桥梁撞击问题2019年度研究进展

刘占辉，呼瑞杰，姚昌荣，李永乐，李亚东

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

桥梁是“跨越障碍的通道”。桥梁的建设与人类社会发展息息相关，从“横木为梁”、“结藤成索”、“垒石为拱”3种古代基本桥式的诞生，逐渐发展演变到现代桥梁的造型多样、超长大跨，其跨越对象为大江大河、深沟峡谷、海峡滩涂、既有线路等，对应的就有跨河桥、跨谷桥、跨海桥、跨线桥等。据中国2019年桥博会公布数据显示，在长江干流上已建成的各类长江大桥就达115座。这些桥梁构成了当地交通系统的关键环节，并进一步推动着社会和经济的发展。

对于跨河桥、跨海桥，一般有通航的要求。无论是大跨缆索承重桥梁的桥塔结构还是梁桥、拱桥等的墩台对河流和海洋环境都有一定程度的影响，同时，通航船只和漂流物对桥梁的撞击作用也是跨河、跨海桥面临的一大威胁。而山区修建的跨谷桥与平原和浅丘地区的桥梁相比，通常具有“两高一大”(桥面高、桥墩高，桥梁跨径大)的显著特征[1]。跨谷桥梁施工和运营阶段都有可能会面临地震、崩塌滚石、泥石流、滑坡等多种灾害的侵扰，其造成破坏的事故并不少见，崩塌落石、泥石流等对桥梁的撞击问题值得重视。跨线桥遭受汽车撞击的事故时有发生，损失一般不大；跨铁路线桥梁如若列车脱轨，其撞击后果不堪设想。

桥梁撞击问题是既有和在建桥梁工程长期面临的问题；大跨桥梁等复杂结构的灾变和防控问题也被列入了2006年国务院颁布的《2006—2020年国家中长期科学和技术发展纲要规划》中。2019年国家自然科学基金在“桥梁撞击与防护方面”批准资助的项目有4项，2019年仍在执行期的有7项。桥梁撞击及防治是国家发展需求，也是近年来的研究热点。

2020年作为“十三五”科技创新规划的收官之年，也是面向“十四五”部署科技重点任务的关键之年。“明镜所以照形，古事所以知今”，笔者主要回顾了2019年桥梁撞击事件及科学研究现状，对目前分析热点进行归纳总结，展望撞击灾变和防控的研究趋势。

1 桥梁船撞事故及船桥碰撞研究进展

跨越水上航线的桥梁结构(如跨河桥、跨海桥等)船撞事故频发，其导致的桥梁损伤、倒塌危害巨大；船撞风险在桥梁结构规划、设计以及运营全寿命过程中不可忽视。1980年，美国阳光大桥船撞事故之后，桥梁界开始对船撞问题高度重视。美国交通部门统计数字显示：大型桥梁通航运营期间，约1/10会因船撞而垮塌，如不加以重视，甚至会达到50%以上[2]。在中国，船撞桥事故也频繁发生。仅以武汉长江大桥、南京长江大桥和重庆白沙沱长江大桥这3座桥为例，自建成以来，桥梁船撞事故就分别发生了70起、30起和100起以上。据不完全统计，仅发生在中国长江、珠江、黑龙江三大水系干流上的船撞桥事件就达到300起以上[3]。2019年发生了多起桥梁船撞事故：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；4月6日，巴西帕拉州首府贝伦一座横跨莫茹河(Moju)的桥梁遭货船撞击坍塌；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；7月10日，中国湖南衡阳衡东县洋塘河坝水电站桥被3艘失控货船轮番撞击；7月16日，中国广西贵港平南大桥拱肋被“粤云138”砂石船撞击，船舶驾驶台与大桥桥拱碰撞，破损严重。在桥梁的非通航孔跨，由于船舶操作失误也会有发生船撞事故的风险。如2008年3月27日，货船撞上在建的金塘大桥非通航孔桥箱梁，被撞落后压在肇事货船的驾驶台上。另外，随着民用航空器使用越来越普遍，偶尔也有飞机撞桥事件发生，如2016年7月20日，幸福通用航空一水上B-10FW飞机在由上海金山—舟山航线起飞过程中撞上大桥发生事故。

桥梁船撞规范或标准目前有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《防撞保护系统设计规范》。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Eurocode 1.2.7分册。中国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D 60—2015)和《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—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/T 50-106—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。

(1)

