船桥碰撞研究综述

陆 凯，陈徐均，沈海鹏

（陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007）

引 言

近10 余年来的统计资料表明，世界范围内发生的船桥碰撞重大事故已有100 多起，事故数量连年居高不下，找到适合具体水域环境及满足通航要求的桥墩防撞方式是个重要课题，设计制造能够抵挡失控船只碰撞的效果良好、维护方便、成本低廉的桥墩防撞装置，对于保护桥梁和船舶安全、延长桥梁使用年限、减少国民人身及财产损失具有极其重要的意义。开展船桥碰撞研究，需要对船桥碰撞概率及风险评估、船桥碰撞计算方法和桥梁防撞技术等方面进行研究探讨，下面分别从上述三个方面的国内外研究展开讨论。

1 船桥碰撞概率及风险评估

船桥碰撞风险评估，即在事故发生前对其可能造成的损失进行评估，这些损失包括人员伤亡、船舶受损、桥梁坍塌和代价高昂的停机时间等，降低船桥碰撞事故发生概率有助于减少生命财产损失，因此船桥碰撞风险评估是个很有意义的课题。

为解决船桥碰撞概率问题，国内外学者通过整理船桥碰撞事故的统计资料，运用航道及航行管理等方面的专业知识，提出了一系列概率计算模型以计算具体情景下的船桥碰撞概率，其中较为经典的有AASHTO 规范、欧洲规范、Larsen 模型及KUNZ模型。

AASHTO 规范[1]是目前应用最为广泛的船桥碰撞概率计算模型，桥梁遭受撞击的年频率通过累乘船舶年通航量N、偏航概率PG和几何概率PA得到，如图1、图2 所示，几何概率由概率密度曲线积分求得，偏航概率（由A 区驶入B 区的概率）则来自于长期的事故统计或AASHTO 给出的经验公式，该模型的缺陷在于：规范默认船舶一旦驶入危险区域B 区后就发生事故，但实际上船舶进入B 区后会采取减速、调整航向等措施避免碰撞，不一定会发生事故。

图1 几何概率PG 计算模型

图2 船舶偏航示意

图3 欧洲规范船桥碰撞概率模型

欧洲规范[2]船桥碰撞概率模型如图3 所示，以航道中心线和沿航道中心线右手侧方向为x、y 轴建立坐标系，使得桥墩位于y 轴上，用非均匀泊松分布模拟船桥碰撞事件的发生概率，Q 点处曲线代表初始时刻船舶在y 轴上的分布情况。

Larsen 模型[3,4]从现象学角度出发，将船撞桥事故归结为如图4 所示的四类偏航情况：直线航行撞桥、交汇相互避让撞桥、转弯处未能改变航向撞桥和失控随机漂流撞击，几何概率计算方法则类似于AASHTO 规范。

图4 Larsen 模型船桥碰撞类型

KUNZ 模型[5]以船舶偏航角度Φ和停船距离x为随机变量，假设两个随机变量的概率密度均符合正态分布，对区间上二者的混合概率密度求积分得到船桥碰撞事件的发生概率，概率积分模型如图5所示，但模型面向的是单条航迹的船桥碰撞，未考虑船舶在横向上的航迹分布。

图5 KUNZ 船桥碰撞概率积分模型

针对这个问题，耿波等[6]基于KUNZ 模型对偏角分布、停船距离和航迹进行有序积分，即将单条航迹的船桥碰撞概率在横向分布上进行积分，并考虑不同水位下年碰撞频率的不同，得出总的年碰撞频率，其概率积分模型如图6 所示。

图6 三概率参数积分路径模型

碰撞概率和碰撞可能造成事故的严重程度共同构成了碰撞风险[7,8.9]，由于北海地区特殊的地理气候条件，无法通过架设高吸能支架来吸收全部船桥碰撞能，针对这个问题，Moan 等[10]根据挪威钢结构规范设计了一种高强度支架以便在发生碰撞事故时穿透船首，船只通过船首的变形和破坏消耗大量碰撞能，减小了桥梁坍塌风险；Yang 和Wang等[11]利用基于析取信念规则的专家系统评估桥梁风险，用动态参数优化模型和差分进化算法对专家系统进行训练，克服了连接信念规则带来的组合爆炸问题，确定桥梁结构的维修优先级以避免桥梁安全事故的发生。

