桥梁防撞论文.doc

。桥梁防撞研究技术与方法姜金辉，金允龙，潘溜溜，梁文娟上海船舶运输科学研究所，上海，200135摘 要：针对桥梁防撞研究这一工程界热点问题，概述了桥梁防撞研究的一般研究方法和思路，简述了船-桥碰撞力学的计算方法和船撞桥风险概率分析方法，同时结合上海长江大桥工程，对主通航孔桥墩进行了防撞力标准和防撞方案研究。并且利用非线性有限元分析技术对桥墩设计防撞方案进行了性能分析，验证了防撞设施的有效性。关键词：桥梁防撞；防撞装置；非线性有限元；船撞桥概率Technics and Methods of Ship-Bridge Collisions and ProtectionJIANG, Jin-hui, JIN Yun-long, PAN Liu-liu, LIANG Wen-juan(Ship Research Division, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)Abstract: Aiming at the hot issues in engineering circles of bridges against ship collision, the methods of ship-bridge collision and protection in general are summarized, including calculation methods of ship-bridge collision mechanics and analysis methods of ship-bridge collision risk. Furthermore, on the basis of Shanghai Yangzi River Bridge Project, the vessel impact force and the design of bridge protection device of the main pier is researched. By using non-linear FEM, the pier protection design is confirmed to be effective. Key Words: protection of bridge against ship collision, bridge protection structure, non-linear finite element, ship-bridge collision risk1. 前言随着经济和交通运输的发展，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。统计资料表明，最近几十年来，世界上发生的船舶撞毁桥墩的重大事故就超过百余起。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。经济和社会损失巨大。因此，船-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，日益引起各国政府、学者、工程界的关注。多年来，国际、国内发展了许多经验公式和简化数值方法13来预报船撞力，而随着动态非线性有限元技术和计算机硬件的发展，采用有限元数值模拟方法对确定船舶撞击力大小及损伤变形形式，以及研究安装防撞设施后的防撞效果有了一个更准确和直观的分析和描述。本文概述了船-桥碰撞问题的一般研究方法，简述了船撞桥风险分析方法，并以昆兹模型为基础推导出了能应用到船舶撞击桥墩实际情况中的碰撞概率公式，同时针对上海长江大桥工程，利用非线性有限元方法对主通航孔桥桥墩的船舶撞击和防撞设计问题进行了模拟研究。2. 桥梁防撞研究的一般方法和思路建设在航道上的桥梁，如果有桥墩位于水中且水深满足船舶吃水要求，就需要研究水中桥墩的船舶防撞问题。一般的桥梁防撞研究涉及两个方面的问题：船撞力标准研究和防撞设计。2.1 船撞力标准研究一般来讲，在桥梁的工可设计阶段，就要确定防撞力设计标准，是桥梁设计方案考虑的重要参数和依据之一。对于水中不同位置的桥墩，防撞力标准是不同的。桥墩防撞力设计标准的确定包括以下研究工作：（1）通过桥区调研，收集论证影响大桥防撞的关键参数，包括：a) 桥址水域通航船舶的吨位、频率，通航船型历史、现状及预测、船舶通航密度、装载情况；b) 不同吨位吨级船舶过桥时的航速，包括上、下水航速；防撞计算中撞击速度的选取以及其合理性评价；c) 通航船舶主要参数；d) 水文资料、防撞水位、水流速度；e) 航道条件、航道等级、航道现状、航道规划；f) 桥址处的水流流速流向、风速风向，波浪统计参数；g) 桥址周围的港口、码头、渡口位置、船舶密度、吨位信息；h) 桥区水域有关航行管理规定及相关信息等。（2）计算船撞力依据调研和论证结果所确定的防撞代表船型，防撞速度、防撞水位、桥梁设计等参数，运用船舶碰撞动力学理论，选取适合的一种或者几种船-桥碰撞计算方法，计算不同桥墩的船舶撞击力。（3） 确定防撞力设计标准依据通航船舶的主要尺度、流量密度、航道特征，桥位水文特征参数、桥梁几何参数、航道规划、及船舶事故统计等参数，采用船桥碰撞概率风险分析方法，建立船舶撞击桥墩的概率模型，进行船舶撞击桥梁风险评估。依据桥墩的重要性确定桥墩撞损频率可接受准则，结合船舶撞击力确定出各桥墩防撞力设计标准。2.2 桥墩防撞方案设计研究桥梁的防撞措施一般可分为两种方式：主动防撞和被动防撞。主动防撞是指通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预，避免船撞桥事故发生。