船桥碰撞及桥梁防撞结构研究

船桥碰撞及桥梁防撞结构研究

吕耀斌

广东省西江航道事务中心，广东 肇庆 526020

摘要：船桥相撞的危害性已经人所共知。如何避免或减轻船舶与桥梁相撞的灾难性后果，是当前具有广泛意义的国际性课题，并日益引起各国学术界、工程界和管理部门的共同关注。就实际工作而言，不管是航道、桥梁或其他设计师，首先都需要进行广泛的国际性调研，科学地认识、分析和确定船桥撞击力，否则难以正确地防护桥梁，减免事故发生。本文主要讨论研究船、桥撞击界面处的总撞击力及布置在桥墩的桥梁防撞结构。

关键词：船桥碰撞；桥梁防撞结构；

随着我国运输事业的不断发展, 受船舶撞击而诱发的桥梁垮塌事件正在日益增多，这类事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失, 严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果, 重建桥梁和疏通航道的费用也十分惊人。因此, 开展船桥碰撞及桥梁防撞结构形式的研究, 对提高桥梁的耐撞性、加强桥梁防护及保障通航安全具有十分重要的意义。目前国内外理论研究、碰撞实例调查和模型实验的研究焦点主要集中在船舶撞击桥梁的概率、船舶的撞击动能、船舶对桥墩或防撞系统的撞击力及船舶与桥墩或防撞系统的能量吸收等方面。

一、影响船桥撞击力的主要因素

观察我国内河沿海的船舶类型，种类较多，这里选取带球鼻的尖头货船以4m/s航速正撞桥墩作为船撞桥研究代表模型。碰撞时程可根据碰撞力变化和船艏变形概述为以下四个阶段：第一阶段：上甲板碰撞阶段，船艏上甲板部分与桥墩首先接触，碰撞力缓慢增大；第二阶段：全截面碰撞阶段，随着船艏上甲板部分压溃深度逐渐增大，球艏部分开始与桥墩接触并参与碰撞，碰撞力继续增加，由于参与碰撞的船艏面积增大，相比于第一阶段，碰撞力增加地更快；第三阶段：塑性变形阶段，此刻船舶速度较小，船艏与桥墩接触面积不再增加，随着撞深增加，碰撞力维持在相对稳定水平；第四阶段：卸载阶段，船舶开始反向运动，船艏残余弹性变形恢复，在阶段末期船艏脱离桥墩。这四个阶段中，主要是第二阶段末期碰撞力最大，其桥墩宽度范围内的杆件全部参与碰撞，碰撞力在极短时间内即达到峰值，然后又迅速减小进入一个相对较长时间的平台期，最终碰撞力下降。由于尖头货船其具有前窄后宽的流线型船艏，在船艏与桥墩发生碰撞接触后，在桥墩宽度范围内船艏及其内部杆件是逐渐参与到碰撞中来，因此其碰撞力也是逐步的达到峰值，在碰撞后期，由于接触面积不再增加，没有新的杆件加入到碰撞过程中，因此会维持一段时间的塑性变形（第三阶段），直至船舶开始反向运动，通过以上分析，可以认为文中提到的船舶碰撞力不同的原因主要是由于其船艏几何形状以及内部构造不同造成的。从碰撞峰值力来比较，尖头货船最大碰撞力要明显大于平头或其他货船的碰撞力。船舶船艏不同的几何形状及内部构造，直接导致了船艏在碰撞过程中的刚度变化的不同。平头货船在碰撞初始时刻全截面参与碰撞，因此刚度也在初始时刻最大，在经历峰值过后，内部的屈曲失稳又导致刚度急剧降低，在碰撞力达到峰值之前，船艏杆件在逐渐参与接触的过程中不断的经历接触—弹性—屈曲—塑性状态，刚度的增加主要依赖于新参与碰撞仍处于弹性状态的杆件，船艏撞深在约0.89秒之后，刚度有一个明显地增大，主要也是由于下部球艏与桥墩接触，球艏部分的杆件对于刚度的贡献。由于船舶类型、船舶（含满载）吨位、航速等因素均可以影响到船撞破坏力，所以在设计桥梁或防撞设施初期，应考虑最恶劣因素情况下的船舶碰撞力为宜，进一步保障通航安全。

