂縫分布:(a)前面; (b)側面[14]

船撞橋問題屬于典型的交叉學科，船撞橋事故的發生涉及人、船舶、通航條件和環境、管理等多個方面。為了從根源上解決這一安全隱患，除了規范航道管理，謹慎通行以外，橋梁設計過程中還要采用合理的船舶撞擊力設防標準，加強結構設計，加設防撞裝置和主被動監測防控系統，因地制宜、多管齊下才能切實維護好通航水域的橋梁安全和橋區水域的水上交通安全。

2 關鍵科學問題

船橋碰撞的關鍵科學問題可以分為以下幾類：

(1)橋梁船撞規范或標準研究，包括橋梁的抗船撞設防目標、橋梁抗船撞性能等級、船撞力精準預測模型、船撞橋墩風險-損傷評估分析等；

(2)橋梁受船舶撞擊后的動力響應及破壞機理研究，包括特定橋型在船舶撞擊作用下的漸近損傷特性及破壞模式、橋梁受船撞后的能量轉化及耗散等；

(3)橋梁船撞風險預測及評估研究，包括橋船碰撞概率新型預測方法、船橋碰撞數學概率模型、既有橋梁船撞修正風險模型等；

(4)船橋碰撞主被動預警研究，包括船橋碰撞監測及預警系統研發；船舶交通管理系統的改進；新型復合材料防撞單元及防撞箱的研發等。

3 典型的工程案例

3.1 廣東黃茅海大橋船撞計算

(1)工程概況

黃茅海大橋是港珠澳大橋西拓通道的重要組成，是連通粵西地區的重要通道。大橋擬采用(100+280+2×720+280+110)m鋼箱梁斜拉橋，索塔采用鋼殼獨柱型索塔，索塔高262.83m，下塔柱及橋面以上99.5m采用帶倒角矩形截面，99.5m以上采用圓截面，截面直徑為11m~8.5m，下塔柱為10m(橫向)×13m(縱向)~20m(橫向)×20m(縱向)。承臺采用圓形，平面直徑為39m，承臺厚8m?；A采用37根樁徑D2.8m鉆孔灌注樁，樁長60m/55m。過渡墩、輔助墩采用整幅式T型墩。橋墩截面尺寸為a×3.2m~7.0×3.2m，承臺平面直徑為24m圓形，厚5m，每個承臺下設置14根直徑D2.8m鉆孔灌注樁，樁長65m/60m。橋型布置圖如下所示：

圖20 黃茅海大橋橋型布置

(2)數值模型采用大型非線性通用有限元軟件LS-DYNA建立5000DWT集裝箱貨船、橋梁墩柱及承臺的有限元分析模型，計算船-橋碰撞后3s內的動力響應。船艏采用shell單元，船身、橋墩采用solid單元；混凝土采用*mat_CSCM_concrete材料，船舶采用*mat_plastic_kinematic材料；定義船舶和橋墩接觸類型為*automatic_surface_to_surface；定義*control_hourglass和*hourglass進行沙漏控制；對橋墩上下表面結點自由度施加全約束；通過改變*mat_plastic_kinematic材料密度使得船舶載重量為5000DWT；設定船舶初始速度為3m/s。

圖21 船橋有限元模型

(3)仿真結果分析當貨船以3m/s正撞橋墩承臺時，船艏與橋墩承臺的峰值碰撞力約為105.57MN。發生船橋碰撞后，船舶動能逐漸降低，0.7s時，船速降至0m/s，船橋碰撞過程進入卸載階段，0.8s后，船速降至-0.8m/s，船舶反向遠離橋墩，表明船橋碰撞過程已充分完成。
(4)小結1、集裝箱貨船和黃茅海大橋主墩承臺發生碰撞會產生較大的撞擊力值。碰撞過程中，船艏結構不斷損壞，撞擊力時程曲線表現出較強的非線性和波動特征。2、船頭碰撞區出現塑性變形，碰撞損傷呈現出較強的局部性。3、黃茅海大橋主墩承臺混凝土僅發生輕微開裂，損傷較輕，但隨著通航船舶載重量的提高，橋梁結構的碰撞破壞效應必將加重，因此有必要進行橋梁結構抗撞性能評估及防撞措施研究。

3.2響水灌河大橋防撞性能仿真

(1)工程概況

灌河大橋位于響水縣城東北隅，全長636米，寬15.5米，共13孔，最大跨徑90米，為預應力T型結構。橋樁最深基礎有79米，它由交通部第一公路勘察設計院設計，設計最大負荷可通20噸汽車、100噸平板車，是江蘇省交通重點工程之一，總投資2200萬元，大橋主體工程由鹽城公路管理處橋梁工程隊承建，1984年4月1日開工，1987年9月建成，9月25日通車，時任國務委員、國防部長張愛萍同志為大橋題寫了橋名。灌河大橋的建成，溝通了204國道由上海至青島的13個沿海城市。

圖22 響水灌河大橋橋型布置

(2)數值模型

建立2000DWT貨船、橋墩、承臺及防撞單元有限元模型。船艏、鋼板采用shell單元，船身、橋墩、承臺及聚氨酯泡沫采用solid單元；混凝土采用*mat_CSCM_concrete材料，船舶及防撞單元鋼板采用*mat_plastic_kinematic材料，聚氨酯泡沫采用*mat_elastic材料；定義船舶和橋墩、承臺及防撞單元接觸類型為*automatic_surface_to_surface，定義防撞單元接觸類型為*automatic_single_surface；定義*control_hourglass和*hourglass進行沙漏控制；對橋墩上下表面結點自由度施加全約束；通過改變*mat_plastic_kinematic材料密度使得船舶載重量為2000DWT；設定船舶初始速度為3m/s；計算船-橋碰撞后3s內的結構響應。

