16 2005-08-15进展

桥墩防撞问题研究的进展陈国虞上海海洋钢结构研究所，上海201204摘要20世纪50年代我国建成第一座跨长江的大桥，船撞桥墩这一水路交通事故被众人所知晓。

经过50年的纪录和研究，我国对防御船撞桥的研究有很大发展（作者试图归纳这些发展）：首先是桥梁工程师大量地在设计中选用一跨过江的桥型，做到江中无墩，比较彻底地避免了船撞桥；其次是研究方法的提高，现在防撞研究从理论分析推导、实验研究和数值模拟计算三个手段去建立一个交通安全的小学科；第3是从航海诸因素的影响计算侧撞角和侧撞力；第4是防护对象的发展，从只防护桥发展到既防护桥又防护船，保证桥安全的同时,让船的损坏尽量小，防撞设施做到小撞不坏、大撞可修；第5，为了能同时保护桥和船，工业规模地生产了高耗能防撞元件，它能在得到撞击凹曲线的同时，耗掉大部分施撞能量；第6是冲击动力学被防撞研究的各方（桥、船和港航等）所接受；第7是通用的有限元计算程序在船撞桥研究和设计中得到应用。

关键词船撞桥,冲击动力学,动态有限元,一跨过江在本文中，作者尝试对本单位和一些兄弟单位10年来船撞桥研究方面的发展，作一简述：1.新设计桥梁一跨过江的比例增加在我国，公路和铁路交通比水陆交通有更快的发展，桥梁科学技术成为我国发展较快的一个学科。

桥梁工程建设行业成为比航道和海港工程发展得快得多的行业。

从1958年建成武汉长江大桥至今，选取“有里程碑意义和获得大奖”[1]的115座大桥[1]进行统计，其中做到一跨过江、江中无墩的已有46座，在防御船撞桥事故方面，取得很好的效果。

“一跨过江，江中无墩”是防止船撞桥的上乘之法。

最彻底但不是最省钱。

因而在财力允许的情况下，桥梁设计师们尽量一跨过江，避免通航船舶撞到桥墩上去。

表1是分桥型列出一跨过江的桥梁比例。

表1 各型桥中一跨过江的比例分类桥数其中：一跨过江的桥数9 13 17* 4 3 46*拱桥的通航净宽较桥跨距小得较多，曾有船的上部撞拱两侧下沿的例子。

事情的另外一面是船撞桥事故的不断发生：公铁两用桥中的武汉长江一桥被撞70余次。

南京长江一桥被撞20余次。

枝城长江大桥于1983年被撞两次。

九江长江大桥施工中就被撞两次，1983年通车后又被撞两次，1987年被撞一次。

公路桥中的重庆长江大桥的墩前灯船被撞。

武汉长江二桥建桥期间被撞16次。

长江黄石公路桥建桥期间被撞15次，1978年洪水稍退顶推船队（共7驳）撞3号主墩，致重创船舶三艘，长江下游宝钢码头栈桥1985年被撞塌4跨，停止供料83天。

浙江朱家尖桥1990年多次被撞……。

铁路桥被船撞和被上游流下的原木撞击的次数就更多了：松花江佳木斯桥被船撞40余次，被木排撞过37次，松花江三棵树桥被撞11次。

宜宾岷江大桥被船和木材撞击400余次。

三道坎贵河桥，4号桥墩把一艘载砖瓦船撞沉。

汉阳汉水桥撞船和船队共17次。

白沙沱长江桥受拖船和木排撞击100多次。

湘潭湘江桥1980年被船撞4次。

京广新地河桥1981—1984年被撞38次。

京广二道河桥1981年被船撞3次。

宁芜县当涂桥被拖驳撞裂，块石松动。

平齐县嫩江桥1984年拖船撞墩17次。

南平闽江桥，1959和1962年洪水期间均被撞……。

所以御防船撞桥的设施和方法还得继续研究、发展和提高。

2. 研究方法认识的提高我国有学者在1986年引入挪威船级社1983年船撞船的计算软件用以研究船撞桥，从碰撞的外部力学（运动）与结构内部响应（应力应变）结合起来进行研究[2]；另一位学者1990年系统地将美国关于船撞桥的理论与实践介绍到我国[3]，前者未对实验进行工作，而且说“……表面上，实验方法看来是直接和可靠的，实际上以实验手段研究碰撞是非常困难和不太可靠的……”[ 4]，后者介绍了美国对船撞桥的数值计算结果，但因采用的不是通用程序，读者无法使用。

