关于桥梁防撞研究的思考

关于桥梁防撞研究的思考

0船-桥撞击及桥梁防护研究进展随着经济和交通运输的发展，客运量不断增加，受船舶影响的桥梁坍塌事件频发。统计资料表明,最近几十年来,世界上发生的船舶撞毁桥墩的重大事故就超过百余起。这类事件往往造成桥梁倒塌、船舶沉没、人员伤亡和水陆运输干线长期中断的严重后果,经济损失巨大。因此,船-桥碰撞及桥梁的防撞研究已成为具有广泛意义的国际性课题,日益引起各国政府、学者、工程界的关注。多年来,国际、国内发展了许多经验公式和简化数值方法来预报船撞力,而随着动态非线性有限元技术和计算机技术的发展,采用有限元数值模拟方法对确定船舶撞击力大小及损伤变形形式,以及研究安装防撞设施后的防撞效果有了一个更准确、直观的分析和描述。文中概述了船-桥碰撞问题的一般研究方法,简述了船-桥碰撞力学计算方法和船撞桥风险分析方法,同时针对上海长江大桥工程,利用非线性有限元方法对主通航孔桥桥墩的船舶撞击和防撞设计问题进行了模拟研究。1船舶街边风机建设在航道上的桥梁,如果有桥墩位于水中且水深满足船舶吃水要求,就需要研究水中桥墩的船舶防撞问题。一般的桥梁防撞研究涉及2个方面的问题:船撞力标准研究和防撞设计。1.1对船撞力标准的研究一般来讲,在桥梁的工可设计阶段,就需要确定防撞力设计标准,桥墩防撞力设计标准的确定包括以下研究工作。1文明条2:桥墩下的通航速度·桥址水域通航船舶的吨位及频率、通航船型的历史、现状及预测、船舶通航密度、装载情况;·不同吨位、吨级船舶过桥时的航速,包括上、下水航速;防撞计算中撞击速度的选取以及其合理性评价;·通航船舶主要参数;·水文资料、防撞水位、水流速度;·航道条件、航道等级、航道现状、航道规划;·桥址处的水流流速、流向、风速、风向、波浪统计参数;·桥址周围的港口、码头、渡口位置、船舶密度、吨位信息;·桥区水域有关航行管理规定及相关信息等。2船舶撞击计算依据调研和论证结果所确定的防撞代表船型、防撞速度、防撞水位、桥梁设计等参数,运用船舶碰撞动力学理论,选取适合的1种或者几种船-桥碰撞计算方法,计算不同桥墩的船舶撞击力。3船舶撞击桥梁风险评估依据通航代表船型的主要尺度、流量密度、航道特征、桥位水文特征参数、桥梁几何参数、航道规划及船舶事故统计等参数,采用船桥碰撞概率风险分析方法,建立船舶撞击桥墩的概率模型,进行船舶撞击桥梁风险评估。依据桥墩的重要性确定桥墩撞损频率可接受准则,结合船舶撞击力确定出各桥墩防撞力设计标准。1.2材料的事故击穿桥梁的防撞措施一般可分为2种方式:主动防撞和被动防撞。主动防撞是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。文中的防撞方案设计属于被动防撞方式,即通过桥墩自身的加强或防护设施来抵抗船舶的撞击威胁。在实际工程中,通常2种方式同时被采用。桥墩防撞方案设计,主要依据桥墩基础方案,综合考虑桥墩自身的抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素,对需要防撞的桥墩进行防撞方案设计研究,在满足防撞要求的同时应尽量降低防撞工程造价。2计算方法包括船舶和桥梁之间的碰撞力学关于船-桥碰撞问题目前主要有以下几种比较典型的计算方法。2.1船-船碰撞的基本分析Minorsky船-船碰撞理论自1975年公开发表后,已为众多的实验证实,由此奠定了船-船碰撞的分析基础,并推广应用于船-桥碰撞,为国际桥梁工程界和各国学者公认。Minorsky的研究工作主要是将船-船碰撞问题分为2个相互独立的部分,即动能损失和结构损伤,并用统计分析方法将它们联系在一起。2.2公路桥梁预防船舶撞击的措施由汉斯和德鲁彻教授根据CG-71955-A合同研究提出,主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击。该理论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统的数学模型,计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞击力、撞击过程的持续时间。