船撞桥设计理论

收稿日期:2001 - 07 - 10 基金资助:国家自然科学基金资助项目(40072088) 作者简介:项海帆(1935 - ) ,男,浙江杭州人,教授,博士生导师,中国工程院院士. 船撞桥设计理论的现状与需进一步研究的问题 项海帆,范立础,王君杰 (同济大学 土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092) 摘要:世界范围内船舶与桥梁相撞的事件时有发生,已经成为航道桥梁工程设计的一个重要问题.我国在长江 等航运繁忙的河流上修建了大量的桥梁并计划建造更多的桥梁.同时配合同-三线的建设和沿海岛屿的开发, 正在和将要建设众多的跨海湾和跨海峡的桥梁工程.因此解决船撞桥梁的问题,以及制订相应的设计规范或设 计指南成为摆在我国桥梁工作者面前的一个重要任务.为此概要地介绍了船-桥相撞研究的理论与实践意义, 回顾此问题研究的国内外现状,并对今后应进行深入研究的主要问题进行了讨论. 关键词:桥梁;船舶;撞击;设计 中图分类号: U 442. 55 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 374X(2002)04 - 0386 - 07 State of Art of Ship Collision Design for Bridges and Future Research XIAN G Hai-f an , FAN Li-chu , WAN G Jun-jie (State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092 ,China) Abstract :Throughout the world ,ship collisions with bridges take place every year ,which has already become an important problem in the design of bridges crossing navigation channels. In China ,many bridges have been constructed over busy rivers such as the Yangtse (which is a river with heavy navigation transportation) ,and some new bridges are in plan over this river.Meanwhile ,with the development of T ong - San Highway and development of island economy ,many bridges over sea baysor sea straits are being planned. Therefore ,it is an important task for designers and researchers in the fieldof bridge engineering in China to develop design codes or design guidelines for ship collisions with bridges. In this paper ,the authors emphasize the importance of ship collision to the safetyof bridges crossing navigation riversor sea straits. The cur2 rent design methodsfor ship - bridge collisions arepresented with the authorscomments andfuture researches requiredfor ship - collision design of bridges are suggested. Key words: bridge ; ship ; collision ; design 跨河流、 海湾(海峡)修建桥梁,是为通达陆路交通.但对于水上船舶来说,桥梁却是人工障碍物.统计 数字显示(见图1) ,世界范围内,每年都发生数起严重的船-桥相撞事件. 在我国,武汉长江一桥自建成以来受到船舶撞击达70余次1,受到较为严重的损伤,后设置了防撞装 置.南京长江一桥自建成以来也遭受到多次的严重船撞,桥墩表面混凝土损伤较大,多次修补.虽没有造成 安全问题,但影响桥梁的耐久性. 