圖23 船橋有限元模型

(3)仿真結果分析

工況1：2000DWT貨船正撞最低通航水位防撞單元正中央；

工況2：2000DWT貨船正撞最低通航水位防撞單元側邊；

工況3：2000DWT貨船正撞最高通航水位防撞單元正中央；

工況4：2000DWT貨船正撞最高通航水位防撞單元側邊。

圖24 船-防撞單元碰撞力時程曲線

圖25 聚氨酯泡沫(HYPU)能量時程曲線

圖26 外覆鋼板能量時程曲線

(4)小結

橋墩及承臺表面設置固定式防撞單元后，響水灌河大橋防撞單元提供抗力最大值為11.68MN，耗能最大值為5.84MJ。

3.3惠州鵝城大橋防撞性能分析

(1)工程概況

惠州市鵝城大橋及引道工程建設項目起點為惠州大道，主線下穿菊花路，途經期湖塘路，跨東江后，沿同福路向東，終點為江東一號路。主線全長約2980.131米，其中鵝城大橋長約1119.5米(主橋長約360米)，采用城市主干道技術標準，雙向六車道斷面，設計時速50km/h。項目包括兩處立體交叉改造(期湖塘路下穿菊花路通道、江東一號路立交)，江北片區段的現狀道路拓寬改造，水口濱江片區段的新建道路。

圖27惠州鵝城大橋橋型布置

(2)仿真依據

1、結合橋區水文及航道資料，惠州鵝城大橋所跨東江航道等級為Ⅲ級，根據《內河通航標準》(GB50139-2014)中的條文3.0.1，Ⅲ級航道通航船舶噸級為1000噸，考慮到船體自重及安全儲備，本次數值計算取船舶載重量為2000DWT。

2、惠州市東江屬于廣東珠江干流水系之一，根據《船舶航運標準規范》(GBT8843-2002)、《河港工程總體設計規范》(JTJ212)、《中華人民共和國內河交通安全管理條例》以及《珠江口水域船舶安全航行規定》，船舶進入主航道時，航速應控制在12節以下(1節=1.852km/h)，途經橋孔區域時，宜減速慢行，因此本次數值模擬中船舶航速設為3m/s。

3、結合船型及航道等基礎設計資料，根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60－2015)，內河駁船順橋向撞擊力為3/4倍的橫橋向撞擊力，又由《鐵路橋涵設計規范》(TB10002-2017)可知，對于船舶正撞和斜撞兩種情況，動能折減系數分別取取0.3和0.2，所以船舶正撞時對橋梁下部結構的損傷破壞效應最大，本次數值仿真中船舶與航線夾角設為0o。

4、根據《美國公路橋梁船舶撞擊設計規范》(AASHTO 2010)、《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60－2015)以及《公路橋梁抗撞設計規范》(JTG/T3360-02-2020)，設防船撞力宜結合船型、撞擊速度，在橋梁設計中當作偶然作用來考慮，并給出了不同噸級內河船的撞擊作用設計參考值，所以本次數值計算參照上述規范及標準，從船撞力和耗能兩個角度分析防撞單元對船撞鵝城大橋損傷破壞的削減效果。

(3)數值模型

船艏、鋼板采用shell單元，船身、橋墩、承臺及聚氨酯泡沫(HYPU)采用solid單元；混凝土采用*mat_CSCM_concrete材料，船舶及防撞單元鋼板采用*mat_plastic_kinematic材料，氨酯泡沫采用*mat_elastic材料；定義船舶和橋墩、承臺及防撞單元接觸類型為*automatic_surface_to_surface，定義防撞單元接觸類型為*automatic_single_surface；定義*control_hourglass和*hourglass進行沙漏控制；對橋墩上下表面結點自由度施加全約束；通過改變plastic_kinematic材料密度使得船舶載重量為2000DWT；設定船舶初始速度為3m/s；計算船-橋碰撞后3s內的結構響應。

圖28 2000噸貨船、橋墩、承臺及防撞單元有限元模型

(4)仿真結果分析

工況1：2000DWT貨船正撞最高通航水位防撞單元正中央；

工況2：2000DWT貨船正撞最低通航水位防撞單元正中央。

圖29 船-防撞單元碰撞力時程曲線

圖30 聚氨酯泡沫(HYPU)能量時程曲線

圖31 外覆鋼板能量時程曲線

(5)小結

橋墩及承臺表面設置自浮式防撞單元后，惠州鵝城大橋防撞單元提供抗力最大值為4.38MN，耗能最大值為5.26MJ。

4、未來的研究方向

船橋碰撞未來的研究方向可以分為以下幾類：

(1)船舶碰撞橋梁事故的統計數據庫和不同類型船舶參數數據庫的建立與研發；

(2)基于性能的精細化船舶抗撞設計方法研究；

(3)多災害耦合作用下橋梁受船舶撞擊時的致災機理和損傷評估；

(4)船橋碰撞后快速有效評估橋梁結構安全性和剩余承載力的預測模型。（本期執筆：程毅 博士）

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