桥梁结构抗撞研究综述（一）

航道桥梁防护实际工程应用

王文炜 周畅 程毅 吴曾晗 曹宏斌 吴浩恺

东南大学交通学院 桥梁工程系 桥梁抗撞研究课题组

1 国内外研究背景及现状

船舶作为运载工具的历史，几乎和人类文明史一样悠久[1]。航运业作为一种运量最大且运价最小的运输方式，是航空运输和陆路运输所无法比拟的。随着航运业快速发展，船舶数量不断增加，船舶航线越来越密集，与此同时，交通行业的高速发展也使得跨江、跨海大桥数量逐年上升，船舶和跨航道桥梁之间的碰撞概率不可避免的增大，从而导致船桥碰撞事故屡见不鲜[2]。

1980年美国佛罗里达州，因暴风雨天气，能见度低，船长判断失误导致驾驶货船撞向阳光大桥，致使桥面结构连同8辆汽车坠海，造成35人丧生。1993年美国亚拉巴马州，驳船撞击铁路大桥，导致行驶列车出轨，列车上47人遇难。据统计，1970年至1974年间，美国发生船桥碰撞事件共811起；1960年至1993年间，全世界因船桥碰撞事故导致桥梁损毁达29座，死亡人数达321人[3]。

图1 阳光大桥船撞事故

                                图2 美国驳船撞击铁路桥

在中国，船桥碰撞事故也频繁发生。2007年6月15日，一艘运砂船通过广东佛山九江大桥时，撞上桥墩，桥墩当场被撞断，共造成8人死亡。2010年11月2日一艘船只撞击福州乌龙江大桥致使18人受伤。2019年1月，广深高速的东洲河桥B2~B3通航孔被一艘货船船头传送带的支撑柱碰撞，导致桥上部承重梁体严重受损。同年4月20日凌晨，中国四大古桥之一的潮州广济桥遭货船碰撞，多处受损。

图3 九江大桥船撞桥墩事故

图4 11·2福州船只撞桥事故

图5 东洲河桥被货船碰撞受损

图6 广济桥遭失控货船碰撞

事实上，船桥碰撞事故远不止于此，事故频发现象始终未得到较好地控制。船桥碰撞发生后会给社会各方面利益造成较大损失，这种损失不仅仅局限于船舶和桥梁拥有者，同时还会对交通、贸易、环境以及公众心理造成极大冲击[4-5]。因此，对于船桥碰撞问题的研究，合理控制船桥碰撞事故的发生，以及降低碰撞事故造成的损失，已成为船舶研究部门、桥梁建设部门以及航道保障部门共同关注的重要课题。

国内外关于船桥碰撞研究，主要集中在规范的编制与修订、碰撞理论分析模型、船撞数值模拟及实际工程分析这四个方面。

对于船桥碰撞规范的编制与修订，美国道路工程师协会(AASHTO)于1991年编写的《公路桥梁船撞设计指南》(该指南于2009年进行了修订)，其专门针对美国内河桥梁提出了基于风险的船撞设计技术标准和设计方法。1996年美国铁路工程协会(AREMA)出版了《防撞?；は低成杓乒娣丁?。欧洲用于指导桥梁船撞设计的规范是1997年出版的欧洲统一规范中的Eurocode1.2.7分册。中国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)和《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)对船撞有所涉及；中国第一部专门的船撞设计指南是地方标准《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》(DBJ/T50-106-2010)。中国公路学会2018年发布了《公路桥梁防船撞装置技术指南》，以此来规范公路桥梁防船撞装置的技术要求，提升桥梁防船撞产品的质量水平。我国于2020年发布了《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020)，明确提出公路桥梁主体结构宜采用基于性能的抗撞设计方法，并给出了两个作用水准。

图7 《公路桥涵设计通用规范》

                    图8 《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》

图9 《公路桥梁防船撞装置技术指南》

图10 《公路桥梁抗撞设计规范》

对于船桥碰撞理论分析模型，张可成[6]综合考虑航迹、航角、停船距离和水位等因素的影响，优化了现有船撞桥梁风险分析模型，考虑了变动水位的影响，提出了相应的改进船桥碰撞概率模型。Song等[7]提出了一种简化的桥梁冲击荷载时程分析模型，以预测桥梁在船舶撞击下的动态响应。其简化模型通过一种用抛物线形式修正的半正弦波函数来捕捉冲击力时程的力学特征，并使用两个桥梁工程案例验证了该模型的有效性。宋彦臣等[7]还以一座连续梁桥为例进行了接触碰撞响应与撞击力时程响应分析，并将修正半波正弦荷载模型的响应求解误差分为3类，并讨论了这3种误差对结构响应的影响。