桥墩柔性防撞研究与设计在原理上是属于工程力学这一大范畴的。

同其他很多学科一样，20世纪以来，实验、分析和数值计算是工程力学研究所采用的三个主要手段。

三者虽各有侧重，但实际上一个工程力学问题的解决，往往需要这三者的密切配合、相互促进，才能进一步深化“实践-理论-实践”的认识过程。

如果没有第一手试验结果提供的建模依据和对分析计算结果的验证，不难想象所谓的“理论”和“计算”将显得多么灰白无力；反过来，如果没有科学理论的指导，我们可能还在茫茫黑暗中瞎撞摸索。

而数值模拟在工程力学发展中愈来愈重要的地位，不论从理性认识上还是从实践上，都已获得普遍公认。

正如钱学森先生在1997年给清华大学工程力学系的一封信中“展望21世纪”时，就已强调指出“力学加计算机将成为工程设计的主要手段”。

所以21世纪应该采用的是：实验、分析和数值计算三结合的方法。

作者在1995-2005年的工作中使用这种三结合的方法：利用冲击动力学原理对船撞桥的经验半经验公式进行筛选；用数值法计算出桥墩加上柔性耗能装置后，撞击力下降的比例（见图1）；利用数值计算法算出多个防撞圈在外钢围包络下受力的同期性，并用实验验证（见图2）；在这基础上工业规模的生产出实际使用的柔性高耗能复合防撞圈，并且用8个防撞圈组成1：1分段在10t.m 落锤实验机下进行撞击实验（见图3）图1 6种工况计算比较纵坐标为应力；横坐标为时间。

-200-160-120-80-400S t r e s s /M p aTime/ s图2 乌镇路桥防撞实验图3 1:1分段撞击实验3．从航海诸因素的影响计算侧撞角有的规范将正撞力打一个固定的折扣作为侧撞力, 实际上侧撞力与侧撞角有关.。

.船舶在航道上航行，由船舶本身的特性（船舶类型、船舶尺度、主机功率、导航设备、舵机性能）决定船舶操纵性，适航性；还有航道条件（风况、雾天能见度、水流状态）以及船舶航行密度的影响；在航道上有横跨桥梁时，更受桥梁建筑等因素的制约。

允许船舶穿过桥孔的通航条件，除了一般通航条件外，还需另加桥梁的条件（桥梁通航净空尺度、桥墩位置、水流变化、沿岸风力）才能保证航行安全，顺利通航，避免不幸的船舶撞击桥墩的航行事故发生。

船舶在航道上航行，一般是按航道中心呈蛇形航迹左右摆动前进，实船满载情况，船舶下沉量较大。

受水流流态、流向、流速左右较大；空载情况，干舷增高，则受风向、风速影响较大。

在海湾河口地区，水流除径流作用外，还受沿岸潮汐变化的影响。

因此船舶航行产生风流压偏角是正常的事，在航行中，船舶导航驾驶人员控制船舶航向必须将舵角控制在一个合理值的范围，保持船舶航行的的稳定性。

船舶在航道上航行，除了可能产生风流压偏角外，同时；桥梁桥墩建设时，桥墩中心线与水流流向也会产生夹角（应不大于标准所允许值），这两个角度的瞬时综合结果，组成了偏航船舶与桥墩瞬时撞击的撞击角度。

这是随机因素变化的夹角，也是有一定变化范围的，因为桥墩中心线与水流流向的夹角是较稳定的，船舶航行的风流压偏角对一定的航道平常也有一定数值，但在发生撞击事故时也可能有一些意外的变化。