本文中的防撞方案设计属于被动防撞方式，即通过桥墩自身的加强或防护设施来抵抗船舶的撞击威胁。在实际中通常两种方式同时采用。桥墩防撞方案设计，主要依据桥墩基础方案，综合考虑研究桥墩自身的抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等，对需要防撞的桥墩进行桥墩防撞方案设计研究，在满足防撞要求的同时应尽量降低防撞工程造价。3. 船-桥碰撞力学计算方法概述关于船-桥碰撞问题目前主要有以下几种比较典型的计算方法。1Minorsky理论4Minorsky船-船碰撞理论自1975年公开发表后，已为众多的实验证实，由此奠定了船-船碰撞的分析基础，并推广应用于船-桥碰撞，为国际桥梁工程界和各国学者公认。Minorsky的研究工作主要是将船-船碰撞问题分为两个相互独立的部分，即动能损失和结构损伤，并用统计分析方法将他们联系在一起。2. 汉斯-德鲁彻理论5汉斯和德鲁彻教授根据CG-71955-A合同研究提出的，主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击。该理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。3. 数值解法6数值解法产生于船-船碰撞理论，引申到船-桥碰撞计算。数值方法中较有代表性的是Petersen方法和它的扩展计算方法3。前者提的计算方法可以模拟碰撞中船舶的水平运动，归结为两维问题。后者将该问题扩展为三维情况，考虑了碰撞中船舶6个自由度运动。在该方法中流体动力用切片法计算，碰撞力则假设为贯入量的非线性函数，通过6根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理。当设定被撞船具有极大质量和刚度时，就成为船-桥碰撞的模拟计算。4. 简化解析法 简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型，导出这些简化模型损伤的理论公式，分别计算出每一种简化模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能量。例如Ge Wang7等和DTU的DEXTRA程序8等。简化解析法是一种非耦合的方法。5. 实验方法9 通过碰撞模型实验，直接测量船-桥碰撞中碰撞力、变形能随撞深的变化曲线。但由于实验方法耗费昂贵，一般难以实施。有关资料表明从六十年代初开始，日本、德国等国德学者相继完成了少量船-船碰撞试验，而船-桥碰撞试验的资料还未发现。6. 有限元方法10有限元法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用关系，在计算象船舶这样具有复杂结构形式的结构受力变形时，更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。在有限元方法中，相撞结构（或构件）之间的相互作用通过接触算法来完成。在可能发生接触作用的结构之间定义主从接触面，分别定义在两个不同的结构（或构件）上。见图1。在求解的每一个时间步，检查从属节点是否已经穿透主面，如果还没有穿透，则计算工作继续进行；否则在垂直于主面的方向上施加一作用力以阻止从属节点的进一步穿透，这个作用力就是接触力。接触力的大小取决于穿透量和接触面两侧的单元特性。计算中碰撞力的输出是通过定义船-桥之间的接触面，以接触力的形式给出的。4. 船撞桥风险概率分析方法4.1 风险接受准则在风险分析中，风险接受准则表示在规定的时间内或系统的某一行为阶段内可接受的风险等级，它直接为风险分析以及制定减小风险的措施提供参考依据，因此在进行风险分析时应是预先给定的。桥梁通常采用年撞损频率作为风险接受准则。根据AASHTO规范，桥墩受撞后的破坏概率PC是指船撞力大于桥墩抗撞能力引起桥墩破坏的概率，由船舶撞击力与桥墩防撞力确定。当桥梁构件强度大于船撞力时，PC0；当桥梁构件强度介于船撞力的10与100之间时，PC在0与0.1之间线性变化；当桥梁构件强度小于船撞力的10时，PC在0.1与1之间线性变化。4.2 船桥碰撞概率研究研究船撞桥的概率问题主要有三种基本方法：第一种是统计分析法；第二种是模型试验或实船试验；第三种是数学模型加实际校验，几何概率的正态分布模型以及漂流船舶的均匀分布等模型的提出都属此列，这些模型也一直在根据各地和不同项目的实际在不断地验证，不断地修正。几种应用比较广泛的的船撞桥概率模型是IABSE模型（拉森模型）、AASHTO模型、欧洲规范模型和德国昆兹模型。4.3 船撞桥事故原因统计与分析船撞桥事故的原因经分析可归结为三大类：第一类是人员失误。如疏忽、操纵失误、生病等；第二类是恶劣的自然环境，如坏天气、大洪水等；第三类是机械故障，如主机灭火、舵机失灵、船队断缆等。人员失误是最主要的事故原因，其次是恶劣的自然环境，再次是机械故障，例如，有资料表明：三种原因之比大约为25:4:1。根据统计分析，与碰撞事故发生有关的因素有： 洪水期，可以认为洪水期船撞桥事故的概率可达普通时段的2-3倍左右。 小时，中午时段，中午交通流量较大，另一个事故高发时段是21：00前后。 船型，船队更易发生撞桥事故。 夜间的船撞桥事故发生率要高于白天。 下水船舶撞桥事故数量较多，大约是上水船舶事故数量的2.2倍。5. 上海长江大桥工程防撞研究对于有被船舶撞击威胁的每一座桥梁，都需要进行船舶撞击力标准和防撞方案的专题研究。专题研究确定船舶撞击力标准后，如果桥梁自身设计不满足船撞力，还需要进行防撞方案的设计，应根据桥梁的具体设计参数、周围水域航道情况，并且综合考虑造价与效果等因素确定较好的桥墩防撞方案。