图11 三参数路径积分船-桥碰撞概率模型[6]

图12 船撞力与船舶质量、冲击速度的拟合曲面[8]

对于船桥碰撞的数值模拟，Leheta H W等[2]运用LS-DYNA非线性有限元软件分析驳船在两种船速下撞击刚性墙产生的船艏应力分布，以及动能和撞深随时间变化的规律，指出船艏撞深随船舶航速的增加而增加，但损伤范围始终限制在船艏区域内。周刘茜[9]考虑航行速度和碰撞角度两个影响因素，研究船舶撞击桥梁过程中的能量转换、撞击力变化、船舶和桥墩的应力、位移等响应规律，得出船舶通过桥梁时，应严格限速，如存在碰撞可能，应避免正碰的发生。Kameshwar S等[10]运用logistic回归模型研究驳船撞击桥梁过程中，驳船质量、撞击速度、驳船屈服力以及柱的尺寸参数对桥柱剪切破坏和弯矩破坏的脆弱性评估。袁星星[11]采用正交试验法建立船舶吨位、船舶速度、碰撞角度、碰撞高度及面积配箍率五因素五水平设计方案，完成各影响因素对撞击力的影响主次顺序分析。

图13 不同船速撞击力时程曲线[9]

图14 不同角度撞击力时程曲线[9]

图15 不同参数对结构剪切破坏的影响[10]

图16 不同参数对结构弯曲破坏的影响[10]

对于船桥碰撞的实际工程分析，罗强等[12]以东洲湘江大桥主桥为背景，设计了一种新型钢－复合材料组合防撞装置，采用LS-DYNA软件开展带球艏船舶、驳船撞击下的数值模拟，对比有无防撞装置下的桥墩结构响应，分析钢-复合材料防撞装置的防撞性能。袁龙文等[13]以润扬长江大桥为背景，采用LS-DYNA分析了桥墩混凝土强度、配筋率、船舶行驶速度等主要影响因素对内河桥梁受船舶撞击的具体作用规律。Wan等[14-15]以石臼湖大桥为研究背景，提出了简化船艏模型，进行了准静态压缩试验和数值模拟，研究了船艏的静刚度特性并与其动力特性进行了比较；以此船艏模型为例，分析了撞击后桥墩的损伤过程和破坏模式，之后对欧洲规范和AASHTO LRFD桥梁设计规范规定的设计冲击荷载进行了评估。刘静文[16]以武汉天兴洲大桥为工程背景，建立ANSYS全桥模型，研究了在相同船舶撞击下不同碰撞角度对桥梁横向位移响应的影响,得到了塔顶对碰撞较为敏感、通过增大碰撞角能有效降低桥梁船损风险的结论。

图17 船艏损伤[12]

图18 防撞单元损伤[12]

图19 RC墩柱的破坏模式和裂缝分布:(a)前面; (b)侧面[14]

船撞桥问题属于典型的交叉学科，船撞桥事故的发生涉及人、船舶、通航条件和环境、管理等多个方面。为了从根源上解决这一安全隐患，除了规范航道管理，谨慎通行以外，桥梁设计过程中还要采用合理的船舶撞击力设防标准，加强结构设计，加设防撞装置和主被动监测防控系统，因地制宜、多管齐下才能切实维护好通航水域的桥梁安全和桥区水域的水上交通安全。