式中：F(z)为水位概率密度。其他符号具体含义参见文献[4]，此处不再赘述。

Song等[5]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表达式修正的半正弦波函数来捕捉冲击力时程的上述特征，函数的形式为

(0≤t≤T)

(2)

该模型的有效性在两个桥梁模型的案例分析中得到了验证。宋彦臣等[6]还以一座连续梁桥为例进行了接触碰撞反应与撞击力时程反应分析，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大小。

桥梁下部结构(包括桥墩和桥塔)应有足够的防撞能力，这方面引起了足够的重视，但上部结构的撞击却往往被忽略。Sha等[12]建立了船艏结构和桥梁的高保真有限元模型，研究了船艏冲击作用下桥主梁的结构响应；并提出了一种简单而有效的加固方法——“双层横隔梁端部”，有效地提高了钢主梁的横向抗冲击性能，并很好地控制了成本和施工工作量的增加。

桥梁船撞风险评估方面：罗嘉敏等[13]调查广深高速公路某次船撞桥梁上部结构事故原因时，结合人工接触式检查结果，确定损伤实际状况，之后采用静载试验实测车辆荷载下的结果，总结梁体变形、关键截面应变和主梁裂缝等指标的分布规律，评估船舶撞击的影响，然后提出维修建议。李志荣等[14]从分析危险源与船撞桥事故的关系出发，提出人、船、桥、环境、管理等5类船撞桥危险源；结合DPSIR模型中各指标间的制约关系，从驱动力、压力、状态、影响、响应等5方面筛选出12个评价指标，建立船撞桥风险评价指标体系，并对其进行风险评价。刘静文[15]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。

Chen等[16]从海事安全管理的宏观角度，对船舶碰撞事故定量风险分析进行了系统回顾和分析，探究了主要利益相关者及其在风险分析中的偏好，并对藤井和Shiobara(1971年)及Macduff(1974年)提出的框架下的风险分析方法进行了研究。在因果概率分析中，统计分析、故障树分析和贝叶斯网络模型被选为主要的方法类别。

陈琼等[18]提出的智能化桥梁管理系统主要包含3个方面：主动安全防护系统、复合防撞及报警系统、可追溯式监控系统，通过主被动结合的方式可实现对船撞桥事故的全方位、多角度管控，为桥梁防撞提供了有益的思路。

在桥梁防船撞设施方面：船舶撞击是航道桥墩的潜在危险。为避免船舶与桥墩直接接触，目前，桥梁设计中广泛采用不同类型的防护结构，以防船舶撞击。马志敏等[19]基于ANSYS软件分析了某大桥钢管防撞墩结构的15个不同撞击点在船撞工况荷载作用下的应力分布情况，并提出了新的防撞墩结构。其通过减小系杆跨度、增加节点刚度和撞击点系杆数量等方式改进防撞墩性能的措施值得借鉴。王纪锋等[20]以京港澳高速沙河大桥某两个桥墩进行防撞能力评估，并针对500 t级船舶撞击下桥墩自身抗撞能力不足的问题，添加了自浮式钢覆复合材料防撞设施，船舶撞击力削减了26%，基本满足桥梁设防要求。Wang等[21]采用有限元模拟方法，对广东湛江海湾大桥采用的柔性浮式防撞装置进行了有效性评价。

图1 速度为1 m/s时正面碰撞冲击力时程 [22]Fig.1 The time history of the impact forces for head-on collision with a velocity of 1 m/s[22]

陈国虞等[25]在柔性耗能防撞装置的选型、研发及相关试验技术上取得了明显的进步并已应用到能通行5万t级船舶的湛江海湾大桥、象山港跨海大桥等实际工程中。

船舶撞击桥梁上部结构是船撞桥梁事故的种类之一。在上部结构防撞限高架的设计、施工和选型方面，徐光中[26]对川槎大桥通航孔水上防撞限高架进行了刚性和柔性方案比选、设计及施工方法介绍，属于中国首例水上钢结构限高防撞工程。郑宏鸿[27]结合实际工程案例，总结了防止超高船舶撞击桥梁上部结构的“软措施”，并对上部结构设置的“钢桁架”和“固定拉索”这两种水上限高架进行受力分析和计算，给出了其适用范围。林光峰[28]以对某连续箱梁桥上部结构被船舶撞击事故调查为出发点，提出3种防船撞技术措施并进行了比选，确定了具体的对策。这些分析计算均可为桥梁工程上部结构防撞提供经验和参考。

