砌体产生裂缝的原因及鉴别方法的探讨及桥梁防撞研究技术与方法

-PAGE1-砌体产生裂缝的原因及鉴别方法的探讨摘要砌体结构由于裂缝性质及危害不同，裂缝原因复杂，故应对裂缝进行分类，并根据其特征及发展变化等进行鉴别，针对裂缝性质判断是否需要处理及采取的具体处理方法。关键词砌体工程裂缝承载力地基沉降砌体工程至今仍是我国房屋建筑的主要承重结构或围护结构。砌体一旦出现裂缝就可能对整幢建筑物产生重大影响，本文以工程实践为基础，结合理论分析，探讨砌体工程产生裂缝的主要原因、不同砌体裂缝的危害性及其鉴别等问题，并进行砌体裂缝处理界限的建议。1砌体常见裂缝原因砌体常见裂缝原因见表1。砌体常见裂缝分类表1类别序号原因举例温度变形1因日照及气温变化，不同材料及不同结构部位的变形不一致，同时又存在较强大的约束，由此产生较高的温度应力平屋顶砖混结构顶层砖墙因日照和气温变化，以及两种材料的温度膨胀系数不同，造成屋盖与砖墙变形不一致所产生的斜裂缝和水平裂缝2屋面结构温度变形挤压墙体，在墙体内产生较高的剪应力或受弯曲拉应力单层厂房屋盖因日照而产生温度膨胀，挤压厂房端部的山墙，而产生接近水平的裂缝3气温或环境温度的温差太大房屋长度大又不按规定设置伸缩缝，而造成贯穿房屋全高的竖向裂缝4砖墙温度变形受地基约束产生较高温度应力北方地区混合结构建筑施工期越冬，且不采暖，砖墙收缩受到地基的约束而造成底层窗台及以下砌体中产生斜向裂缝地基不均匀沉降5地基沉降差大长高比较大砖混结构房屋中，两端与中部沉降差较大时，在房屋底层、纵墙两端产生的斜裂缝6地基突变，又未采取适当措施丘陵地区房屋一部分建在岩石上，另一部分在土层或填土上，不均匀沉降导致房屋折断，出现竖向裂缝7地基局部塌陷位于防空洞、古井上的砌体，因地基局部塌陷而产生水平裂缝、斜裂缝8地基冻涨北方地区房屋基础埋深不足，地基土又具有冻涨性，导致砌体产生斜裂缝或竖向裂缝9地基浸水填土地基或湿陷黄土地地基局部浸水后,地基产生不均匀沉降而导致砌体产生斜裂缝10地下水位降低地下水位较高的软土地基中，因临近工程采用人工降低地下水位措施，造成原有房屋地基产生附加沉降而导致砌体开裂,多为斜裂缝11相邻建筑物影响新建高大建筑物造成邻近的原有建筑物产生附加沉降而导致墙体出现斜裂缝结构荷载过大砌体截面过小12抗压强度不足承载力不足的中心受压砖柱，在柱高1/3附近区域出现的竖向裂缝13抗弯强度不足砖砌体拱抗弯强度不足出现竖向或斜向裂缝14抗剪强度不足挡土墙抗剪强度不足，在最薄弱截面产生水平裂缝15抗拉强度不足砖砌水池池壁储水后产生沿沙浆缝的裂缝（折曲形）16局部承压强度不足大梁或梁垫下的砌体出现斜向或竖向裂缝设计构造不当17砌体中混凝土构件收缩（温度与干缩）较长的现浇雨篷梁两端墙面产生的斜裂缝18沉降缝设置不当⑴沉降缝设置位置不当。如不设在沉降差最大处；⑵沉降缝太窄，沉降变形后缝两侧的砌体受挤压而开裂19建筑结构整体性差砖混结构房屋中，楼梯间砖墙的钢筋混凝土圈梁不交圈而引起墙面出现裂缝20墙内留洞住宅内外墙交接处预留烟窗孔洞，影响内外墙连接，使用后因温度变化而开裂21不同结构材料混用，又未采取适当措施钢筋混凝土梁挠度较大（但在梁的允许范围内），而引起墙砌体裂缝22新旧建筑连接不当原由建筑扩建时，基础分离，新旧砖墙砌成整体，在结合处出现裂缝23留大窗洞的墙体构造不当大窗台下墙体出现上宽下窄的竖向裂缝材料质量差24砂浆体积不稳定水泥安定性不合格，或用含硫量超标准的硫铁矿渣代替砂，引起砂浆体积不断膨胀造成砌体开裂25砖体积不稳定使用出厂不久的灰砂砖砌墙，因砖体积收缩而产生裂缝施工质量低劣26组砌方法不合理；漏放构造钢筋内外墙连接处留直槎，又不按规定放置拉结钢筋，导致内外墙连接处产生通长竖向裂缝27砌体中通缝、重缝多砌墙时，集中使用断砖，通缝、重缝多而出现不规则裂缝28留洞或留槽不当在宽度为500㎜的窗间墙留脚手架眼，导致墙体开裂其他29地震多层砖混结构宿舍在强烈地震下产生斜向或交叉形裂缝30机械震动如爆破引起邻近建筑物墙体裂缝2砌体裂缝的特点2.1裂缝性质与危害性差异大表1中序号1~11的裂缝都由变形过大而产生；12~16的裂缝属承载力不足；17~23的裂缝大多数属设计不当问题；24~28裂缝基本由施工造成。