船舶撞击桥梁可能导致的损失可以归纳为直接损失和间接损失,详细分类见表1. 对于桥梁拥有者来说,只关心桥梁的损失;对于船舶拥有者来说,只关心船舶的损失;相关的工商业公 司则关心由于交通中断(或受阻)造成的业务损失;而对于政府来说,除了关心以上各项损失之外,还关心 第30卷第4期 2002年4月 同 济 大 学 学 报 JOURNAL OF TONG J I UNIVERSITY Vol. 30 No. 4 Apr. 2002 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. _ 人员伤亡和环境及社会等更大方面的影响. 表1 船舶撞击桥梁可能导致的损失 Tab. 1 Potential loss due to ship collision with bridges 损失分类细节描述 桥梁拥有者损失 桥梁损坏部件的抢修费用; 桥梁维修或更换费 用; 如果是收费通行的桥梁,则在维修或更换期间 收益的损失; 由事故带来的更多的维修或更换要 求的附加费用 桥梁使用者损失 丧失生命; 车辆和货物的损失; 对每一个死难 人员用一定数额的费用代替,则死难人员的损失可 用经济损失的形式表示 船舶拥有者损失 失去生命; 抢救船只的费用; 船只维修或更换 的费用; 在维修期的收益损失; 装载在船上的货 物损失; 桥梁拥有者和使用者的索赔费用; 安全 保险费的增长 对工业、 贸易和 社会造成的间接 后果 公路和铁路的不方便费用,其取决于桥梁的战略 重要性,即选择路线的可行性,桥上交通的密集度和 类型等等; 桥梁或船只的破坏阻塞了一条重要航 道,使港口中断使用的费用; 在重要时间内由于交 通运输破坏引起的商贸和公益方面的损失 环境破坏 清除费用; 自然恢复费用; 长期生态破坏 由于上述原因,世界各国对船撞桥问题越来 越重视,尤其是在修建有大吨位通航船舶的桥梁 结构(如跨越大河和跨越海峡的桥梁结构)时. 图1 严重船撞桥(损失超过10万美元)事件 Fig. 1 Serious events of ship collision with bridge ( Economic lost is more than100 000) 1 中、 美、 欧船撞桥规范(指南)条款的概要比较 国际上关于船撞桥问题的系统研究始于20世纪80年代初. IABSE(International Association of Bridge and Structural Engineering)于1983年召开了一次国际会议讨论此问题. 1991年IABSE发表了 交通船只 与桥梁结构的相互影响(综述与指南) . 1993年IABSE又出版了 “船舶碰撞桥梁” 专册. AASHTO于1991 年出版了 船舶碰撞公路桥梁设计指南. 1997年欧洲统一规范(Eurocode)第一卷(Eurocode 1)第2. 7分册 开始试用,试用期为3年.此分册规定了冲击与爆炸事故设计荷载的确定方法.我国在公路桥梁设计规范 中也对船舶撞桥的设计荷载进行了规定.上述规范(或指南)的概要对比见表2.表中mDWT表示船舶的吨 位;v表示船舶的速度; k表示等效刚度; m表示等效质量. 表2 中、 美、 欧规范(指南)船撞桥条款的简要比较 Tab. 2 Brief comparison of specification( China ,America ,and Europe) items for ship collision with bridges 项目中国公路桥梁规范欧洲统一规范AASHTO指南 设计思想不明确 风险与概率分析.目标失效 概率约为10 - 4(隐含) 直接的风险与概率分析.年目标失 效概率Pf= 0.001(普通桥梁 ) ; P f= 0.000 1(重要桥梁) 设计策略不明确 防止事故发生; 保护主要构件不失效 防止事故发生; 保护主要构件不失效 设计船撞力 根据内河航道等级选用 (撞击力在0. 71. 6 MN 范围内取值) 直接动力分析;或 0. 98(mDWT)1/ 2(v/ 16) 直接动力分析; 或vkm 桥梁船撞设计的目的是避免结构灾难.但中国规范与美、 欧规范(或指南)相比,在考虑问题的深度和 方法上有很大差距.中国规范将桥的船撞力处理为偶然荷载,将动力作用等效为一个水平静力作用,从设 计实践看,设计船撞力值对设计结果的影响很小.总的来看,中国规范的设计思想和设计策略不明确,对船 撞问题的重视程度不够. 欧、 美规范(指南)在细节和形式上略有差别,但基本设计思想和设计策略相同. 从设计思想上看欧、 美规范都将船撞桥处理为风险事件,即事故,要求在设计中,将事故作用与永久的 和可变的载荷一起进行考虑.