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[29]。

2 崩塌落石对桥梁的撞击

位于山区的桥梁易受落石碰撞的影响，这可能危及这些桥梁上的高速列车或汽车的行驶安全。何思明等[30]为了减轻落石对桥梁的危害，研制了一种新型的柔性、耗能的桥墩防撞装置。在冲击过程中考虑了材料非线性、几何非线性和接触非线性等影响，数值模拟结果表明，该防护结构能有效缓冲落石冲击，显著提高桥墩抗冲击能力。张迅等[31]利用有限元程序LS-DYNA对落石与桥墩碰撞进行了数值模拟，研究了落石速度、落石直径、落石位置和列车速度对冲击力、墩顶位移和列车运行安全指标的影响。樊伟等[32]开展了UHPC墩柱和普通钢筋混凝土墩柱的落锤冲击试验，并在此基础上，建立一种简化分析方法，用于分析受压墩柱的冲击响应和破坏形态。成永刚[33]在公众号文章中对崩塌落石常用防治技术的主要特点和适用范围进行了简要汇总，还根据崩塌机制分析，对川藏高速公路陡崖坡脚特大桥提出了具体防治措施[34]。

通常情况下，桥隧相接地段桥面危岩落石防护有刚性和柔性的明洞、棚洞等。唐建辉等[35-36]以大跨度拱形明洞为研究对象，基于ANSYS/LS-DYNA软件分析了落石质量、冲击速度和回填土厚度等对拱形明洞的冲击影响，提出了计算落石冲击力、冲击压应力的方法，并做了模型试验来探明其作用力传递机理。王玉锁等[37]提出了落石冲击下有回填土拱形明洞结构方面的概率可靠度设计方法，并授权申请了发明专利。柏雪松[38]对现有落石冲击力计算公式进行总结，对比分析各个公式之间的异同；系统地分析了落石质量、下落高度、冲击角度以及形状对冲击效应的影响；进一步探讨了垫层厚度、材料对棚洞抗冲击性能的影响。

图2 7 000 kJ能级足尺冲击试验Fig.2 Full scale impact test of 7 000 kJ energy level

以往针对落石冲击的研究主要包括崩塌落石运动特性、落石运动路径计算与威胁区域预测(包括对桥墩的冲击破坏以及对行车安全性的影响等)、落石冲击特性与冲击力计算表达式、崩塌落石灾害风险评估与防治决策、崩塌落石灾害的工程防治措施、崩塌落石灾害防治工程监测与维护等方面，篇幅有限，不再赘述。在艰险山区的高速铁路或公路的修建过程中，如在以上几方面结合具体桥梁工程实例开展系统崩塌落石影响研究，将会为山区重大桥梁(如川藏公路、铁路等)的设计与施工提供重要依据。

3 车辆对桥梁的撞击

因城市快速扩张、城市交通迅猛发展、立交跨线桥梁增多，汽车撞击问题突出。按车辆高度划分，可分为超高车辆撞击和非超高车辆撞击。非超高车辆的撞击部位大多是桥墩，如2019年5月15日，104国道东郭段上跨甬金高速一辆集装箱车撞击到桥墩，导致东郭立交桥立柱、防震挡块多处开裂，见图3。超高车辆的撞击部位大多是梁跨结构，撞击导致其垮塌或局部破损。如2019年5月7日，在德国汉诺威，一辆装载有挖掘机的平板挂车撞伤了A352公路的一座跨线桥，造成了约30万欧元损失。2019年5月18日，一辆大货车因载物超高，碰撞杭州市庆春东路口钢结构人行过街天桥，导致其东南侧垮塌。2019年7月28日，四川绵阳二环路八角人行天桥被超高货车撞击，造成梁体破损、位移，桥面铺装破裂、墩台基础裂缝等病害。

图3 东郭立交桥车撞事故(百度图片)Fig.3 Collision accident of Dongguo overpass

目前，针对车辆撞击桥墩和桥跨结构的研究也不少。陈林等[47]基于LS-DYNA软件对车辆与典型钢筋混凝土桥墩的碰撞进行了非线性有限元模拟，重点考察了不同边界条件和箍筋直径的桥墩在车辆撞击作用下的动力响应及损伤特征，特别是钢筋混凝土桥墩的典型破坏形态。