2 船桥碰撞力计算方法

1975 年，Minorsky[12]将复杂的船舶碰撞问题分为动能损失和结构损伤两部分，分别根据动量守恒原理和完全非弹性碰撞原理求解碰撞后船舶速度及动能损失，采用抗阻系数表征船舶撞击的激烈程度，经过对多起碰撞事故中能量损失与阻抗系数的统计分析，拟合出了二者间的关系，得出了被广泛用于船船碰撞计算的Minorsky 理论。

1979 年，Woisin[13-15]进行了24 组船舶缩比模型实验，将原本应用于船舶间碰撞分析的Minorsky理论推广到船桥碰撞领域，考虑流体附加质量并引入船舶破损长度的概念，建立了船舶破损长度与撞击力间的关系模型，得到了著名的Woisin 公式，同时发现船舶的最大撞击力近似为平均撞击力的两倍，但由于该公式忽略了速度对撞击力的影响，Woisin 重新分析实验数据后对公式进行了改进。

1988 年，Heins 和Derucher 根据能量交换原理提出了Heins-Derucher 理论[16]，将船舶碰撞桥墩及防撞设施简化为一个弹簧质量系统，该理论可用于求解碰撞中桥墩或防撞装置撞击点处的最大位移、船舶最大撞击力、撞击过程持续时间等参数，在各类规范和防撞设施的初始设计中应用广泛。

2000 年，我国出版了铁路桥梁规范[17,18]，相较于国外规范，我国铁路和公路规范的船撞力计算值偏小，因此在规范中引入了动能折减系数η ，适当地选取η 有助于控制我国规范与其他规范计算值间的偏离程度，在缺少船桥的实时资料时，航道中桥梁墩台所受的船撞力就可按照规范取用。

上述分析方法主要从弹性系统能量、动量守恒出发，根据经验公式具体导出算法，利用基本力学原理对船桥碰撞过程进行准静态简化分析，未考虑冲击动力效应、偏心碰撞等影响，只能粗略地给出某个船桥撞击过程中撞击力的数值，有时甚至与实际情况大相径庭。而且，随着现代船舶制造业的不断发展，新型船舶的尺寸和结构类型与以往发生了重大变化，相关的设计标准需要进行修订，因而国内外学者、专家越来越多地采用数值模拟仿真方法来进行船舶碰撞力计算和损伤分析。

樊伟和袁万城[19]采用冲击谱分析方法研究桥梁结构在驳船碰撞下的动态响应，冲击谱源于对船桥间相互作用的分析，其值与数值模拟结果相一致，经动态放大因子修正后与特定事件的频谱值也吻合较好，相较于其他组合规则，线性叠加法对于模态响应的结合效果最佳，其结果与耦合船只影响分析的结果相一致，验证了该方法的合理性与可靠性。

Amdahl等[20,21]利用LS-DYNA模拟得出了近海管状构件分别受两种现代船舶撞击后的响应及损伤分布，船体结构模型采用非线性壳体单元，探寻管件长度、直径和壁厚对撞击凹陷的影响，以“过渡压痕比”控制不同管件的变形模式，有助于统一现有的横截面紧密度标准；研究成果可用于修订新版的船舶与海上结构碰撞的设计指南。

3 桥梁防撞技术研究

桥梁防撞技术分为主动防撞技术和被动防撞技术两类，前者指通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预，避免船撞桥事故发生，后者通过桥墩自身的加强或防护设施来抵抗船舶的撞击威胁，实际工程中通常同时采用这两种方式。

