船舶碰撞問題研究綜述

陳馳

（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

船舶碰撞問題研究綜述

陳馳

（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

隨著船舶運輸業(yè)的發(fā)展，不管是船舶的規(guī)模還是運行頻率都有著顯著的增加。與此同時，由于自然條件或是人為失誤也引起了一些船舶碰撞問題。船舶碰撞主要包括船船碰撞、船與橋墩碰撞、船與碼頭碰撞以及船與船閘的碰撞等。碰撞不僅會帶來經(jīng)濟損失，對建筑物的壽命乃至人類生命安全都帶來威脅。船舶碰撞是一個短暫的過程，但包含了復雜的非線性特性。針對船舶碰撞問題，文章闡述了船舶碰撞理論和研究成果的發(fā)展現(xiàn)狀，并對未來研究方向提出了一些建議，對船舶碰撞的研究發(fā)展有一定參考價值。

船舶碰撞；碰撞理論；計算方法

0 引 言

水路運輸作為一種環(huán)保的運輸方式，具有能耗低，成本少，運量大等優(yōu)點。近年來，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，區(qū)域間的物流量不斷增大，水路運輸?shù)闹匾饔萌找嬲蔑@。尤其是在應對全球氣候變化，提倡低碳經(jīng)濟的背景下，水路運輸與其他運輸方式的比較優(yōu)勢更加明顯。水路運輸在區(qū)域物流和綜合運輸系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的同時，也存在著較大的風險。船舶在運行作業(yè)過程中，由于自然環(huán)境或是人為失誤等因素影響，存在很大的不確定性，一旦發(fā)生水上交通事故，往往會造成不可挽回的經(jīng)濟損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計，在水上交通事故中，船舶碰撞導致的事故是占比例最高的事故之一。碰撞事故往往造成人員傷亡，經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。因此，采用科學有效的方法分析碰撞原因是很有必要的。關于船舶碰撞力的研究，早在20世紀50年代就已經(jīng)開始了。到目前為止，船舶碰撞的研究得到了迅速發(fā)展，國內(nèi)外專家學者針對該問題取得了大量的研究成果。我國從20世紀80年代開始研究相關的船撞研究，并且也取得了一些研究成果[1]。

1 船舶碰撞研究理論和計算方法的發(fā)展

船舶碰撞的計算理論以及方法最早的有Minorsky船舶碰撞理論、Heins-Derucher理論、數(shù)值解法、簡化解析法、試驗研究方法和有限元仿真計算方法。Minorsky首先在《Journal of Ship Research》上發(fā)表了一篇關于核動力船碰撞分析的研究論文。其研究的主要目的是為了防止船舶在碰撞或者擱淺的事故中受到嚴重的損傷。他在研究了船舶的碰撞之后，提出了米諾斯基公式。米諾斯基理論自1975年公開發(fā)表后，已被眾多實驗所證實，并被逐漸應用到船-橋相撞領域，奠定了船-橋碰撞理論的分析基礎。在Minorsky碰撞理論的基礎上，聯(lián)邦德國學者G.Wosin教授在1976年至1979年期間做了一系列模型實驗和理論研究工作，充實和發(fā)展了Minorsky理論，并將其應用到船-橋墩撞擊分析中。 在此之后，Heins和Drucher根據(jù)CG-71955-A合同做出的研究提出了Heins-Drucher理論[2]，其研究的主要目標是船舶與橋墩或防護系統(tǒng)的碰撞，是Wosin理論的簡化。Heins-Drucher理論將船舶-結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)防撞設施等效為一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，以此建立能量交換系統(tǒng)。該理論由于對處于碰撞影響時間段中的船舶的復雜運動行為納入考慮，因此能反映船舶與結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的動態(tài)耦合效應。