Do等[48]建立了中型货车与大型挂车碰撞下全桥立柱的有限元模型，探讨钢筋混凝土桥柱在车辆碰撞下的冲击行为；分析了3种不同荷载条件下柱参数对冲击力时程和柱响应的影响，并基于对前人研究的理解和中型卡车数值分析结果，将卡车撞击RCB柱的冲击力时程理想化为4个阶段，如图4 所示。此外，根据冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的剪切机理，还确定了车辆碰撞作用于柱的最大冲击力；将RCB柱的响应和失效分为弯曲响应和剪切响应两类，定义了柱的最大动剪承载力，为工程人员预测RCB柱的冲击性能提供了指导。

图4 中型货车冲击力时程的简化模型[48]Fig.4 A simplified model of the impact force time histories from the medium truck [48]

Saini等[49]调查了钢管混凝土(CFST)桥墩在车辆碰撞下的结构响应，对存在较高车辆碰撞风险情况下使用钢管混凝土桥墩代替常规钢筋混凝土桥墩的可行性进行研究。Fan等[50]通过圆形钢筋混凝土柱的冲击试验，提出一种基于碰撞后状态(变形和损坏模式)的评估方法，并证明了该方法能够预测碰撞后的残余轴向承载力，并通过参数研究结果推导了经验公式来估算残余强度。

针对现行的AASHTO、CEN等设计标准将车辆碰撞所产生的冲击力简化为等效静态力的方式存在的缺陷，Do等[51]采用解析研究与数值模拟相结合的方法，探讨了钢筋混凝土桥柱在车辆碰撞下的动态特性。

Chen等[52]采用替代撞击器来模拟卡车对桥梁的碰撞试验，一项测试对墩造成了中度损伤，一项造成了轻度损伤，试验测试与模拟数值结果较吻合。作者还强调了制定针对卡车与撞车事故基于性能的设计准则的必要性。Auyeung等[53]提出一种基于桥梁的结构特点和碰撞车辆动能的新的损伤率指标(DRI)，它可以用来定义车辆撞击桥墩时的预期损伤。作者在桥梁车撞研究中引入了基于性能的设计理念，允许设计者或桥梁所有者根据不同的参数选择目标性能水平。

结构设计应考虑多种极限状态函数，以保证结构的性能水平。在AASHTO LRFD设计规范中，考虑了4种极限状态，包括强度、使用、疲劳和极端事件。极端事件极限状态下有地震组合和车辆碰撞组合。由于AASHTO LRFD桥梁设计规范的本质建立在可靠性分析基础上，因此，有必要对此类极端事件进行可靠性分析。Hosseini等[54]确定了一种车辆碰撞下桥墩基于性能的设计方法。相应地，桥墩的性能水平根据车辆碰撞时桥墩的损坏状态进行分类。

钢筋混凝土梁柱的冲击特性通常采用三维实体单元的有限元模型来模拟。然而，该方法通常需要大量的时间和精力来模拟混凝土和钢筋，并且要进行非线性接触冲击分析。樊伟等[55]提出了一种有效的低速度冲击荷载作用下钢筋混凝土梁柱弯曲和剪切性能的模拟方法；提出了一种基于宏单元的接触模型，用以捕捉碰撞物体与钢筋混凝土构件之间的相互作用行为。只要有传统的光纤截面单元和离散宏单元，该方法就可以在任何有限元软件中实现，而无需编码。这一特性在评估桥梁结构在船舶和车辆碰撞下的响应和易损性的时候具有很大优势。樊伟等[56]还开发了一种由超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)面板和波纹钢管作为能量吸收构件的新型防护结构，并提出了一种多目标优化设计程序，以在车辆碰撞时找到拟保护结构的最佳配置。此外，Fan等[57]还开发了基于超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)的增强方法，该方法的数值和试验结果均表明UHPFRC强化技术可为提高RC柱的抗冲击性能提供替代解决方案。

城市中，超高车辆在桥下由于净空不够造成的冲击损坏较为频繁。Mi-kiewicz等[58]基于详细的物体损坏评估、3D激光扫描和数值模拟，分析了某具体车撞桥事件，提出了诊断梁体内部损伤并评估修复的方法。陆新征等[59]以广西某高速公路连续T梁桥为研究背景，针对超高车辆撞击和地震作用两种工况下容易发生的难于修复的落梁破坏和桥墩塑性破坏，提出了功能可恢复连续梁桥体系。杨树志[60]以金汇斜拉桥为背景，对斜拉桥运营风险进行了评估，考虑了车辆撞击的影响。但风险评估结果的精确度、可信度仍有待提高。