3.1 桥梁防撞技术分类

图7 防撞装置分类

20 世纪80 年代，日本学者岩井聪和庄司邦 昭[22]根据设置场所的不同，将防撞装置分为直接构造和间接构造两类，前者让船舶撞击力直接作用于桥墩，但会借助防撞设施进行一定程度的缓冲；后者将防撞设施设置在桥墩之外，利用防撞设施抵抗船舶冲击以防止船桥直接接触，缺点在于会对航道造成一定影响且工程造价较高，具体分类如图7 所示。

1991 年，国际桥梁和结构工程协会[4]将桥梁防撞结构分为防护板系统、支撑桩系统、系缆桩系统、人工岛或暗礁保护系统、浮动保护系统五类，王君杰等[23]则将防撞结构分为附着式、一体式及独立式三类；陈国虞等[24,25]根据各类设施的特点及适用场所对主、被动防撞结构进行了细致划分，划分后的防撞技术类别及各自特点描述如表1 所示。

表1 桥梁防撞技术分类

3.2 桥梁主动防撞技术

目前，主动防撞技术分为两种，一是采用辅助系统指导船舶驾驶员做出判断，系统依据的算法大多仅考虑船只间的碰撞而忽略了海岸线、桥梁等静态障碍物的影响；二是开发具备自主机动能力的避碰系统，系统能够同时考虑船只间以及船桥间的碰撞风险，碰撞规则就是为协调众多船只的避碰操作而制定的，多数海上碰撞是由违反碰撞规则引起的。交通拥挤、河道狭窄的港口有着较大的碰撞风险，针对这个问题，Blaich 等[26]考虑码头、桥梁和海岸线等静态障碍物、其他船只以及碰撞规则等因素，提出了一种完全自主的近距离避碰算法，通过雷达传感器的检测来计算800 m 范围内与其他船只或静态障碍物最近的会遇距离，并根据船舶的物理约束提供无碰撞路径。

综合桥梁系统（Integrated Bridge System， IBS）[27,28]是当今电子导航应用的热点，分为导航和自动化两大子系统，前者由雷达、控制系统、电子海图显示和信息系统、自动驾驶系统及相关传感器组成；后者由发动机控制系统、推进控制系统、舱底和压载控制系统、空气调节系统及报警监控系统组成，各部分相互独立提高了系统鲁棒性，即便IBS 系统发生局部故障也不影响其他功能的正常使用，综合船桥系统的组成结构如图8 所示。

图8 综合船桥系统示意

3.3 桥梁柔性防撞技术

按力学特点，被动防撞装置分为刚性防撞装置和柔性防撞装置，典型的刚性防撞装置有浮式钢套箱和混凝土套箱，其依靠自身和船舶“两撞俱损”的破坏性变形来吸收船舶撞击能量，桥墩易受到硬性撞击伤害，船桥碰撞力过大更会损坏燃油舱或液货仓舱壁，导致燃油或化学品泄露，造成船毁人亡、桥毁人亡、污染整个海洋环境等严重后果；现代船桥防护理念从“只注重保护桥墩”转变为“船桥和谐防撞”和“人性化保护”，显然柔性防撞装置更能符合时代发展的需求导向，下面就桥梁柔性防撞技术的研究现状进行分析。

陈国虞[29]设计了一种“三不坏”桥墩防撞装置，如图9 所示。撞击时船舶带动防撞装置产生较大的位移及很小的撞击力，后者在移动过程中还能带动船头转向，船舶带着大部分动能驶向别处而不与防撞装置进行能量交换，保护了装置从而能够反复使用。

图9 “三不坏”防撞装置俯视

弹性防撞元件受撞击后不消耗能量，回弹时对船舶造成损伤，弹塑性元件碰撞时耗能但自身无法恢复到撞前形状，造成高昂的维修成本。针对这个问题，陈国虞等[30]设计了一种由钢丝绳圈和橡胶复合而成的固态粘性防撞装置。整个防撞装置分为防撞圈、外钢围和内钢围三部分，该装置通过串并联使得多个防撞圈共同起作用，通过自身的大变形来大量消耗船舶动能，材料的本构关系类似于湿面团，这使得撞击力的升降都变得缓慢，能有效地保护船舶和桥墩，其本身能够自行恢复，可以多次使用，目前已运用于湛江海湾大桥的桥墩防护中。