數(shù)值解法來源于船-船碰撞理論。在數(shù)值解法中，具體代表性的是Petersen方法和梁文娟計算方法[3]。在Petersen方法中，將船舶碰撞運動歸結(jié)為水平方向的二維問題：梁文娟計算方法則考慮了碰撞中船舶的六個自由度的運動，用切片法計算流體動力，將碰撞假設為貫入量的非線性函數(shù)，通過六根非線性彈簧描述碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部機理，當設定被撞船具有極大質(zhì)量和剛度時，就轉(zhuǎn)化為船-橋或船-閘門碰撞的模擬計算。

簡化解析法是將船舶結(jié)構(gòu)部件分解成幾種簡單模型，給出這些簡化模型損傷的理論公式，并分別計算出每一種簡化模型的損傷力和變性能，最后再合成總的船舶結(jié)構(gòu)的碰撞損傷力和能量，例如DEXTRA程序等。

試驗方法是通過建立碰撞模型試驗，取得實測的碰撞力及變形能的時程曲線，是長期以來對結(jié)構(gòu)碰撞分析重要的研究方法之一。但是，目前由于試驗費用較昂貴加上試驗具有破壞性和危險性，因此很難實施。而且碰撞問題本身存在的具有強烈的非線性特征以及碰撞條件的不確定性都決定了試驗很大的局限性。另一方面，模型試驗方法采用縮尺試驗也無法確定模型與原型之間的相似關系。這些問題都導致試驗方法無法普及。

近年來隨著非線性有限元分析技術和計算機硬件系統(tǒng)的發(fā)展，碰撞問題的計算有了新的突破。采用非線性有限元技術，對于不同類型的碰撞問題，可以較為精確地描述船舶和被撞物兩者復雜的幾何形狀、材料本構(gòu)、破壞損傷等信息，從而能夠得到更精確的結(jié)果，較傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式計算體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢。國內(nèi)外已經(jīng)有很多學者運用不同的軟件成功的模擬船-橋和船-閘門動力碰撞過程，計算中碰撞力是通過船與被撞物之間的接觸面以接觸力的形式給出的。而對于船-閘墻之間的動力碰撞模擬還是很少[4]，值得人們深入研究。

2 船舶碰撞問題國內(nèi)外研究成果

基于上述研究理論及方法，國內(nèi)外很多專家學者都對船舶碰撞問題進行了具體的實驗研究和有限元計算分析。

2.1 船撞橋研究現(xiàn)狀

船橋碰撞系統(tǒng)研究始于80年代初，到90年代中期,比、法、德等9國專門成立了從事船橋碰撞研究的國際型組織，并取得大量的研究成果。美國佛羅里達大學Consolazio教授對圣喬治島即將拆除的Bryant pattern橋進行了現(xiàn)場試驗，在實測獲得的撞擊荷載、地基土參數(shù)基礎上，考慮船、橋墩、土三者的相互作用，對該橋橋墩遭受船撞擊過程進行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的結(jié)果揭示了橋墩在撞擊力作用下的動力響應?？纤髮WHarik教授與Peng Yuan等也分別對單駁船和駁船隊撞擊方形、圓形橋墩下的撞擊作用力及船首撞深進行了研究，討論了船舶初始速度對撞擊力的影響[5]。

我國針對船橋碰撞的研究起步雖晚，但目前也已取得了一系列的研究成果。2003年，劉建成、顧永寧[6]等利用非線性有限元軟件MSC/DYTRAN，選取了長江上某一斜拉橋遭遇一艘1萬t級油船正向碰撞的案例，對船橋碰撞問題的數(shù)值模擬計算的一般過程進行了分析。2008年，料宸峰[7]對不同參數(shù)的樁柱式橋墩進行了一系列的仿真計算,通過結(jié)構(gòu)位移、應力、裂縫的比較和分析,對樁柱式橋墩的抗撞優(yōu)化設計進行了探索。與此同時，李雅寧[8]對不同初始速度下的不同噸級船只撞擊剛性壁等進行了DYTRAN數(shù)值模擬，通過時程曲線結(jié)構(gòu)，對撞擊力，撞深及能量吸收情況等進行了定性分析。梁浩哲[9]通過與實船碰撞試驗結(jié)果對比，對已建立模型進行驗證,對船舶結(jié)構(gòu)及材料應變率對沖擊影響進行了分析。2012年，姜華，王君杰教授[10]等人通過對連續(xù)梁橋與船舶建立精細的LSDYNA有限元模型，對混凝土連續(xù)梁在船舶撞擊作用下發(fā)生連續(xù)倒塌的過程進行模擬?；炷梁弯摻罘謩e采用彈塑性損傷蓋帽模型及彈塑性隨動強化模型，并最終得出其倒塌機理。