所选择的设计情况应是足够的严重且多样,以包括具有合理的发生概率的所 有情况.美国的船撞桥设计指南明确规定了设计的目标风险概率(见表2) .欧洲规范未对一个事故作用规 定任何年概率,但参照了ISO的DP10252(“由于人类活动导致的事故作用”)中的相应条款,目标设计概 783 第4期项海帆,等:船撞桥设计理论的现状与需进一步研究的问题 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 中国科技论文在线_ 率约为P= 10 - 4. 从设计策略上看,欧、 美规范都对桥梁结构的重要性进行了分类,如美国的设计指南将桥梁结构区分 为重要桥梁和普通桥梁.同时对桥梁各部件的重要性也进行了区分,允许由事故作用引起的局部失效,倘 若它不引起桥梁结构的整体失效的话.对于局部失效和整体失效的这一区分是强制性的,以便区分常规设 计和风险事件作用(事故作用)设计的本质不同. 局部失效(在大多数情况下,这等同于部件失效,但它不引起整体失效)意味着超静定性效应和材料性 能与几何形状的非线性效应在减轻事故作用的设计中可以起重要的作用,特别是对于大能量吸收装置的 设计. 更为基本的设计策略是减小事故发生的风险.首先要考虑减小风险事件发生概率的各种措施,包括在 发生事故情况时的应急计划,其后才是各种具体的防撞设计. 2 目标风险 2. 1 风险事件的处理方法 风险可定义为事件非期望结果的潜在现实性. 船撞桥的安全问题应主要从桥位选址、 航道规划、 航运指挥、 桥梁跨度等概念设计方面加以解决,而且 这些应当是解决船撞桥问题的主要手段.本文所说的船撞桥风险是指在上述有效方法都得到考虑之后仍 然存在的船舶撞击桥梁的风险. 对于风险事件,工程界广泛采用概率方法进行定量描述,这需要确定风险事件可以接受的发生概率. 对于桥梁结构,需要定义几个具有明确工程意义的控制状态,并对这几个控制状态确定一个合理的失效概 率.在详细讨论这一问题之前,必须指出关于风险事件如下的基本认识: 必须承认几乎所有人类活动都 会有风险,“零风险” 只是一种幻想; 必须区分 “意愿风险” 和 “非意愿风险”.“意愿风险” 出于个人(或部分 人)的爱好,如登山活动就是一种自愿冒险的活动,但不能强迫所有的人都承担如此大的风险.“非意愿风 险” 是人类正常生活中必须承担的风险,无论愿意还是不愿意,如交通事故、 自然死亡等.本文所说风险是 指 “非意愿风险”. 2. 2 船撞桥失效概率的计算方法 船只碰撞桥梁结构的事故是相当少的,因此碰撞概率的估计不能仅建立在船只和桥梁碰撞的统计基 础上,非常有必要模拟分析可能发生的碰撞事故的碰撞概率模式. 为建立船只碰撞概率模式,应 研究所规划桥梁附近的航运情况,收集船只事故的数据,即搁浅、 船船 碰撞、 船和灯塔碰撞等的数据; 根据所获得的航运情况和事故资料,建立船只碰撞概率模式用以解释船 桥碰撞的形式,并把桥梁现场的特殊情况包括进去; 进行用于理论模型的参数研究.这些方法无论在实 际工程项目的研究中,还是在设计指南和设计规范的制定中都被广泛地研究过. 碰撞概率风险模型一般可以表示为下述乘积形式: Pf= i NiPAiPGiPCi(1) 式中:Pf是桥墩倒坍的年概率; Ni是每年穿过桥梁的某种类型( i)船只的数量; PAi是船舶偏航概率; PGi 是 “几何概率”,与船只实际分类有关, NiPAiPGi是i类船只的碰撞预计数; PCi是碰撞发生时桥墩的倒塌 概率(或处于某种指定状态的概率 ) . 桥下驶过的某类船舶数Ni根据船舶尺度(通常表示为载重吨位, mDWT)、 类型(诸如油轮和货轮,舱 面驳和底卸式驳等)及负载状态(空载、 压载、 部分装载或满载)来确定.偏航概率PAi代表船舶偏离正常航 道,会撞击桥梁的统计概率.几何概率PGi是船舶在桥梁附近失控(即偏航)而撞击桥墩的状态性概率.根 据桥梁碰撞的历史资料,采用普通分布图来模拟偏航船舶在水路上的位置.设定标准偏离量等于船舶 或拖驳的总长L ,并以船舶在桥下通过时所取的航道为中心线(通常就是结构主跨的中心线 ) . 如图2所 示, PGi就是普通分布图中由不在船舶正常航道上的桥墩位置来界定的那块区域,它以桥墩宽度加桥墩两 侧半个船舶宽度为界限.倒坍概率PCi是许多变量的函数,这些变量包括:船舶大小、 类型、 艏尖舱的压载 883 同 济 大 学 学 报第30卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 中国科技论文在线_ 和形状、 速度、 撞击的方向及质量.倒坍概率亦取决于桥墩的极限侧向载荷强度(尤其是受到船舶首部撞击 的那部分桥墩 ) , 可以根据试验和理论分析确定.