2.3船-桥碰撞的模拟计算数值解法产生于船-船碰撞理论,引伸到船-桥碰撞计算。数值方法中较有代表性的是Petersen方法和它的扩展计算方法。前者提出的计算方法可以模拟碰撞中船舶的水平运动,归结为两维问题。后者将该问题扩展为三维情况,考虑了碰撞中船舶6个自由度运动。在该方法中流体动力用切片法计算,碰撞力则假设为贯入量的非线性函数,通过6根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理。当设定被撞船具有极大质量和刚度时,就成为船-桥碰撞的模拟计算。该方法考虑实际撞击区域船舶、桥墩结构形式和周围水动力作用,结果更符合实际情况。2.4模型损伤理论公式简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型,导出这些简化模型损伤的理论公式,分别计算出每一种简化模型的损伤力和变形能,最后合成总的船舶结构碰撞损伤力和能量。例如GeWang等和DTU的DEXTRA程序等。简化解析法是一种非耦合的方法。2.5测定曲线的分析通过碰撞模型实验,直接测量船-桥碰撞中碰撞力、变形能随撞深的变化曲线。但由于实验方法耗费昂贵,一般难以实施。有关资料表明,从20世纪60年代初开始,日本、德国等国的学者相继完成了少量的船-船碰撞试验,而船-桥碰撞试验的资料还未见报道。2.6接触算法中的接触力有限元法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用,在计算象船舶这样具有复杂结构形式的结构受力变形时,更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。但该方法建模工作量大,计算耗时。在有限元方法中,相撞结构(或构件)之间的相互作用通过接触算法来完成。在可能发生接触作用的结构之间定义主从接触面,分别定义在2个不同的结构(或构件)上(见图1)。在求解的每一个时间步,检查从属节点是否已经穿透主面,如果还没有穿透,则计算工作继续进行;否则在垂直于主面的方向上施加一作用力以阻止从属节点的进一步穿透,这个作用力就是接触力。接触力的大小取决于穿透量和接触面两侧的单元特性。计算中碰撞力的输出是通过定义船-桥之间的接触面,以接触力的形式给出的。3船桥坍塌风险的概率分析3.1考虑桥梁振动的风险分析风险分析中,风险接受准则表示在规定的时间内或系统的某一行为阶段内可接受的风险等级,它直接为风险分析以及制定减小风险的措施提供参考依据,因此在进行风险分析时应是预先给定的。桥梁通常采用年撞损频率作为风险接受准则。根据AASHTO规范,桥墩受撞后的破坏概率PC是指船撞力大于桥墩抗撞能力引起桥墩破坏的概率,由船舶撞击力与桥墩防撞力确定。当桥梁构件强度大于船撞力时,PC=0;当桥梁构件强度介于船撞力的10%与100%之间时,PC在0与0.1之间线性变化;当桥梁构件强度小于船撞力的10%时,PC在0.1与1之间线性变化。3.2几何概率模型研究船撞桥的概率问题主要有3种基本方法:第1种是统计分析法;第2种是模型试验或实船试验;第3种是数学模型加实际校验,几何概率的正态分布模型以及漂流船舶的均匀分布等模型的提出都属此列,这些模型也一直在根据各地不同项目的实际进行不断地验证,不断地修正。几种应用比较广泛的船撞桥概率模型是IABSE模型(拉森模型)、AASHTO模型、欧洲规范模型和德国昆兹模型。3.3事故原因分析船撞桥事故的原因经分析可归结为三大类:第1类是人员失误,如疏忽、操纵失误、生病等;第2类是恶劣的自然环境,如坏天气、大洪水等;第3类是机械故障,如主机失灵、舵机失灵、船队断缆等。人员失误是最主要的事故原因,其次是恶劣的自然环境,再次是机械故障。有资料表明:3种原因之比大约为25∶4∶1。