采用这一研究方法，我们对东海大桥、苏通大桥、南京高速铁路桥、杭州湾大桥等几十项大型桥梁项目进行了防撞的专题研究。为了更为清楚的论述桥梁防撞研究的一般方法，文中针对上海长江大桥工程，进行桥墩防撞力标准研究和防撞方案设计的简要论述。5.1 主通航孔桥梁设计方案简介大桥主通航孔设计按5万吨级船舶双向通航，净宽为585m，净空高度52.7m。两个单向边孔通航5000吨级，边孔净宽146m，净空高度36m。图2. 主通航孔桥梁设计方案图5.2 主通航孔桥墩防撞标准1) 防撞船舶：根据大桥通航船型分析结果，北港航道近期无万吨级及以上船舶通航，为了有效控制大桥基础防撞规模，大桥防撞将采取统一规划、分期实施的策略，对桥墩基础采用近、远期分期的不同防撞方案设计。主航道桥的近期按照5千吨级船舶发生撞击防撞，远期按照5万吨级船舶防撞。表1 大桥防撞船型（近期）通航孔船 型载重吨（吨）排水量（吨）总长（米）型宽（米）满载吃水（米）压载首吃水（米）船首压载水线以上高度（米）主通航孔集装箱船50009000115206.72.54.59.111.12) 防撞水位依据风险水平，船舶撞击概率较大的主通航孔桥墩，防撞水位：最高水位+6.03m最低水位-0.1m3) 防撞力标准大桥主通航孔桥南北主墩，近期主要针对5000吨级船舶V3.7m/s的撞击速度设防，横桥向抗撞力为40MN，顺桥向为20MN。4）桥墩撞损频率可接受准则根据AASHTO规范，一般桥梁整桥的年撞损频率10-3，关键性桥梁整桥的年撞损频率10-4。上海长江大桥工程属特大型工程，投资大，使用年限长，应尽量减少大桥受船舶撞损的风险，桥墩整体采用104撞损频率。5.3. 主墩近期防撞方案设计主墩承台表面标高-4.0m+4.0m，桩基离承台边缘最近处1.0m，墩柱离承台边缘最近处12.6m。由于主通航孔跨距较大，主墩本身的结构较强，近期建议采取自身抗撞为主，周围安装套箱的防撞方案。发生船舶碰撞时套箱变形消能，减小船舶撞击力，并对基础局部结构进行保护，同时也能减少撞击船舶的损伤。6. 船舶撞击防撞设施有限元模拟有限元法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用关系，在计算象船舶这样具有复杂结构形式的结构受力变形时，更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。为了进一步验证套箱防撞设施的防撞性能，采用非线性有限元技术对防撞工况进行模拟。假设桥墩受到 5000吨级满载船舶的正面撞击，撞击速度为3.7m/s。 图3. 计算工况船舶撞击示意图6.1 有限元模型撞击船是一艘5000吨级多用途船舶，船长106.9m，型宽17.6m，型深9.0m，满载吃水7m，考虑船艏正面垂直撞击桥墩及防撞套箱，满载排水量为9000t。桥墩结构计算模型由桩基、承台、塔柱组成，不考虑桥墩结构变形，计算结果是偏于安全的。6.2 仿真分析结果图4、5显示了发生碰撞后撞击船舶的艏部结构及防撞套箱构的损伤变形。进一步从碰撞力时间历程曲线（图6）和碰撞吸能曲线（图7）可以知道，在碰撞发生1.5秒左右，防撞套箱的内壁破裂，船舶与套箱的最大碰撞力约为27.5MN。 图4. 5000吨级满载船舶与套箱碰撞结构损伤变形图（局部） 图5. 套箱结构损伤变形图及应力分布图图6中分别给出了周围设置防撞套箱和没有防撞装置船舶撞击的碰撞力时间历程曲线。可以看出，5000吨级船舶直接撞击桥墩的最大碰撞力是37MN，采用了套箱防撞方案后，最大碰撞力下降了25%，起到了较好的防撞效果，同时也减小了撞击船舶的损伤。图6. 碰撞力时间历程曲线（左图采用套箱装置，右图没有防撞装置）图7. 碰撞吸能曲线（1-船舶；2-防撞套箱）从图可以看到，1.5秒时碰撞船舶变形吸收能量21MJ，套箱装置变形吸能27MJ，而且在碰撞过程中，套箱吸能始终大于船舶变形吸能。通常的船-桥碰撞中，桥梁只发生很小的变形，船舶发生很大的变形损伤，吸收主要的碰撞动能。可以看出，安装套箱防撞装置不仅可以保护桥梁，吸收很大一部分碰撞动能，还可以有效地保护撞击船舶，减轻其损伤程度。7. 结 语规范化的桥梁防撞研究在我国刚刚处于起步阶段，但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。基于风险概率分析方法和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。参考资料1. Woisin,G. “Model Testing with the Collision Protection Structures in Reactor Ships”, Schiff und Hafen, (1972)2. 美国公路桥梁设计规范荷载与抗力系数设计法(AASHTO)3. 梁文娟，“船舶碰撞的三维分析”，交通部上海船舶运输科学研究所学报，1986年第1期4. Minorsky, V.U. “An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants” Journal of Ship Research, 1959(1): 145. Derucher, K. N. Analysis of concrete bridge pies for vessel impact; Proceeding of Sino-American Symposium on Bridge and Structural Engine