二、船桥碰撞及桥梁防撞结构

（一）桥梁防撞结构有多种形式，参考港珠澳大桥防撞，这里主要讨论能够充分利用原有桥梁应力的，并在桥墩上布置的柔性防撞浮箱设施模型。可以设想一下如下两种不同情况的物理图像：一条船分别撞击一个弹簧和一个图黏弹性元件。加载和卸载都呈现无延迟的瞬时响应，而且卸载后，弹簧吸收的能量没有耗损，会全部释放。但当撞击黏弹性元件时，特别是即使载荷开始卸降了，变形还会继续；并且由于在加载至卸载过程中有能量耗损，黏壶阻尼器所吸收的能量在卸载后只会释放一部分。人如果跟着船舶一起撞击这两种元件，在撞击弹簧元件时会有一种突发的冲击感，而在撞击黏壶阻尼器时则会有一种延迟的缓冲感。这种缓冲效应不仅有利于降低和缓冲船桥相撞开始时的撞击力，而且有利于缓冲船桥脱离撞击时的卸载载荷，以免船舶转头太快时有可能造成船尾对桥的二次撞击。由于黏弹性波的传播速度与弹性波相同，有助于防撞装置整体发挥耗能作用；而塑性波的传播速度比弹性波小一个量级，容易形成高度局域化的塑性变形区，不利于发挥防撞装置的整体耗能作用。当然，由于黏弹性波传播的应变率相关性，黏性耗能防撞装置的设计远比无黏性防撞装置复杂得多。因此，如果防撞装置的等效松弛时间选择得不适当，甚至于可能在某些情况下，设计者会在数值计算中发现黏性耗能不大，黏性缓冲效应不明显。这时就要调整防撞装置的等效松弛时间。如何调整和制造出具有不同松弛特性的防撞装置，是今后需要进一步研究解决的课题。综合以上分析可知，船撞桥防护装置的设计应该建立在低波阻抗意义上的冲击柔性和缓冲撞击过程意义上的黏性耗能的设计理念上，一方面可以降低船撞力，另一方面由于黏性耗能机制可以缓冲撞击过程、延长撞击历时，有助于防撞装置发挥整体作用，并为船舶在低应力下转向滑离创造条件，从而带走尽可能多的剩余动能，达到既保护桥又保护船、并尽可能使防护装置能够反复使用的目的。其中可使用钢丝绳防撞圈为主要元件的柔性耗能防撞装置，这一种防撞装置应用的可证实上述理论的实践效果，参考有关报告的实船撞击试验，也证实了这一防撞理念的有效性。

（二）在船桥撞击的能量交换过程中，其能量交换的形式和多少、以及参与能量转换的质量的多少，都随波传播过程而变化发展。撞击力所做的功，通过应力波传播而转化为内能（变形能）与动能之和，其可逆部分的能量形式视反射边界条件的不同可相互转换；而变形能中的不可逆部分愈高，防撞装置发挥的整体作用愈大，则愈有利于防撞装置发挥缓冲耗能作用。在船桥相撞过程中如何让船舶尽可能早地滑离防撞装置，带走尽可能多的剩余动能，从而尽可能地减少撞击能量交换，应是防撞装置设计的关键性要点。兼备柔性和黏性耗能特性的防护装置，一方面可以降低船撞力，另一方面黏性耗能机制可以缓冲撞击过程和延长撞击历时。这既有助于让防撞装置发挥整体作用，达到整体发挥吸能、耗能作用，并把较强的撞击集中力转化为较弱的分布载荷；又为船舶在低应力下转向滑离创造条件，从而带走尽可能多的剩余动能，达到既保护桥又保护船、并尽可能使防护装置能够反复使用的目的。在碰撞过程中, 防撞结构各构件的变形模态由皱褶、拉伸、撕裂等情况组成。其中甲板和舱壁在碰撞初期便开始发生皱褶, 当撞深达到一定深度时, 舱壁和防撞结构的水平甲板的中前部分发生撕裂失效现象。防撞结构的塑性大变形是区域性的, 碰撞初期主要发生在防撞结构的外围。到计算结束阶段, 随着撞深的加大, 防撞结构内侧部分发生大的塑性变形及构件的破坏。

碰撞过程中碰撞能量主要被防撞结构和撞击船的变形能的形式吸收。防撞结构各个构件的吸能情况中, 甲板吸收的能量最多, 横纵舱壁其次,而外板吸收的能量最少。由于防撞结构外围的变形位移最大,因此适当提高防撞结构前部的刚度, 可以提高防撞结构外围吸能效率。在当前的防撞设施中，使用钢复合材料的防撞设施较为符合当前的防撞理念，可推广应用。

参考文献：

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