图3是AASHTO指南给出的,H/ P( H为构件的极限强 度; P为船舶冲击力)与倒塌概率PC之间的关系. 图2 桥墩碰撞的几何概率 Fig. 2 G eometric probability of pier collision distribution 图3 倒塌概率分布图 Fig. 3 Probability of collapse distribution 2. 3 目标失效概率 确定合理的、 可接受的风险概率是一个十分困难的问题.从现有的知识来看,普遍采用比拟法和期望 损失最小化方法来给定船撞桥的目标失效(如倒塌)概率.这两种方法并非船撞桥问题所特有的,其它风险 事件(如地震、 各种爆炸等)在采用概率方法进行设计时都面临同样的问题,也得到了比较多的研究,这里 就不赘述了. AASHTO指导规范把桥梁分为重要类和普通类.对应于这两类桥梁的设计目标失效概率分别是:Pf = 0.000 1(重要桥梁) , Pf= 0.001(普通桥). 3 船舶撞击力 碰撞的力学理论可能是相当复杂的.碰撞体的初始动能可以转换成为建筑结构与碰撞体结构单元的其 它形式的动能和弹-塑性变形或者断裂.撞击位置与角度的细小改变可能对撞击后果造成实质性改变.但是 若严格考虑船撞桥问题的细节,就可能使工程师无法完成这样的设计,除非进行专门研究.因此欧洲和美国 在制定规范和指南时,根据一些理论和试验研究结果,提出了十分简化的设计船撞力的确定方法. AASHTO规范为船舶或驳船头部与桥梁相撞时其当量静态撞击力的计算提供了如下经验关系: PS=0.98 ( m DWT) 1/2 ( v/ 16)(2) 式中:PS为当量静态撞击力,MN. 图4 碰撞体的弹簧模型 Fig. 4 Spring model for the colliding objects 欧洲规范假定桥梁结构是刚性且不可移动的,碰撞体(船 舶)用一个准弹性单自由度系统来模拟,见图4.在这种简化情 况下,最大的相互作用力F按下式计算: F = vkm(3) 在欧洲规范中,当量设计船撞力按式(3)计算.对于内陆航 道船舶,质量应取所在组的中间值,速度取为3 ms - 1 ,k= 5 MNm - 1 ;对于远洋船舶,速度取3 ms - 1 ,k= 15 MNm - 1. 4 防撞设施的设计与使用 当桥梁和船舶有相撞的可能性时,需要设计防撞设施.从桥梁结构的安全考虑,防撞设施可按两种情 983 第4期项海帆,等:船撞桥设计理论的现状与需进一步研究的问题 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 中国科技论文在线_ 图5 洛奚桥围堰防撞 设施(单位:cm) Fig. 5 Ship collision protection for Luoxi Bridge( unit :cm) 况设计.当桥梁结构整体具有足够的抗船撞能力,这时防撞设施可以是局 部的.此时可以设计一个防撞体系以防止桥梁局部破坏.此种情况下,防撞 设计可以按两个思路设计.一是只保护桥,防护体系的抗力大于船的压碎 力,船首将被压碎而冲击能将基本上为船所吸收,如我国广东省洛奚桥的 围堰防撞设施,见图5.另一种设计思路是在保护桥的同时,尽可能地减小 船舶的破坏,如在我国黄石长江大桥所使用的飘浮式防撞装置,见图6.防 护装置可以是橡胶产品,也可以是钢构件.冲击能量通过橡胶或钢构件的 压缩、 弯曲、 剪切变形或者三种变形的结合被吸收掉. 当桥梁的整体抗船撞能力不足或由于特殊要求不允许船和桥相撞时, 需采用更强大的防撞体系.较常用的是防护墩和防护岛. 护墩桩一般用打入钢板桩构成圆形格舱,内填石块或混凝土,并盖以 混凝土顶盖.护墩桩也可以用预制构件做成,亦可全部在场外预制然后浮 运至最终位置.打入桩有时要加入到格舱内作组合设计.护墩桩的设计程 序通常是以设计冲击荷载所发生能量变化的估计值作为基础的.为了设计 的效果,建议护墩桩最大的变形量限制在小于格舱直径的一半.在设计荷 载条件下,允许格舱经受大的塑性变形和部分坍毁.这种型式的防护结构 示例如图7. 图6 黄石长江大桥主墩浮式消能防撞设施 Fig. 6 Ship collision protection for Huangshi Bridge 图7 Dames Point桥的护墩桩 Fig. 7 Ship collision protection for Dames Point Bridge 环绕桥墩的人工岛或桥墩前的人工沙洲提供了高效的防止船撞保护.但应对修建防护岛之前和之后 的航道及水流的变化进行研究.香港汀九桥就采用了防护岛来保护塔免遭船舶的撞击,见图8. 