根据统计分析,与碰撞事故发生有关的因素有:洪水期可以认为洪水期船撞桥事故的概率可达普通时段的2~3倍;时段中午时段交通流量较大,是事故的高发时段,另一个事故高发时段是21:00前后,并且夜间的船撞桥事故发生率要高于白天;船型船队更易发生撞桥事故;航向下水航行船舶撞桥事故数量较多,大约是上水航行船舶事故数量的2.2倍。4桥梁因子分析对于有被船舶撞击威胁的每一座桥梁,都需要进行船舶撞击力标准和防撞方案的专题研究。通过专题研究,确定船舶撞击力标准后,如果桥梁自身设计不满足船撞力,还需要进行防撞方案的设计,应根据桥梁的具体设计参数、周围水域航道情况,并且综合考虑造价与效果等因素确定较好的桥墩防撞方案。笔者采用这一研究方法对东海大桥、苏通大桥、南京高速铁路桥、杭州湾大桥等大型桥梁项目进行了防撞的专题研究。为了更清楚地论述桥梁防撞研究的一般方法,现针对上海长江大桥工程,进行桥墩防撞力标准研究和防撞方案设计的简要论述。4.1净宽度,高度大桥主通航孔设计按5万吨级船舶双向通航,净宽为585m,净空高度52.7m。两个单向边孔通航5000吨级船舶,边孔净宽146m,净空高度36m。4.2主要类型：孔桥防护等级1大桥材料实行高效分对于桥墩基础实行不同变根据大桥通航船型分析结果,北港航道近期无万吨级及以上的船舶通航,为了有效控制大桥基础防撞规模,大桥防撞将采取统一规划、分期实施的策略,对桥墩基础采用近、远期分期的不同防撞方案设计。主航道桥近期按照5000吨级船舶防撞,远期按照5万吨级船舶防撞。23防雨窗依据风险水平,船舶撞击概率较大的主通航孔桥墩防撞水位:最高水位+6.03m;最低水位-0.1m。3撞击速度防算机大桥主通航孔桥南北主墩,近期主要针对5000吨级船舶V=3.7m/s的撞击速度设防,横桥向抗撞力为40MN,顺桥向为20MN。4节点的年事故频率根据AASHTO规范,一般桥梁整桥的年撞损频率<10-3,关键性桥梁整桥的年撞损频率<10-4。上海长江大桥工程属特大型工程,投资大,使用年限长,应尽量减少大桥受船舶撞损的风险,桥墩整体采用10-4撞损频率。4.3墩柱离承台边缘下水面变化主墩承台表面标高-4.0m~+4.0m,桩基离承台边缘最近处1.0m,墩柱离承台边缘最近处12.6m。由于主通航孔跨距较大,主墩本身的结构较强,近期建议采取自身抗撞为主,周围安装套箱的防撞方案。发生船舶碰撞时套箱变形消能,减小船舶撞击力,并对基础局部结构进行保护,同时也能减少撞击船舶的损伤。5套箱因数对材料抗拔性能的影响有限元法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用,在计算像船舶这样具有复杂结构形式的结构受力变形时,更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。为了进一步验证套箱防撞设施的防撞性能,采用非线性有限元技术对防撞工况进行模拟。假设桥墩受到5000吨级满载船舶的正面撞击,撞击速度为3.7m/s。5.1结构规模3.撞击船是一艘5000吨级多用途船舶,船长106.9m,型宽17.6m,型深9.0m,满载吃水7m,考虑船艏正面垂直撞击桥墩及防撞套箱,满载排水量为9000t。桥墩结构计算模型由桩基、承台、塔柱组成,不考虑桥墩结构变形,计算结果是偏于安全的。5.2事故工况撞击力图4、图5显示了发生碰撞后撞击船舶的艏部结构及防撞套箱结构的损伤变形。进一步从碰撞力时间历程曲线(图6)和碰撞吸能曲线(图7)可以知道,在碰撞发生1.5s左右,防撞套箱的内壁破裂,船舶与套箱的最大碰撞力约为27.5MN。图6中分别给出了周围设置防撞套箱和没有防撞装置船舶撞击的碰撞力时间历程曲线,可以看出,5000吨级船舶直接撞击桥墩的最大碰撞力是37MN,采用了套箱防撞方案后,最大碰撞力下降了25%,起到了较好的防撞效果,同时也减小了撞击船舶的损伤。从图7可以看到,1.5s时碰撞船舶变形吸收能量21MJ,套箱装置变形吸收能量27MJ,而且在碰撞过程中,套箱吸能始终大于船舶变形吸能。通常的船-桥碰撞中,桥梁只发生很小的变形,船舶发生很大的变形损伤,吸收主要的碰撞动能。可以看出,安装套箱防撞装置不仅可以保护桥梁,吸收很大一部分碰撞动能,还可以