2.2 船撞碼頭結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

船舶與碼頭發(fā)生碰撞時，由于船舶的剛度相對較小，碼頭剛度大，船舶基本上吸收了碰撞過程中的大部分能量而導致破壞。如果船舶的噸位較大并且以很高速度撞擊碼頭，也會對碼頭造成破壞，影響其安全性。在船舶與碼頭碰撞領域的研究方面，目前主要是以有限元法為主。張穎[11]通過ANSYS/LS-DYNA軟件建立有限元仿真模型，考慮到土的彈塑性以及樁土流固耦合作用，研究了結(jié)構(gòu)剛度、船舶質(zhì)量、初始速度、碰撞角度、橡膠護舷等對碰撞力所產(chǎn)生的影響。張淑華[12]等利用ANSYS/ LS-DYNA有限元軟件對5 000 t級雜貨船撞擊3萬t泊位高樁碼頭做了仿真分析，并對碰撞中的能量轉(zhuǎn)化情況和作用力進行了研究；鄧雷飛[13]等采用有限元技術以3萬t級散貨船平行靠泊高樁碼頭為例模擬了船舶撞擊碼頭的全過程，并研究了碰撞過程中的動力響應以及碼頭損傷情況；陸志慧[14]等對8.5萬t集裝箱船跟鋼管板樁碼頭碰撞進行了數(shù)值模擬，并研究了不同速度下的碼頭撞擊情況。

2.3 船撞閘研究現(xiàn)狀

開展船-閘撞擊力分析與設計較多的有前蘇聯(lián)、德國、丹麥、美國和我國。美國分別進行了實船-閘壁撞擊試驗與實船-閘門撞擊力試驗，規(guī)定在靜水壓力作用下，取自門頂向下15英尺（相當于4.57 m）處的靜水壓力為作用在閘門上部15英尺范圍內(nèi)的均布荷載。德國工業(yè)標準——DINI9704規(guī)定：閘門必須能夠承受相當于船舶自重的2%tm的動能，而不致達到破壞極限。20世紀80年代，前蘇聯(lián)規(guī)范（CH303-65）也規(guī)定了四級水道中 Ⅰ級和Ⅱ級水道上的閘門撞擊力可按1 000 kN計算,Ⅲ級水道上的船閘撞擊力取值為500 kN，Ⅳ級水道閘門的撞擊力按Ⅲ級水道的一半考慮，規(guī)范中還給出了船碰撞船閘壁經(jīng)驗公式：Fc=0.9 kW2/3。其中Fc是船舶撞擊力；W是船舶排水量；k為系數(shù)。