图8 汀九桥的防护岛(单位: m) Fig. 8 Protection artifitial island for Ting K au Bridge( unit : m) 岛通常用沙或石作芯,并用厚的块石铺砌外层加以保护,以防波浪、 水流和冰的作用.岛的几何尺寸应 按下列准则制定: 通过岛传给墩的船撞力不得超过桥墩和桥墩基础的横向承载能力; 岛的尺寸应使船 在碰撞时其伸入岛内的足寸不会导致船和桥墩的任何部位有实际接触.第二条规定对于空船或压舱船和 驳船特别关键,因为它们能在岛的斜坡上滑行并在停止之前走行很长一段距离. 迄今为止,国内外已经有许多大型桥梁设计了防船撞设施.概要情况见表3. 093 同 济 大 学 学 报第30卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 中国科技论文在线_ 表3 防撞设计使用情况 Tab. 3 Applications of protections for ship collision with bridges 大桥名称通航跨度/ m高度/ m 船舶最大尺度 (载重吨 )/ t 撞击力/ MN防撞设施 青马桥1 37762. 1人工岛 汀九桥448 + 47576. 4220 000人工岛 大海带东桥1 62465. 0250 000673人工岛 奥兰松桥49057. 0180 000550人工岛 诺曼地桥85650. 0130 000围堰 明石海峡桥1 99165. 0缓冲垫 东京湾高速公路桥7 000桩群 达姆岬桥39653. 4桩群 新悉尼莱尼欧桥38156. 4人工岛 (港城)弗莱特哈特曼桥38541. 0人工岛 奉浦大桥312528. 03 000 27( 横桥) 9( 顺桥) 钢、 橡胶浮式护舷 黄石长江大桥 5 000(6 ms- 1) 32 000(4 ms- 1) 浮式橡胶护舷 洛奚桥18034. 0围堰 5 结语 船撞桥问题在国外从20世纪80年代初开始得到认真的研究,经过近20年的努力,欧洲和美国等国 家已经制定了专门的设计规范或指南.在我国船撞桥问题一直未得到足够的重视,也没有专门的设计规范 或指南可供工程师使用.在公路桥梁设计规范中的相应条款过于简单,设计船撞力过低,对桥梁设计几乎 没有影响.这不符合实际情况.随着我国在大江、 大河上修建桥梁数目的增多,以及船运事业的不断发展, 特别是跨海峡桥梁的规划与建设,船撞桥问题的重要性逐渐地凸显出来,亟待我国桥梁设计工程师和研究 人员深入研究并加以解决,制定我国船撞桥的专用设计规范或设计指南. 从工程设计的角度考虑,笔者认为下面几个问题值得我国桥梁工程界人士进行深入的研究和学习. 5. 1 风险和概率设计的基本思想 迄今为止在各种桥梁设计规范中,失效概率等概率统计中的描述量对大多数工程师来说还很不熟悉, 直接使用这些量进行桥梁设计还是十分困难的.结构倒坍和人员丧生的风险一直被(迄今仍然被)融入于 设计规范中结构设计方程所使用的各种 “安全系数” 、“可靠性指标” 等理念之中.这是由于,确定出一个可 接受的风险度是一个以价值为主导的过程,本质上是主观性的.公众对可接受的风险程度众说纷云,难于 达成一致.但是对于风险事件(如地震、 船和桥相撞等)的任何确定设计将导致设计思想的不明确,以及某 些情况下设计结果的矛盾.在结构抗震设计中经常遇到这种情况.为此,针对风险事件(亦即事故)的本质, 直接引入概率设计的概念和方法是合理和必要的.虽然工程师理解、 掌握和在设计中运用这样的概念和方 法还需要一个逐步学习和接受的过程,但这无疑是风险事件设计的正确发展方向. 5. 2 目标失效概率 在基于概率概念的设计中,确定目标失效概率是一个首要问题.需要深入的研究,以建立起对船舶防 撞设计及船舶碰撞所引起的综合载荷所适用的目标失效概率. 美国的现行桥梁结构规范把地震视作为475年(对普通桥梁)及2 500年(对重要桥梁)重现期事件; 把船舶碰撞视作为1 000年(对普通桥梁)及10 000年(对重要桥梁)重现期事件.二者之间存在差别,因此 确实存在一个制订通用设计基准的要求. 美国普遍认为船舶碰撞风险判据制定得太高,应该有可能降低至抗地震设计所采用的475年和2 500 年重现期等级.但欧洲当前的一些讨论却恰恰相反,他们认为船舶碰撞的风险等级定得太低了,应该增加 至10 000年(对普通桥梁 ) , 甚至高达1 000 000年(对重要桥梁 ) . 确定目标失效概率,不仅是一个技术问题,更是一个经济问题以及社会承受能力问题,应综合考虑各 方面因素. 193 第4期项海帆,等:船撞桥设计理论的现状与需进一步研究的问题 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 中国科技论文在线_ 5. 3 设计船舶撞击力 船-桥相撞是一个十分复杂的碰撞动力学