30种裂缝中危害性最严重的是承载力不足的几种裂缝，其他20几种裂缝的危害性随裂缝特征及其发展变化等因素而变化，但是大多数不危及结构安全。2.2裂缝属性分布很不均匀目前砌体裂缝大多数属表1中的前3种，其次是地基变形裂缝，有人分析得出结论：混合结构房屋出现的裂缝有90%左右都由温度或地基变形所造成。2.3杜绝砌体裂缝的困难较大例如温度与收缩变形引起的裂缝量大面广，即使依靠设计规范上的两条措施，再加上精心施工，也难保证砌体不出现温度、收缩裂缝。3裂缝危害性分类3.1影响结构安全主要是指承载力不足而产生的裂缝，这类裂缝尺寸并不大，数量也不多，但却是结构接近临界承载力的先兆，很可能导致倒塌事故。此外，对地基变形造成的裂缝，若地基变形长期不稳定，且变形差大，裂缝不断发展也可能影响结构安全。3.2降低建筑功能一些裂缝虽不致结构安全但可能导致房屋渗漏或装饰损坏、还给人不安全感并影响观感。3.3缩短使用年限砌体裂缝较严重时，造成耐久性降低。有的裂缝（如温度裂缝）随环境温度变化而不断的扩张，也会明显降低其耐久性。3.4无明显危害，仅影响一般外观那些宽度和长度不大、数量不多的、较常见的温度裂缝或已基本稳定的沉降裂缝多数属此类型。4鉴别砌体裂缝的基本方法表1有关内容已提供了鉴别裂缝性质的初步思路，由于设计不当和材料或施工质量低劣造成的裂缝比较容易鉴别。因此文章重点介绍最常见的温度裂缝、地基变形裂缝及危害最严重的承载力不足裂缝的鉴别方法，主要是从裂缝特征、发展变化和理论分析三方面进行比较和鉴别。4.1根据裂缝现有特征进行鉴别见表2。根据裂缝特征鉴别常见裂缝性质表2鉴别依据温度变形造成的裂缝地基不均匀沉降造成的裂缝承载力不足造成的裂缝裂缝位置多数出现在房屋顶部附近，以两端为最常见；裂缝在纵墙和横墙上都可能出现。在寒冷地区越冬又未采暖的房屋有可能在下部出现冷缩裂缝。位于房屋长度中部附近的竖向裂缝，也可能属此类型多数出现在房屋下部，少数可发展到2~3层；对等高的长条形房屋，裂缝位置大多出现在两端附近；其他形状的房屋，裂缝都在沉降变化剧烈处附近；一般都出现在纵墙上，横墙上较少见。当地基性质突变（如由基岩变土）时，也可能在房屋顶部出现裂缝，并向下延伸，严重时可贯穿房屋全高多数出现在砌体应力较大部位，在多层建筑中，底层较多见。轴心受压柱的裂缝往往在柱下部1/3柱高附近，出现在柱上下端的较少。梁或梁垫下砌体的裂缝大多数是局部承压强度不足而造成裂缝形态特征最常见的是斜裂缝，形状有一端宽，另一端细和中间宽两端细两种；其次是水平裂缝，多数呈断续状，中间宽两端细，在厂房与生活间连接处的裂缝与屋面形状有关，接近水平状较多，缝长一般连续，缝宽变化不大；第三是竖向裂缝，多因纵向收缩产生，缝宽变化不大较常见的是斜裂缝通过门窗口，靠洞口处缝较宽；其次是竖向裂缝，不论是房屋上部、或窗台下或贯穿房屋全高的裂缝，其形状一般是上宽下细；水平裂缝较少见，有的出现在窗角，靠窗口处缝较宽；有的水平裂缝是地基局部塌陷而造成，缝宽往往较大受压构件裂缝方向与应力一致，裂缝中间宽两端细；受拉裂缝与应力方向垂直，较常见的是沿灰缝开裂；受弯裂缝在构件的受拉区外边缘较宽，受压区不明显，多数沿灰缝开展；砖砌平拱在弯矩和剪力共同作用下可能产生斜裂缝；受剪裂缝与剪力作用方向一致裂缝出现时间大多数在经过夏季或冬季后形成大多数出现在房屋建成后不久，也有少数工程在施工期间明显开裂，严重的不能竣工大多数发生在荷载突然增加时，例如大梁拆除支撑；水池、筒仓启用等4.2根据裂缝发展变化进行鉴别见表3。根据裂缝发展变化鉴别裂缝表3温度裂缝地基不均匀沉降造成的裂缝承载力不足造成的裂缝随温度或环境温度变化，在温度最高或最低时，裂缝宽度、长度最大，数量最多，但不会无限制地扩展恶化随地基变形的增加而增长，裂缝形状加大、数量增多。一般在地基变形稳定后，裂缝不再变化，极个别的地基产生剪切破坏，裂缝不断发展导致建筑物倒塌受压构件开始出现断续的细裂缝，随荷载或作用时间的增加，裂缝贯通，宽度加大而导致破坏。其他承载力不足裂缝可随荷载增减变化4.3根据建筑特征进行鉴别见表4。