我國JTJ307-2001船閘水工建筑物設計規(guī)范完全借用前蘇聯(lián)公式。我國在JTJ308-2003《船閘閘門設計規(guī)范》規(guī)定船舶撞擊力應作為校核荷載進行驗算，Ⅰ、Ⅱ級船閘的船舶撞擊力可取300 kN，對于Ⅲ、Ⅳ級船閘可不考慮船舶撞擊力，對于設置了防撞設備的船閘，同樣可不考慮船舶撞擊力。除此之外，我國對于船閘碰撞問題也進行了一系列的有限元分析研究。2007年遲朝娜[15]基于ANSYS/LS-DYNA有限元模擬軟件確定了船舶撞擊船閘三角閘門時的撞擊力，并對三角閘門進行了空間有限元分析。2008年范凌峰[16]對船舶和簡單結(jié)構(gòu)（工字鋼梁結(jié)構(gòu)和面板結(jié)構(gòu)）進行了全過程的仿真模擬。分析得知以往國內(nèi)外船舶撞擊力公式?jīng)]有考慮被撞結(jié)構(gòu)剛度對撞擊力的影響，所以導致撞擊力公式計算結(jié)果與他分析所得結(jié)果相比偏小。2010年陳曉峰、陳達[17]等通過現(xiàn)場試驗對過閘船舶的撞擊力開展研究。研究結(jié)果表明，過閘船舶撞擊力峰值與撞擊速度成正比，根據(jù)船閘設計規(guī)范的公式得到的船舶撞擊力遠小于船舶對閘墻碰撞過程產(chǎn)生的動力峰值。2013年謝春秋[18]等針對Ⅲ級船閘，采用有限元方法分析閘室墻表面遭受設計最大噸級船舶以最大碰撞角度和規(guī)范規(guī)定的最大航道碰撞閘墻時的內(nèi)部應力分布情況，發(fā)現(xiàn)閘室混凝土結(jié)構(gòu)的強度不足以保證其表面所能承受碰撞時引起的壓應力和拉應力。

3 結(jié)論及展望

綜上所述，雖然國內(nèi)外專家學者已經(jīng)對船舶碰撞問題有了一些系統(tǒng)的研究。但是，關于船舶與船閘的碰撞研究還不是很完善。關于船舶與船閘的撞擊力，還有以下問題亟待研究：

1）船舶碰撞是一種復雜的非線性動態(tài)響應過程，閘墻遭受碰撞時船舶荷載分布也很復雜，而目前國內(nèi)外對于船舶與船閘結(jié)構(gòu)的撞擊力研究并不系統(tǒng)，且成果間仍存在一定差別。因此，需要準確合理地分析船舶與船閘結(jié)構(gòu)碰撞問題。

2）關于船舶撞擊力的分析，在港口工程中廣泛使用能量公式來計算，而由于船閘工程缺乏足夠的觀測和研究以及船閘閘墻一般不設防撞設施等原因，因此一般能量公式在船閘中尚不適用，我國仍采用的是20世紀80年代前蘇聯(lián)規(guī)定的經(jīng)驗公式：Pc=0.9 kW2/3。其中Pc是船舶撞擊力；W是船舶（隊）排水量；k是系數(shù)，在閘室中k=1.0，引航道中導航建筑物的直線段k=1.67、曲線段k=2.0。然后國內(nèi)外一些實測表明，實際撞擊力峰值比該公式計算值要大，而采用該經(jīng)驗公式設計的國內(nèi)某些船閘也出現(xiàn)了導航墻及靠船碼頭撞毀事故[35]，這些足以證明該公式的計算值偏小。因此，如何準確計算船舶撞擊力的大小對于船閘結(jié)構(gòu)安全設計是至關重要的。

3）目前閘室混凝土結(jié)構(gòu)通常采用常規(guī)的C25強度等級，但是大量實驗及實踐表明，該等級混凝土不能夠保證閘墻表面承受碰撞時引起的壓應力和拉應力，仍需要通過有限元分析計算得到閘墻混凝土需要滿足的各項強度指標，并需要通過實際工程的現(xiàn)場試驗研究驗證混凝土強度指標的可靠性，從而完善船閘結(jié)構(gòu)工程設計并為閘墻結(jié)構(gòu)修復提供可靠依據(jù)。

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［2］ Derucher，K．N．Analysis of concrete bridge piers for vessel impact．Proceeding of Sino—American Symposium on Bridge and Structural Engineering［J］．1982．19（9）：11—25．

［3］梁文娟．船舶撞擊力和能量吸收［J］．交通部上海船舶研究研所學報，1992（2）．

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［6］劉建成，顧永寧.基于整船整橋模型的船橋碰撞數(shù)值仿真［J］.工程力學，2003，20（5）：155-162.