.这两个角度相加时，对内河可分上水、下水，每种分左墩、右墩共4种情况；对港湾亦应按涨潮、退潮，左墩、右墩4种情况。

简化计算港湾4种情况的最大侧撞角时，可用绝对值相加,因为桥孔下面通过船舶是双向的,一向相减时另一向便相加。

用公式表示：θ侧撞角 = |α风流压偏角| + |β桥法线偏角|船舶在航道上航行的风流压偏角值究竟为多少度？通常有实船测定法、水池模拟试验法和流场推算法等。

在国内外有关航道、港务、航运专家经长期研究、观测、试验对主要航道的风流压偏角有了一个比较符合实际的认识，也编写进入了规范。

东海大桥用水池模拟试验法得出:船舶从长江口进入钱塘江的流偏角数值和可操纵性,可用以讨论船撞墩的侧撞角, 是这方面研究的进展.根据研究的桥，对以下各方面进行综合讨论：桥位、轴线与航线，桥墩（或桥塔）所处的河槽位置，风压方向与船撞桥的关系，流压、雾天、进出港航道宽度和上下游直线段讨论（桥位上下游各应有4倍船长的直段）------等. 有助于在设计中选定侧撞角.4．防护对象的增加表2列出近30年来国内外建设的一些桥梁的固定式防撞装置，所列13个防撞设施的共同点是只保护桥不保护船，船撞上桥墩前即被触礁或搁浅。

表2国内外桥梁使用的只保护桥的防撞设施举例表序桥名通航跨(m) 通航船舶防撞设施1 美·波士顿港托宾纪念桥213 40000t 墩外钢板桩围堰充沙2 美·珍珠城伊利诺伊河桥112 10000t 墩外钢板桩围堰充砼3 美·纽约港外交叉桥45000t 薄壳充沙围堰4 美·新泽西州贝兹罗斯桥72000t 薄壳充沙围堰5 法·诺曼地桥856 130000t 围堰6 广州洛溪大桥180 3000t 薄壳充沙围堰7 阿根廷·萨拉特-布拉索拉戈桥330 20000t 人工岛8 丹麦·大海带东桥1624 250000t 人工岛9 丹麦·奥兰松桥490 180000t 人工岛10 美·新悉尼莱尼欧桥381 人工岛11 美·德克萨斯州港城桥385 65000t 人工岛12 香港青马桥1377 人工岛13 香港汀九桥448+475 220000t 人工岛表3 国内外桥梁使用的也能保护船的桥墩防撞设施举例表序桥名通航跨(m) 通航船舶防撞设施1 湛江海湾大桥480 50000t 复合耗能防撞圈和钢围2 意·塔兰托桥152 15000t 浮筒网状铅垂和锚3 日·明石海峡石油平台2000t 浮筒钢缆吸能4 日·本州--四国公路桥~20000t 浮筒滑动锚吸能5 塔斯曼桥35000t 锚系尼龙浮缆吸能6 上海奉浦大桥85+125x3+85 3000t油船管形浮钢围7 湖北黄石长江公路桥245x3 5000t货船浮钢围8 广东崖门公路桥338 5000t货船浮钢围1995年作者提出防撞设施的要求[5、6、7]不但要保护桥，而且要保护船，最好防撞装置能够反复使用多次，多次吸能耗能后仍能防撞。

防撞装置与船相撞时要快速后退，并逐渐抵挡船而保护桥墩，这样桥、船和防撞装置三者都不坏。

发表后，业内人士都认为是防撞装置的理想要求，不易做到。

作者的研究组坚持研究10年，现在用的防撞元件已工业规模小批生产，并与构件组合通过分段实验。

正在湛江海湾大桥经过方案研究、初步设计和技术设计等阶段，进行施工设计中。

桥梁专业的行家们认为，防撞装置的全部目的在于防撞，它如果已经保护了桥和船那么自己牺牲了也达到目的了，因此保护自己这一目标可以有条件地让步，于是在技术会议上正式提出“小撞不坏，中撞、大撞可修”的放宽要求。

根据武汉长江一桥的记录统计，如将撞钢梁的两次除外，桥墩被大撞在50年来只发生一次。

因此，退一步讲，大撞时防撞装置损坏了，而保住桥和船，（或船也有些损坏）是可以接受的。