(重慶交通大學(xué)　重慶　400000)

一、橋梁碰撞問題的研究現(xiàn)狀

船撞橋研究主要包括船撞力計(jì)算、船撞橋力學(xué)分析、風(fēng)險(xiǎn)概率模型、風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則、風(fēng)險(xiǎn)減小措施等關(guān)鍵問題。

(一)船撞力計(jì)算

船舶碰撞的力學(xué)分析可以分成兩部分，即外部碰撞力學(xué)和內(nèi)部碰撞力學(xué)。外部碰撞力學(xué)重點(diǎn)關(guān)注碰撞時船體的整體剛性運(yùn)動問題，并研究船舶與其周圍流體介質(zhì)之間的作用。內(nèi)部碰撞力學(xué)則重在研究撞擊船舶本身，包括船舶船頭和側(cè)殼構(gòu)件對撞擊能的吸收能力、碰撞力與碰撞損傷之間的關(guān)系及碰撞體結(jié)構(gòu)各種失效反應(yīng)與吸收能的復(fù)雜計(jì)算等。

(二)船撞力計(jì)算方法評析

內(nèi)部碰撞力學(xué)是目前船撞力研究的主要內(nèi)容。內(nèi)部碰撞力學(xué)研究方法大致可分為4種，即經(jīng)驗(yàn)公式法、簡化解析法、有限元數(shù)值分析法以及試驗(yàn)方法。

1.經(jīng)驗(yàn)公式法。內(nèi)部碰撞力學(xué)將船舶碰撞分為兩類：高能碰撞，又稱嚴(yán)重碰撞，主要指在碰撞過程中船體結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂、穿透等嚴(yán)重破壞；低能碰撞，又稱非嚴(yán)重碰撞，主要指碰撞中發(fā)生較小的塑性變形但并未穿透的破壞。多數(shù)的船舶之間和船橋碰撞都屬于高能碰撞，少數(shù)情況諸如船只靠泊時與泊岸發(fā)生的碰撞屬于低能碰撞。

2.簡化解析法。簡化解析法將船舶構(gòu)件分解成幾種簡單模型，根據(jù)得到的實(shí)際損傷情況識別這些簡單構(gòu)件的主要破損形式，并導(dǎo)出這些破損形式的損傷理論公式，之后使用推導(dǎo)公式分別計(jì)算出每一種簡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。

3.全有限元數(shù)值法。內(nèi)部力學(xué)涉及屈服、擠壓、斷裂、撕裂和破裂等種種破壞形式，為了精確模擬這些破損過程，必須使用全有限元數(shù)值分析的方法。近三十年來，計(jì)算機(jī)和計(jì)算方法的進(jìn)步使得全非線性有限元分析成為碰撞問題內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)評估的一個有力手段。

4.試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法無疑最有說服力，但船撞橋工況眾多，完全采用試驗(yàn)方法需要花費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力，這對船撞橋風(fēng)險(xiǎn)分析既不現(xiàn)實(shí)，也無必要。

(三)概率模型

國外計(jì)算船撞橋概率的代表性模型還包括歐洲規(guī)范模型以及德國昆茲模型和瑞典佩德森模型等。Modjeski和Masters建議在建立內(nèi)河船撞橋概率模型時，應(yīng)根據(jù)內(nèi)河航道特點(diǎn)對AASHTO規(guī)范做修正。

(四)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

目前船撞橋風(fēng)險(xiǎn)分析接受準(zhǔn)則主要包括工程對象破壞可接受準(zhǔn)則和最小費(fèi)用準(zhǔn)則兩種。

1.工程對象破壞風(fēng)險(xiǎn)的可接受準(zhǔn)則。ASHTO規(guī)范規(guī)定：橋梁在任何大小船撞力作用下都存在倒塌概率，在橋梁抵抗力確定下，倒塌概率和船撞力大小成正比。同一座橋在不同船舶撞擊力作用下采用單一的倒塌破壞形態(tài)，掩蓋了其它形式的破壞形態(tài)，尤其和設(shè)計(jì)上要求橋梁結(jié)構(gòu)在不同船舶撞擊力作用下具有不同服務(wù)功能形態(tài)這一基本規(guī)定極不相稱。

2.效益一成本接受準(zhǔn)則。效益一成本接受準(zhǔn)則出發(fā)點(diǎn)就是把橋梁加固和防護(hù)措施的費(fèi)用，與降低風(fēng)險(xiǎn)獲得效益相比較，按照廣義造價(jià)最低的原則進(jìn)行橋梁船撞設(shè)計(jì)。利用效益一成本接受準(zhǔn)則進(jìn)行船撞橋風(fēng)險(xiǎn)分析的一個關(guān)鍵問題是計(jì)算撞擊后果所包含的各種經(jīng)濟(jì)損失。