根据建筑特征鉴别裂缝表4鉴别根据温度变形造成的裂缝地基不均匀沉降早成的裂缝承载力不足造成的裂缝建筑物特征和使用条件屋盖的保温、隔热差，屋盖对砌体的约束大；当地温差大；建筑物过长又无变形缝等因素都可能导致温度裂缝房屋长而不高，且地基变形量大，易产生沉降裂缝；房屋刚度差；房屋高度或荷载差异大，又不设沉降缝；地基浸水或软土地基中地下水位降低；在房屋周围开挖土方或大量堆载；在已有建筑物附近新建高大建筑物结构构件受力较大或截面削弱严重的部位；超载或产生附加内力，如受压构件出现附加弯矩等建筑物的变形往往与建筑物的横向（长或宽）变形有关，与建筑物的竖向变形（沉降）无关用精确的测量手段测出沉降曲线，在该曲线曲率较大处出现的裂缝，可能是沉降裂缝往往与横向或竖向变形无明显关系4.4根据理论分析鉴别裂缝4.4.1温度裂缝砌体产生温度裂缝的原因是在温度变化或温差的作用下，而砌体又受到约束，因而产生温度应力，当温度应力超过砌体强度时就产生裂缝。根据此原理和结构力学方法就可以从理论上分析确定裂缝是否由温度原因所造成。我们可通过下面这种方法来计算平屋顶下墙体的主拉应力的近似方法来计算、判断。考虑到平屋顶下墙体的垂直压应力很小，因而假定砌体中的主拉应力接近剪应力，并用下述近似公式计算其中(1)式中——主拉应力（N/mm2）； ——最大剪应力（N/mm2）； ——水平阻力系数，混凝土板与砖墙Cx＝0.3～0.6N/mm3，混凝土板和钢筋混凝土圈梁Cx＝1.0N/mm3； 、——混凝土板及墙体的线胀系数，混凝土10×10-6、砖5×10-6； 、——砖墙的温差、混凝土的温差； th——双曲线正切函数；(2) ——墙厚（mm） ——墙体负担顶板的宽度（mm）； ——屋顶板厚度（mm）； Es——砖砌体弹性模量（N/mm2）如按公式⑴计算的主拉应力超过砌体的抗拉强度，就可能在平屋顶下砌体产生裂缝。4.4.2承载力不足造成的裂缝无论是受压、受弯、受拉、受剪或局部承压构件，均可根据《砌体结构设计规范》的有关公式与规定，计算构件的承载力，当外加荷载设计值产生的内力超过规范规定承载力时，就可能出现承载力不足的裂缝，举一个最简单的轴心受拉构件为例，其承载力应按下式计算：Nt≤(3)式中Nt——轴心拉力设计值；——砌体轴心抗拉强度设计值，按规范规定的数值采用；A——截面面积。4.4.3地基不均匀沉降引起的裂缝可根据工程实际情况计算地基变形，或用测量方法得到实际地基变形值，然后用结构力学方法计算地基不均匀下沉产生的应力，再对照砌体结构设计规范的有关数据，即可确定裂缝与地基不均匀沉降的关系。地基变形裂缝的另一种理论分析方法是计算地基变形值或实测变形值，如砌体承重结构基础的局部倾斜超过表5规定，就可能产生砌体裂缝。表5砌体承重结构基础局部倾斜的允许值地基土类别中、低压缩性土高压缩性土局部倾斜允许值0.0020.0035关于砌体裂缝处理界限的建议正确鉴别裂缝的性质，是确定裂缝是否需要处理的基本条件，同时也是选择处理方法和处理时间的基础。5.1承载力不足造成的裂缝⑴当确定为承载力不足裂缝时，均应认真分析处理，若无充分依据，则必须处理。⑵根据砌体实际强度和尺寸及内力验算，符合公式⑷时，应进行处理；符合公式⑸时，必须处理。（R/）＜0.92(4)（R/）＜0.87(5)式中R——砌体承载力（kN）；——结构重要性系数，按规范规定取值；S——结构内力（kN）。⑶重视受压砌体与应力方向一致的裂缝、梁或梁垫下的斜或竖向裂缝，以及柱身的水平裂缝，因为这些裂缝常是结构跨塌的先兆。⑷承载力不足裂缝的处理，一般先加固结构或构件，然后修补裂缝，也可两者结合进行。5.2温度裂缝温度裂缝一般无结构安全问题，大多数不作专门处理。若裂缝数量多，严重影响外观，或裂缝导致渗漏和影响使用，应作修补性处理。5.3地基沉降裂缝⑴地基沉降差不大，且在较短时间内已趋稳定者，一般可不处理。需作修补性处理的条件参见5.2。⑵地基沉降严重，且持续发展，可能危及结构安全的裂缝必须处理。一般采用先加固地基基础、后修补裂缝的方法。5.4下述危险裂缝均应认真分析处理⑴墙身或窗间墙的交叉裂缝；⑵造成柱断裂或产生水平错位的裂缝；⑶墙体失稳的水平裂缝，以及缝长超过层高1/2、缝宽大于20mm的竖向裂缝，或缝长超过层高1/3的多条竖向裂缝。