针对西部山区河流具有航道窄、流速大、水位变幅大的特点，吴俊等[31]设计了如图10 所示的弧形水上升降式防撞装置用以在不同水位条件下保护桥梁，其设计过程如下：先利用ABAQUS 软件模拟最不利工况下的船桥撞击过程[32]以检验其防撞能力能否达到设计要求，再通过可靠性评价试 验[33]以验证其运行可靠度，最后结合数值模拟及模型试验的结果，分析防撞设施建成后对桥区河段河床演变、通航净空尺度、通航水流条件及船舶航行条件等可能造成的影响[34]，以完善防撞装置的各项参数。

图10 弧形水上升降式防撞装置示意

泡沫铝是在纯铝或者铝金属中加入添加剂后发泡而成的复合材料，兼具金属和气泡特征，发生碰撞时能够大量吸能，巫祖烈等[35]利用泡沫铝的吸能能力设计了一种桥墩柔性防撞装置以减小桥墩在碰撞过程中的振动加速度，通过开展不同厚度和结构形式下防撞装置的对比模型试验，得出了各组合形式下防撞装置的耐撞性和对桥墩的防护效果，分析撞击规律及其原因，得到了最优的厚度和结构型式。

纤维增强复合材料（ Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP）由纤维材料与水泥、陶瓷、橡胶、合成树脂等基体材料按特定比例混合而成，质轻高强耐腐蚀的优良特性使其广泛应用于桥墩防撞装置制造，黄花园大桥的桥墩防撞装置[36-40]就是FRP 材料的典型应用。该装置采用的是全新的结构型式、连接方式和耗能模式，具备“自定位、弱接触、高耗能”等结构功能以及强于钢浮箱的抵抗碰撞能力，能够通过能量吸收和动量缓冲大大减小船撞力。

Fang 等[41-43]提出一种大型复合保险杠系统以保护桥墩受船舶碰撞，系统由玻璃纤维增强聚合物外皮、玻璃纤维增强网格、聚氨酯泡沫芯和陶瓷颗粒四个模块组成，制造过程采用真空辅助树脂灌注工艺，具有安装方便、耐腐蚀性强、易于更换等优点，LS-DYNA 对该系统进行的性能评估表明：船桥碰撞的冲击时间明显延长，峰值碰撞力也降到了非破坏性水平，能量耗散效果较好。王硕和杨黎 明[44,45]将受撞击后的柔性防撞装置简化为冲击载荷作用下的六边形梁（如图11 所示），利用拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换求解控制方程以得到梁结构的动态响应，分析不同工况下的模拟结果，得到抗弯刚度对外套箱的动态响应和承受撞击力性能的影响，并考虑惯性力和防撞圈的黏性效应，求得外套箱的临界等效抗弯刚度。

图11 柔性抗船撞装置模型

4 结论与建议

船桥碰撞问题一直以来都是，未来也很有可能持续地成为工程领域的热点问题，通过对船桥碰撞概率及风险评估、船桥碰撞计算方法和桥梁防撞技术研究等三方面研究现状的分析与总结，发现目前关于桥梁防撞装置的设计主要集中于应力及能量变化等动力学分析，以理论推导和数值模拟为主，试验方法为辅，研究整体偏理论化。虽然关于新型防撞装置的研究得到了越来越多的关注并取得了一定的突破，但仍然难以得到普及，复合材料秉持“三不坏”防撞理念，在保护船舶的同时提升装置的整体防撞性能，又能节约成本，是桥梁防撞应用领域的新趋势，如果能够进一步强化关于新型防撞装置的试验研究，更直接地呈现碰撞对结构物造成的损伤，并以此为依据探讨防撞装置的防撞性能，该领域很有可能得到长足的发展。