田 欽,程海根,康彩霞

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌 330013)

船撞橋問題在國外從 20世紀(jì) 80年代初開始得到認(rèn)真的研究,經(jīng)過 20年的努力,歐洲和美國等國家已經(jīng)制定了專門的設(shè)計(jì)規(guī)范或指南。雖然目前我國有關(guān)大橋的安全保障部門采取了一系列的安全措施,但對(duì)防撞問題一直未得到足夠的重視,也沒有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范或指南可供工程師使用。在公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的相應(yīng)條款過于簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)船撞力過低,對(duì)橋梁設(shè)計(jì)幾乎沒有影響,這不符合實(shí)際情況[12]。隨著跨江的公路特大橋越建越多,以及大江航道等級(jí)的提高,大噸位的船只越來越多地進(jìn)入了大江,加之建橋后的航道演變,這些跨大江橋梁被船撞的風(fēng)險(xiǎn)明顯加大[9]。對(duì)這些特大橋進(jìn)行船撞安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),并提出一些防范措施,就顯得尤為重要。

1 船橋相撞有限元計(jì)算方法的研究

1.1 船 -橋碰撞力學(xué)計(jì)算研究方法

1.1.1 Minorsky理論

Minorsky船 -船碰撞理論[5]、[7]自 1975年公開發(fā)表后,已為眾多的實(shí)驗(yàn)所證實(shí),由此奠定了船 -船碰撞的分析基礎(chǔ),并推廣應(yīng)用于船 -橋碰撞,為國際橋梁工程界和各國學(xué)者公認(rèn)。Minorsky的研究工作主要是將船 -船碰撞問題分為兩個(gè)相互獨(dú)立的部分,即動(dòng)能損失和結(jié)構(gòu)損傷,并用統(tǒng)計(jì)分析方法將它們聯(lián)系在一起。

1.1.2 漢斯 -德魯徹理論

漢斯和德魯徹教授根據(jù) CG-71955-A合同研究提出的理論,主要是研究公路橋梁預(yù)防船舶的撞擊[13]、[14]。該理論將船舶碰撞橋墩及其防撞設(shè)施等效成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算碰撞中橋墩或防護(hù)系統(tǒng)受撞位置處的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞擊力、撞擊過程的持續(xù)時(shí)間。

1.1.3 數(shù)值解法

數(shù)值解法產(chǎn)生于船 -船碰撞理論[16],引伸到船 -橋碰撞計(jì)算。數(shù)值方法中較有代表性的是 Petersen方法和梁文娟計(jì)算方法[4]。前者提出的方法可以模擬碰撞中船舶的水平運(yùn)動(dòng),歸結(jié)為兩維問題;后者將該問題擴(kuò)展為三維情況,考慮了碰撞中船舶六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。在該方法中流體動(dòng)力用切片法計(jì)算,碰撞力則假設(shè)為貫入量的非線性函數(shù),通過六根非線性彈簧描述碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部機(jī)理[1]、[2]。

1.1.4 簡(jiǎn)化解析法

簡(jiǎn)化解析法是將船舶結(jié)構(gòu)部件分解成幾種簡(jiǎn)單模型,導(dǎo)出這些簡(jiǎn)化模型損傷的理論公式,分別計(jì)算出每一種簡(jiǎn)化模型的損傷力和變形能,最后合成總的船舶結(jié)構(gòu)碰撞損傷力和能量。簡(jiǎn)化解析法是一種非耦合的方法[11]。

1.1.5 實(shí)驗(yàn)方法

通過碰撞模型實(shí)驗(yàn),直接測(cè)量船-橋碰撞中碰撞力、變形能隨撞深的變化曲線[15]。但由于實(shí)驗(yàn)方法耗費(fèi)昂貴,一般難以實(shí)施。有關(guān)資料表明從 20世紀(jì) 60年代初開始,日本、德國等國的學(xué)者相繼完成了少量船 -船碰撞試驗(yàn),而船-橋碰撞試驗(yàn)的資料還未發(fā)現(xiàn)。

1.1.6 經(jīng)驗(yàn)規(guī)范公式法

(1)我國《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(1989)將船舶撞擊當(dāng)作一種偶然載荷,對(duì)橋梁防撞問題做出了規(guī)定:位于通航河流或有漂流物的河流中的橋梁墩臺(tái),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮船只或漂流物的撞擊力。對(duì)漂流物撞擊力 P給出的計(jì)算公式為:

式中:P為撞擊力(kN);

w為漂流物重力(kN);

V為水流速度(m/s);

g為重力加速度(9.81 m/s2);

T為撞擊時(shí)間(s),無資料時(shí)取 1秒。

這是最簡(jiǎn)單的公式,但要獲取確切的撞擊時(shí)間是困難的。

(2)我國《鐵路工程技術(shù)規(guī)范》(1985)第 3.4.6條規(guī)定,橋梁墩臺(tái)承受船舶或排筏的撞擊力P可按下式計(jì)算,即

式中:γ為動(dòng)能折減系數(shù)(m/s1/2),當(dāng)正向撞擊時(shí)取0.3,斜向撞擊時(shí)取 0.2;

V為船只撞擊速度(m/s),采用航運(yùn)部門提供的數(shù)據(jù);

α為船只駛近方向與墩臺(tái)撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角,應(yīng)根據(jù)具體情況確定,如有困難可采用 20°;W為船只重(kN);

C1、C2分別為船只的彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)的彈性變形系數(shù),缺乏資料時(shí)可定 C1+C2=0.0005 m/kN。

(3)美國《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于通航橋孔的橋墩,船舶對(duì)橋墩的正面撞擊力F為:

式中:V為船舶航行速度(m/s);

DWT為船舶重量(t).

(4)美國《公路橋梁船舶撞擊指導(dǎo)性規(guī)范》(AASHTO)對(duì)貨船、大型輪船等船舶等效靜態(tài)沖擊力按下式計(jì)算(即修正 Woison公式):

式中:Ps為靜態(tài)等效沖擊力(kN);

V為船舶碰撞時(shí)的速度(m/s);

DWT為船舶排水量(kN)。

(5)北歐公共道路管理局對(duì)在公共道路系統(tǒng)中的橋梁和渡輪的碰撞力計(jì)算公式為:

式中:D WT為船舶重量(t)。

除了以上經(jīng)驗(yàn)公式外還有沃辛碰撞理論[3]:1976年,德國學(xué)者沃辛根據(jù)保護(hù)核動(dòng)力船舶的核反應(yīng)堆在碰撞下的安全問題而進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),提出了沃辛經(jīng)驗(yàn)公式;Saul和Svensson等對(duì)沃辛經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正,得到修正的沃辛公式;挪威公共道路局規(guī)定其公共道路系統(tǒng)橋梁和浮橋的碰撞荷載計(jì)算公式。

1.1.7 非線性有限元方法

以上對(duì)于船橋碰撞的常用工程計(jì)算方法中,考慮的因素比較簡(jiǎn)單,主要是從沖量公式、能量公式等出發(fā),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的計(jì)算方法,對(duì)工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義[8]。但這些經(jīng)驗(yàn)公式都沒有全面地考慮船舶、樁基、承臺(tái)、墩臺(tái)等的具體類型、結(jié)構(gòu)、材料等因素的影響。而目前我國的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速,跨江甚至跨海大橋不斷興建,橋梁的結(jié)構(gòu)形式不斷更新,同時(shí)船舶噸位和航速也不斷增加,因此,對(duì)于不同的船橋撞擊類型,僅采用傳統(tǒng)的工程公式計(jì)算,越來越難以滿足我國現(xiàn)代化建設(shè)的需要。

近年來隨著非線性有限元分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的發(fā)展,船橋碰撞問題的計(jì)算有了新的突破。采用非線性有限元技術(shù),對(duì)于不同類型的船橋碰撞問題可以較為精確地描述船舶和橋梁復(fù)雜的幾何形狀、材料本構(gòu)、破壞損傷等信息,從而能夠得到更精確的結(jié)果,較傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算體現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)。

1.2 船橋相撞模型經(jīng)驗(yàn)規(guī)范公式法計(jì)算撞擊力結(jié)果的比較

一艘重為 237.7765 t(折合 2330.2097 kN)的船,行駛?cè)虢?行駛速度為 11節(jié)(5.659 m/s),正面撞擊大橋橋墩。采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算撞擊力。

(1)采用我國《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(1989)計(jì)算撞擊力得:

(2)采用我國《鐵路工程技術(shù)規(guī)范》(l 985)計(jì)算撞擊力得:

(3)采用美國《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算撞擊力得:

(4)采用美國《公路橋梁船舶撞擊指導(dǎo)性規(guī)范》(AASHTO)計(jì)算撞擊力得:

(5)北歐公共道路管理局對(duì)在公共道路系統(tǒng)中的橋梁和渡輪的碰撞力.計(jì)算撞擊力得:

從以上的經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果可以看出,美國規(guī)范計(jì)算的碰撞力結(jié)果是最大的,我國鐵路規(guī)范計(jì)算的結(jié)果是最小的,結(jié)果相差近 8倍。由此可以得出,美國的規(guī)范對(duì)于船橋碰撞力的計(jì)算是偏于安全的,而且這個(gè)力作為一個(gè)活載計(jì)算,安全富裕度高;我國的規(guī)范對(duì)于碰撞力的計(jì)算是比較粗糙的,而且只是作為一個(gè)偶然荷載進(jìn)行計(jì)算,安全富裕度低;歐洲的規(guī)范計(jì)算結(jié)果和美國差不多。這也就可以解釋為什么我國的橋梁容易被撞斷,而美國、歐洲的橋梁抗撞擊能力強(qiáng)。這就使研究修正我國規(guī)范中碰撞力的計(jì)算公式,變得尤為重要。

2 橋梁防撞設(shè)施的研究與應(yīng)用

采用橋梁防撞的目的是防止橋梁因船舶撞擊力超過橋墩的設(shè)計(jì)承受能力,保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全。工程上通過采用不同型式的防撞設(shè)施,可以阻止船舶撞擊力傳到橋墩(或橋梁),或者通過緩沖消能防撞設(shè)施,延長船舶的撞擊時(shí)間,減小船舶撞擊力,從而最終保護(hù)橋梁安全。防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 防撞設(shè)施的性能要求

防撞設(shè)施一般應(yīng)滿足如下要求[10]:

(1)吸能能力要大,但更重要的是將船的動(dòng)能仍保留在船上,最新的辦法是防撞裝置將船頭撥歪,使船離開墩而不被鑲住,即不咬住船頭。

(2)防撞設(shè)施不能影響航道的通航,占用航道范圍盡量少。

(3)通過合理的結(jié)構(gòu)形式、各種緩沖材料的布置,盡量減小通航船舶的損傷。

(4)防撞設(shè)施制造、安裝、維護(hù)和修理經(jīng)濟(jì)性較好,現(xiàn)在一般可做到只占橋梁建設(shè)費(fèi)用的 5%左右。

(5)防撞設(shè)施具有很好的可靠性和安全性。

(6)應(yīng)適應(yīng)水位變化的要求:枯水、洪水;漲潮、退潮。

(7)不因設(shè)置防撞裝置而增加新的問題,如回流沉積、妨礙捕撈養(yǎng)殖等。

2.2 防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)原則

由于橋、船和防撞設(shè)施都是造價(jià)昂貴的工程建筑物,所以,對(duì)于設(shè)計(jì)防撞設(shè)施的目的和要求,是按照下列原則處理的。

(1)大橋的破壞后果最為嚴(yán)重,確保橋梁安全是防撞設(shè)施設(shè)計(jì)的首要目的,為了保證大橋的安全,即使防撞設(shè)施和船舶損壞,也是合理的、必要的。

(2)防撞設(shè)施的損壞是允許的,但應(yīng)易于修復(fù),以使大橋不失受保護(hù)狀態(tài)。

(3)船舶是碰撞事故的責(zé)任方,但船舶的沉沒也是極大的經(jīng)濟(jì)損失,而且影響航道暢通,應(yīng)予避免,所以,對(duì)船舶的保護(hù)在防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)中也應(yīng)給予必要的適度考慮,應(yīng)避免沉船事故。

3 結(jié)束語

規(guī)范化的橋梁防撞研究在我國處于起步階段,不斷發(fā)生的船撞橋事故卻使這一課題研究越來越具有必要性和緊迫性。目前,建立統(tǒng)一的適用于實(shí)際的船橋碰撞規(guī)范研究是這一領(lǐng)域有待完善和今后發(fā)展的重點(diǎn)。此外,相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科,如船舶、橋墩的材料本構(gòu)模型定義、船艙內(nèi)壓載水影響、船橋碰撞力學(xué)等理論的不斷完善并應(yīng)用于船-橋碰撞力學(xué)計(jì)算方法中,也可以進(jìn)一步提高船撞橋的研究技術(shù),相信非線性有限元技術(shù)的橋梁防撞研究技術(shù)將會(huì)在這一研究領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

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