2 关键科学问题

船桥碰撞的关键科学问题可以分为以下几类：

(1)桥梁船撞规范或标准研究，包括桥梁的抗船撞设防目标、桥梁抗船撞性能等级、船撞力精准预测模型、船撞桥墩风险-损伤评估分析等；

(2)桥梁受船舶撞击后的动力响应及破坏机理研究，包括特定桥型在船舶撞击作用下的渐近损伤特性及破坏模式、桥梁受船撞后的能量转化及耗散等；

(3)桥梁船撞风险预测及评估研究，包括桥船碰撞概率新型预测方法、船桥碰撞数学概率模型、既有桥梁船撞修正风险模型等；

(4)船桥碰撞主被动预警研究，包括船桥碰撞监测及预警系统研发；船舶交通管理系统的改进；新型复合材料防撞单元及防撞箱的研发等。

3 典型的工程案例

3.1 广东黄茅海大桥船撞计算

(1)工程概况

黄茅海大桥是港珠澳大桥西拓通道的重要组成，是连通粤西地区的重要通道。大桥拟采用(100+280+2×720+280+110)m钢箱梁斜拉桥，索塔采用钢壳独柱型索塔，索塔高262.83m，下塔柱及桥面以上99.5m采用带倒角矩形截面，99.5m以上采用圆截面，截面直径为11m~8.5m，下塔柱为10m(横向)×13m(纵向)~20m(横向)×20m(纵向)。承台采用圆形，平面直径为39m，承台厚8m?；〔捎?/span>37根桩径D2.8m钻孔灌注桩，桩长60m/55m。过渡墩、辅助墩采用整幅式T型墩。桥墩截面尺寸为a×3.2m~7.0×3.2m，承台平面直径为24m圆形，厚5m，每个承台下设置14根直径D2.8m钻孔灌注桩，桩长65m/60m。桥型布置图如下所示：

图20 黄茅海大桥桥型布置

(2)数值模型采用大型非线性通用有限元软件LS-DYNA建立5000DWT集装箱货船、桥梁墩柱及承台的有限元分析模型，计算船-桥碰撞后3s内的动力响应。船艏采用shell单元，船身、桥墩采用solid单元；混凝土采用*mat_CSCM_concrete材料，船舶采用*mat_plastic_kinematic材料；定义船舶和桥墩接触类型为*automatic_surface_to_surface；定义*control_hourglass和*hourglass进行沙漏控制；对桥墩上下表面结点自由度施加全约束；通过改变*mat_plastic_kinematic材料密度使得船舶载重量为5000DWT；设定船舶初始速度为3m/s。

图21 船桥有限元模型

(3)仿真结果分析当货船以3m/s正撞桥墩承台时，船艏与桥墩承台的峰值碰撞力约为105.57MN。发生船桥碰撞后，船舶动能逐渐降低，0.7s时，船速降至0m/s，船桥碰撞过程进入卸载阶段，0.8s后，船速降至-0.8m/s，船舶反向远离桥墩，表明船桥碰撞过程已充分完成。
(4)小结1、集装箱货船和黄茅海大桥主墩承台发生碰撞会产生较大的撞击力值。碰撞过程中，船艏结构不断损坏，撞击力时程曲线表现出较强的非线性和波动特征。2、船头碰撞区出现塑性变形，碰撞损伤呈现出较强的局部性。3、黄茅海大桥主墩承台混凝土仅发生轻微开裂，损伤较轻，但随着通航船舶载重量的提高，桥梁结构的碰撞破坏效应必将加重，因此有必要进行桥梁结构抗撞性能评估及防撞措施研究。

3.2响水灌河大桥防撞性能仿真

(1)工程概况

灌河大桥位于响水县城东北隅，全长636米，宽15.5米，共13孔，最大跨径90米，为预应力T型结构。桥桩最深基础有79米，它由交通部第一公路勘察设计院设计，设计最大负荷可通20吨汽车、100吨平板车，是江苏省交通重点工程之一，总投资2200万元，大桥主体工程由盐城公路管理处桥梁工程队承建，1984年4月1日开工，1987年9月建成，9月25日通车，时任国务委员、国防部长张爱萍同志为大桥题写了桥名。灌河大桥的建成，沟通了204国道由上海至青岛的13个沿海城市。

图22 响水灌河大桥桥型布置

(2)数值模型

建立2000DWT货船、桥墩、承台及防撞单元有限元模型。船艏、钢板采用shell单元，船身、桥墩、承台及聚氨酯泡沫采用solid单元；混凝土采用*mat_CSCM_concrete材料，船舶及防撞单元钢板采用*mat_plastic_kinematic材料，聚氨酯泡沫采用*mat_elastic材料；定义船舶和桥墩、承台及防撞单元接触类型为*automatic_surface_to_surface，定义防撞单元接触类型为*automatic_single_surface；定义*control_hourglass和*hourglass进行沙漏控制；对桥墩上下表面结点自由度施加全约束；通过改变*mat_plastic_kinematic材料密度使得船舶载重量为2000DWT；设定船舶初始速度为3m/s；计算船-桥碰撞后3s内的结构响应。