(五)風(fēng)險(xiǎn)減小措施

1.改善通航手段。如何通過改善水路上通航手段(如設(shè)浮標(biāo)、距離標(biāo)記、船舶運(yùn)輸管理系統(tǒng)和電子導(dǎo)航系統(tǒng)等)降低橋梁遭受船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)，值得作進(jìn)一步研究。事實(shí)已經(jīng)證明：改善橋梁附近的通航手段，對于把船撞風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的程度具有極佳的效果。

二、船撞橋計(jì)方法框架

(一)對于狹窄航道的設(shè)計(jì)框架

船撞橋設(shè)計(jì)→狹窄航道→初步設(shè)計(jì)→故障樹建立→確定設(shè)計(jì)船只→船撞力計(jì)算→撞擊角度計(jì)算→橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)→修正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→增加構(gòu)件強(qiáng)度→防撞設(shè)施→設(shè)計(jì)完成

(二)對于一般航道的設(shè)計(jì)框架

船撞橋設(shè)計(jì)→一般航道→初步設(shè)計(jì)→故障樹建立→船撞橋概率計(jì)算→滿足倒塌概率接受準(zhǔn)則→設(shè)計(jì)防撞設(shè)施→撞擊角度計(jì)算→撞擊力計(jì)算→橋梁破壞形態(tài)→撞擊后果損失計(jì)算→滿足成本收益原則→設(shè)計(jì)完成

三、橋梁碰撞安全評估

橋梁的損傷狀態(tài)評估是一個復(fù)雜的問題，取決于船舶的船型、大小、外形、船速、撞擊角度、船舶質(zhì)量及碰撞特性，還取決于橋墩和上部結(jié)構(gòu)抵抗碰撞沖擊荷載的剛度和強(qiáng)度特性等。橋梁的風(fēng)險(xiǎn)評估在于考慮其失效概率與后果的乘積。

四、現(xiàn)有橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)評估的建議方法

目前，我國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范尚無船撞橋風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范，建議不妨借鑒國外相關(guān)規(guī)范(如美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范)，結(jié)臺我國船舶的特點(diǎn)，對現(xiàn)有橋梁作船撞風(fēng)險(xiǎn)評估并及時采取相應(yīng)對策。

建議船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評估可按以下步驟進(jìn)行：1.調(diào)查橋位處水流條件、橋墩處水深，以及船舶的數(shù)量類型、航速和大小分布。2.評估橋梁的重要性并確定相應(yīng)的可接受倒塌風(fēng)險(xiǎn)概率。3.計(jì)算各墩的應(yīng)具備的防撞力。4.復(fù)算各墩的實(shí)際抗力。5.根據(jù)實(shí)際抗力應(yīng)具備的防撞力的大小對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類評估。6.由評估的結(jié)果對不同風(fēng)險(xiǎn)等級的橋梁采取相應(yīng)的防撞方案設(shè)計(jì)。

五、橋墩的主要防撞措施

橋墩防撞設(shè)施都是基于能量吸收、動量緩沖的基本原理以防止船舶撞擊力超過橋墩的設(shè)計(jì)承受能力而設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)防撞設(shè)施需要根據(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、碰撞速度等各類因素綜合進(jìn)行。

防撞設(shè)施一般應(yīng)滿足如下要求:1.防護(hù)裝置應(yīng)少占位置，不礙航。2.防護(hù)裝置應(yīng)適應(yīng)水位的變化要求：枯水洪水、漲潮退潮均能適應(yīng)。3.防護(hù)裝置的吸能能力要大，使船和橋墩都不被破壞。4.防護(hù)裝置應(yīng)能反復(fù)使用，小撞不需維修，大撞稍加修理即可繼續(xù)使用。5.防護(hù)裝置應(yīng)安裝運(yùn)輸方便，不應(yīng)要求過多的施工條件。

目前，主動防撞采取的防船撞措施主要包括:1.設(shè)置導(dǎo)航標(biāo)。2.施行船舶航行定線制。3.設(shè)置船舶航行警戒區(qū)。4.對特殊船舶實(shí)行引航措施。5.船舶安裝AIS導(dǎo)航系統(tǒng)。6.橋區(qū)設(shè)置船舶交通管理系統(tǒng)VTS等。

對于遭受船舶撞擊有較大風(fēng)險(xiǎn)的橋梁，也可考慮采用被動防撞系統(tǒng)，主要包括:1.附著式防撞系統(tǒng)。2.重力擺式防撞系統(tǒng)。3.薄殼筑沙圍堰防撞系統(tǒng)。4.膠囊沙袋防撞系統(tǒng)。5.人工島防撞系統(tǒng)。6.集群式護(hù)墩樁。7.漂浮網(wǎng)狀防撞系統(tǒng)。