参考文献：⑴《关于砌体裂缝问题的探讨与建议》王赫张正威⑵《工程结构裂缝控制》王铁梦单位名称：衡阳市建筑工程管理局联系地址：湖南省衡阳市环城北路电话：桥梁防撞研究技术与方法摘要：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TechnicsandMethodsofShip-BridgeCollisionsandProtectionAbstract:Aimingatthehotissuesinengineeringcirclesofbridgesagainstshipcollision,themethodsofship-bridgecollisionandprotectioningeneralaresummarized,includingcalculationmethodsofship-bridgecollisionmechanicsandanalysismethodsofship-bridgecollisionrisk.Furthermore,onthebasisofShanghaiYangziRiverBridgeProject,thevesselimpactforceandthedesignofbridgeprotectiondeviceofthemainpierisresearched.Byusingnon-linearFEM,thepierprotectiondesignisconfirmedtobeeffective.KeyWords:protectionofbridgeagainstshipcollision,bridgeprotectionstructure,non-linearfiniteelement,ship-bridgecollisionrisk

1.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[1~3]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：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；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；通航船舶主要参数；水文资料、防撞水位、水流速度；航道条件、航道等级、航道现状、航道规划；桥址处的水流流速流向、风速风向，波浪统计参数；桥址周围的港口、码头、渡口位置、船舶密度、吨位信息；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。1．Minorsky理论[4]Minorsky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GeWang[7]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，PC＝0；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：①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。②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。③船型，船队更易发生撞桥事故。④夜间的船撞桥事故发生率要高于白天。⑤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50009000115206.72.5~4.59.1~11.1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-0.1m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V＝3.4）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10－4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.图3.计算工况船舶撞击示意图撞击船是一艘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