图23 船桥有限元模型

(3)仿真结果分析

工况1：2000DWT货船正撞最低通航水位防撞单元正中央；

工况2：2000DWT货船正撞最低通航水位防撞单元侧边；

工况3：2000DWT货船正撞最高通航水位防撞单元正中央；

工况4：2000DWT货船正撞最高通航水位防撞单元侧边。

图24 船-防撞单元碰撞力时程曲线

图25 聚氨酯泡沫(HYPU)能量时程曲线

图26 外覆钢板能量时程曲线

(4)小结

桥墩及承台表面设置固定式防撞单元后，响水灌河大桥防撞单元提供抗力最大值为11.68MN，耗能最大值为5.84MJ。

3.3惠州鹅城大桥防撞性能分析

(1)工程概况

惠州市鹅城大桥及引道工程建设项目起点为惠州大道，主线下穿菊花路，途经期湖塘路，跨东江后，沿同福路向东，终点为江东一号路。主线全长约2980.131米，其中鹅城大桥长约1119.5米(主桥长约360米)，采用城市主干道技术标准，双向六车道断面，设计时速50km/h。项目包括两处立体交叉改造(期湖塘路下穿菊花路通道、江东一号路立交)，江北片区段的现状道路拓宽改造，水口滨江片区段的新建道路。

图27惠州鹅城大桥桥型布置

(2)仿真依据

1、结合桥区水文及航道资料，惠州鹅城大桥所跨东江航道等级为Ⅲ级，根据《内河通航标准》(GB50139-2014)中的条文3.0.1，Ⅲ级航道通航船舶吨级为1000吨，考虑到船体自重及安全储备，本次数值计算取船舶载重量为2000DWT。

2、惠州市东江属于广东珠江干流水系之一，根据《船舶航运标准规范》(GBT8843-2002)、《河港工程总体设计规范》(JTJ212)、《中华人民共和国内河交通安全管理条例》以及《珠江口水域船舶安全航行规定》，船舶进入主航道时，航速应控制在12节以下(1节=1.852km/h)，途经桥孔区域时，宜减速慢行，因此本次数值模拟中船舶航速设为3m/s。

3、结合船型及航道等基础设计资料，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60－2015)，内河驳船顺桥向撞击力为3/4倍的横桥向撞击力，又由《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)可知，对于船舶正撞和斜撞两种情况，动能折减系数分别取取0.3和0.2，所以船舶正撞时对桥梁下部结构的损伤破坏效应最大，本次数值仿真中船舶与航线夹角设为0o。

4、根据《美国公路桥梁船舶撞击设计规范》(AASHTO 2010)、《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60－2015)以及《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T3360-02-2020)，设防船撞力宜结合船型、撞击速度，在桥梁设计中当作偶然作用来考虑，并给出了不同吨级内河船的撞击作用设计参考值，所以本次数值计算参照上述规范及标准，从船撞力和耗能两个角度分析防撞单元对船撞鹅城大桥损伤破坏的削减效果。

(3)数值模型

船艏、钢板采用shell单元，船身、桥墩、承台及聚氨酯泡沫(HYPU)采用solid单元；混凝土采用*mat_CSCM_concrete材料，船舶及防撞单元钢板采用*mat_plastic_kinematic材料，氨酯泡沫采用*mat_elastic材料；定义船舶和桥墩、承台及防撞单元接触类型为*automatic_surface_to_surface，定义防撞单元接触类型为*automatic_single_surface；定义*control_hourglass和*hourglass进行沙漏控制；对桥墩上下表面结点自由度施加全约束；通过改变plastic_kinematic材料密度使得船舶载重量为2000DWT；设定船舶初始速度为3m/s；计算船-桥碰撞后3s内的结构响应。

图28 2000吨货船、桥墩、承台及防撞单元有限元模型

(4)仿真结果分析

工况1：2000DWT货船正撞最高通航水位防撞单元正中央；

工况2：2000DWT货船正撞最低通航水位防撞单元正中央。

图29 船-防撞单元碰撞力时程曲线

图30 聚氨酯泡沫(HYPU)能量时程曲线

图31 外覆钢板能量时程曲线

(5)小结

桥墩及承台表面设置自浮式防撞单元后，惠州鹅城大桥防撞单元提供抗力最大值为4.38MN，耗能最大值为5.26MJ。

4、未来的研究方向

船桥碰撞未来的研究方向可以分为以下几类：

(1)船舶碰撞桥梁事故的统计数据库和不同类型船舶参数数据库的建立与研发；

(2)基于性能的精细化船舶抗撞设计方法研究；

(3)多灾害耦合作用下桥梁受船舶撞击时的致灾机理和损伤评估；

(4)船桥碰撞后快速有效评估桥梁结构安全性和剩余承载力的预测模型。（本期执笔：程毅 博士）

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