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［9］ Liu Jian—cheng，Gu Yong—ning．Simulation of the whole process of ship—bridge collision：J：.China Ocean Engineering． 2002，16（3）：369—382．

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［14］陸志慧，吳中，項敏.船舶與鋼板板樁碼頭碰撞仿真分析［J］.大連交通大學學報，2014，35（1）：20-23.

［15］遲朝娜.船閘三角閘門結(jié)構(gòu)的空間有限元分析［D］.河海大學碩士學位論，2007.

［16］范凌峰.基于ANSYS/LS-DYNA的船舶與船閘閘門的撞擊力分析［D］.河海大學碩士學位論文，2008，4.

［17］ 陳曉峰，陳達.過閘船舶撞擊力研究［J］.水運工程，2010（9）：48-50.

［18］陳達，謝春秋.閘墻碰撞分析及其混凝土性能指標研究［J］.水運工程，2013（5）：120-123.

[Abstract]Taking the methods of multi-level fuzzy comprehensive evaluation and the analytic hierarchy process, the paper analyzes the comprehensive benefit of grape water-saving irrigation in Yuquanying farm of the east foothill of Helanshan mountain by using the rating index system built by the three division standards of the society,economy and ecology.The results show that the comprehensive effect of the water-saving reform project area in Yuquanying farm is more obvious,and the selected indicators at various levels could objectively reflect the influence degree on the comprehensive benefit of the drip irrigation area,which has the good guidance meaning for the construction of water-saving irrigation in the east foothill of Helanshan mountain in Ningxia province.

[Key words]east foothill of Helanshan mountain;drip irrigation;comprehensive benefit;evaluation

Study on structural static numerical simulation for large span aqueduct

SONG Bing-wei,LUAN Jun-liang

Taking the aqueduct in Yingnahe river as an example,the scientific structural analysis and numerical simulation are made for the large span arch parabolic water diversion aqueduct by using the finite element method.The paper analyzes and combines all kinds of bearing load on the aqueduct in actual operation.Through the static analysis and calculation,the internal force curves of the main arch ring and the most disadvantageous internal force combination are obtained under the actions of water pressure,wind load and the temperature load. At last,the transverse and the longitudinal stabilities of the Yingnahe aqueduct are verified.The obtained conclusions could provide some theoretical support and practical experience for the static calculation and analysis of the arch aqueduct.

large span;parabolic arch aqueduct;static analysis;numerical simulation

Installation technology of steel penstock in the ultra-deep diversion shaft

CHEN Bo

[Abstract]There are two shafts in each water diversion tunnel in the Hongping pumped storage power station of Jiangxi province.The elevation differences of upper shaft and lower shaft are respectively 277 meters and 295 meters,the diameter of the steel penstock is 4800-5200mm.The paper introduces the advanced and reasonable construction technology scheme in the process of the steel penstock installation.Based on the achieved good results,the technology could provide valuable experience for the steel penstock installation in the ultra-deep diversion shaft.

[Key words]shaft;steel penstock;installation;ultra-deep diversion

Water quality analysis and assessment of drinking water sources in Shantou by using the identification index method

CHEN Ze-rong

[Abstract]Water quality assessment has become the important basis for the water environment planning and management and the pollution comprehensive prevention and control.Based on the basic principles of the water quality identification index method,the paper analyzes comprehensively the water quality status of main drinking water sources from 2013 July to 2014 June in Shantou city,and gives the specific measures and suggestions for the water quality protection of main drinking water sources in Shantou city.