4 近场动力学思想概述

近场动力学(Peridynamics，简称PD)是一种非局部作用理论，其核心思想就是将连续体之间的相互作用转变为非局部作用，将临界伸长率作为强度破坏准则，能成功模拟材料的损伤形成及演化过程。目前，很多研究者已经做了相关理论和工程研究工作，研究具体涉及冲击、爆炸、疲劳、热力耦合、电化学、破冰等问题；针对的具体材料包含金属、混凝土、复合材料、功能梯度材料等。郭居上[62]重点研究了格子模型PD理论，对不同格子优缺点进行了评估，并将其推向常规态型的格子模型中，成功模拟了金属材料和复合材料的失效问题。沈峰等[63]对混凝土材料进行冲击模拟，研究在一定冲击速度下混凝土结构的损伤演化问题。

作为新兴的非局部连续力学理论体系，近场动力学(PD)理论用空间积分方程代替偏微分方程，用以描述物质的受力情况，从而避免了传统连续力学中的微分计算在遇到不连续问题时的奇异性，并且兼有分子动力学方法和无网格方法的特点，特别适用于模拟材料自发的断裂过程。然而，因为近场动力学的数学理论内容丰富且与传统理论差别较大，目前的相关文献又以英文表述为主，在桥梁撞击研究中尚未得到重视。笔者结合郭居上等[62]在复合材料研究中的一些成果和沈峰等[63]的最新论文，认为在桥梁在船舶、落石、车辆等撞击作用下桥墩、防撞结构以及桥梁主梁等混凝土、钢材或复合材料构件的撞击问题分析中引入近场动力学思想，利用PD模拟裂纹自发萌生和扩展等非连续问题[64]，将有助于加深对碰撞本质的认识；也将为桥梁撞击问题分析突破传统思维瓶颈提供新的突破口。

5 结论

对桥梁撞击问题2019年研究文献进行总结、分类，并根据个人理解详细检视了其中几项研究的相关成果。通过对桥梁遭受船撞、落石冲击、车辆撞击等方面的近期研究成果进行分析，认为以下几方面的研究在未来的工作中需要进一步考虑：

1)已有研究成果的拓展方面：① 在单个影响因素的研究基础上，对两个或两个以上因素组合作用的桥梁撞击研究理论，值得进一步探索。如地震同时伴随崩塌落石、泥石流等对跨谷桥梁撞击作用的耦合效应；考虑水流作用的船桥碰撞数值模拟和试验研究；地震、强风、波浪和船撞等极端情况同时出现时，跨海桥梁结构响应研究及安全性评估。② 在桥梁撞击事故中人为因素和组织因素引起的因果概率分析方面，仍然缺乏数据和具有不确定性。为了得到可靠的结果，需要进一步发展考虑不确定性的概率推理方法。③ 基于有限元建模的桥梁撞击分析计算量庞大，较高计算精度和计算效率的简化计算模型或分析方法的提出，将对深入认识桥梁碰撞影响规律有很大帮助。

2)新材料的应用方面：高强轻质材料或者新型材料的更多应用是中国桥梁工程的发展方向，如泡沫铝、UHPC、UHPFRC等应用于桥梁防撞及桥梁加固方面的研究已经开始，该方面的系统研究需要进一步加强。

4)新理论、新方法的发展方面：①基于性能的桥梁防撞设计理论研究将得到发展。基于性能的设计理念，是允许设计者或桥梁所有者根据结构物的重要性和用途选择目标性能水平，由不同的性能目标提出相应的设防标准，以使结构具有预期功能。该思想是21世纪世界各国抗震理论的发展方向，应用于桥梁撞击问题研究将推动相关理论的发展。② 依据模拟材料的损伤形成及演化过程的已有PD成果，在桥梁撞击问题研究中引入近场动力学思想，将有助于加深对碰撞本质的认识；也将为桥梁撞击问题分析突破传统思维瓶颈提供新的路径。③ 船舶桥梁碰撞评估新方法在智能桥梁防撞管理系统中的应用研究。如基于模糊逻辑的船桥碰撞预警方法的发展，在考虑各种危险源的前提下，还应考虑船舶碰撞，从而建立综合的船撞桥风险评价指标体系，以协助保证桥梁航道区域的综合海事安全。

综上所述，在未来研究中，应重点考虑主被动结合来实现桥梁全方位、多角度防撞智能管控，保障桥梁运营安全；同时，应结合新的理念和分析方法深入认识桥梁撞击问题发生和损伤演化机理，推动桥梁防撞相关理论的发展。