[Key words]identification index;drinking water sources;water quality analysis and assessment;Shantou city

Analysis of the water balance test and the water supply of reservoir

HU Wei

[Abstract]The paper analyzes and calculates the water conveyance loss quantity in each section in water supply period from 2008 to 2009 by using the water balance test method,these sections include the dam downstream of the Qinghe and Chaihe reservoirs,the river section of truck reach of Liaohe river from the Shangliaohe in the Qinghe estuary to the Mahushan station.Aiming at the problems in the research,these suggestions are put forward. [Key words]water balance test;water supply of reservoir;water supply period;water conveyance loss quantity

Monte Carlo simulation of saturation line of barrier dam

LIU De-wei,LI Lian-xia,LIAO Hua-sheng,LUO Shu-kun

[Abstract]The height of the saturation line is crucial to the seepage stability of barrier dam,while the permeability coefficients of barrier dam material have strong randomness,then the deterministic model cannot simulate the actual seepage field and the saturation line site accurately.Under the condition of the permeability coefficient of barrier dam material meeting the logarithmic normal distribution,the Monte Carlo method is used for the twodimensional stochastic simulation for the seepage field of Tangjiashan barrier dam,with 300 times simulation.The results demonstrate that the head field,saturation line distribution and seepage gradient field are present the randomness because of the influence of the material randomness,but this randomness has not the simple linear relation with the randomness of the permeability coefficient field,the spatial variation characteristics of head variance is more obvious,the farther the downstream is,the more the values increase.Comparing the certainty model,the calculation results of the escape point in the stochastic model have more statistical meanings,which has the certain guiding significance for the Engineering protection.The seepage characteristics of the middle part of the barrier dam basically meet the normal distribution due to the smaller influence of boundary conditions.The influence of boundary conditions on the escape point of the saturation line are great,the escape location distribution is concentrated and cannot obey the normal distribution,the random process of the elevation location of the saturation line for the other parts of barrier dam basically follows the normal distribution.

[Key words]seepage flow;barrier dam;Monte-Carlo method;saturation line;permeability coefficient

Test study on scouring and silting at estuary intersection area of Mangniuhe river

SUN Lei,LIU Fu-lin

[Abstract]The paper studies the typical floods of the Mangniuhe river and the sediment deposition morphology and its distribution in the estuary intersection area of Mangniuhe river when the floods occur in the Dalinghe and Mangniuhe rivers.The test results show that the deposition of the intersection area is large when the flood occurs in the Mangniuhe river.When the flood of Dalinghe river occurs earlier than the flood of the Mangniuhe river, the sediment deposition in the estuary intersection area is more than coming earlier of Mangniuhe river flood. When the very unexpected flood occurs,the deposition quantity is seldom,then the sediment are carried basically to the downstream of the intersection area.From the point of view of dynamics,the sediment deposition is inevitable in Mangniuhe river.

[Key words]Sedimentation;test;Mangniuhe river

Analysis of interannual evolution characteristics of the reference crop evapotranspiration in Tieling area

LI Shuai-ying,CHI Dao-cai

[Abstract]The reference crop evapotranspiration (ET0)is the main consumption part in the agricultural water,is a key parameter to estimating the crop water demand,is the foundation for determining the crop irrigation program and the quantity of irrigation water and is the basis foundation for making the basin planning and the irrigation project planning.The paper analyzes the evolution characteristics and influencing factors of the reference crop evapotranspiration by using the cumulative anomaly method and the SPSS software.The results show that the ET0 is manifested as the significant downward trend year by year in Tieling area and the gradually increasing trend from west to east in space,the sunshine,the wind speed and the relative humidity are the main meteorological factors affecting the ET0 interannual variation in Tieling area,the influence of the temperature and water vapor pressure are not significant.

[Key words]reference crop;evapotranspiration;evolution characteristics;Tieling area

Evaluation study on the comprehensive benefit of saving-water in drip irrigation district of the east foothill of Helanshan mountain

SHANG Zhong-lin,LIU Guo-hui,DING Shao-lin,DU Jun

U661.39

A

1002－0624（2016）04－0067－04

2015-12-30