船橋碰撞研究綜述

陸 凱，陳徐均，沈海鵬

（陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

引 言

近10 余年來的統(tǒng)計資料表明，世界范圍內(nèi)發(fā)生的船橋碰撞重大事故已有100 多起，事故數(shù)量連年居高不下，找到適合具體水域環(huán)境及滿足通航要求的橋墩防撞方式是個重要課題，設(shè)計制造能夠抵擋失控船只碰撞的效果良好、維護方便、成本低廉的橋墩防撞裝置，對于保護橋梁和船舶安全、延長橋梁使用年限、減少國民人身及財產(chǎn)損失具有極其重要的意義。開展船橋碰撞研究，需要對船橋碰撞概率及風(fēng)險評估、船橋碰撞計算方法和橋梁防撞技術(shù)等方面進行研究探討，下面分別從上述三個方面的國內(nèi)外研究展開討論。

1 船橋碰撞概率及風(fēng)險評估

船橋碰撞風(fēng)險評估，即在事故發(fā)生前對其可能造成的損失進行評估，這些損失包括人員傷亡、船舶受損、橋梁坍塌和代價高昂的停機時間等，降低船橋碰撞事故發(fā)生概率有助于減少生命財產(chǎn)損失，因此船橋碰撞風(fēng)險評估是個很有意義的課題。

為解決船橋碰撞概率問題，國內(nèi)外學(xué)者通過整理船橋碰撞事故的統(tǒng)計資料，運用航道及航行管理等方面的專業(yè)知識，提出了一系列概率計算模型以計算具體情景下的船橋碰撞概率，其中較為經(jīng)典的有AASHTO 規(guī)范、歐洲規(guī)范、Larsen 模型及KUNZ模型。

AASHTO 規(guī)范[1]是目前應(yīng)用最為廣泛的船橋碰撞概率計算模型，橋梁遭受撞擊的年頻率通過累乘船舶年通航量N、偏航概率PG和幾何概率PA得到，如圖1、圖2 所示，幾何概率由概率密度曲線積分求得，偏航概率（由A 區(qū)駛?cè)隑 區(qū)的概率）則來自于長期的事故統(tǒng)計或AASHTO 給出的經(jīng)驗公式，該模型的缺陷在于：規(guī)范默認(rèn)船舶一旦駛?cè)胛ｋU區(qū)域B 區(qū)后就發(fā)生事故，但實際上船舶進入B 區(qū)后會采取減速、調(diào)整航向等措施避免碰撞，不一定會發(fā)生事故。

圖1 幾何概率PG 計算模型

圖2 船舶偏航示意

圖3 歐洲規(guī)范船橋碰撞概率模型

歐洲規(guī)范[2]船橋碰撞概率模型如圖3 所示，以航道中心線和沿航道中心線右手側(cè)方向為x、y 軸建立坐標(biāo)系，使得橋墩位于y 軸上，用非均勻泊松分布模擬船橋碰撞事件的發(fā)生概率，Q 點處曲線代表初始時刻船舶在y 軸上的分布情況。

Larsen 模型[3,4]從現(xiàn)象學(xué)角度出發(fā)，將船撞橋事故歸結(jié)為如圖4 所示的四類偏航情況：直線航行撞橋、交匯相互避讓撞橋、轉(zhuǎn)彎處未能改變航向撞橋和失控隨機漂流撞擊，幾何概率計算方法則類似于AASHTO 規(guī)范。

圖4 Larsen 模型船橋碰撞類型

KUNZ 模型[5]以船舶偏航角度Φ和停船距離x為隨機變量，假設(shè)兩個隨機變量的概率密度均符合正態(tài)分布，對區(qū)間上二者的混合概率密度求積分得到船橋碰撞事件的發(fā)生概率，概率積分模型如圖5所示，但模型面向的是單條航跡的船橋碰撞，未考慮船舶在橫向上的航跡分布。

圖5 KUNZ 船橋碰撞概率積分模型

針對這個問題，耿波等[6]基于KUNZ 模型對偏角分布、停船距離和航跡進行有序積分，即將單條航跡的船橋碰撞概率在橫向分布上進行積分，并考慮不同水位下年碰撞頻率的不同，得出總的年碰撞頻率，其概率積分模型如圖6 所示。

圖6 三概率參數(shù)積分路徑模型

碰撞概率和碰撞可能造成事故的嚴(yán)重程度共同構(gòu)成了碰撞風(fēng)險[7,8.9]，由于北海地區(qū)特殊的地理氣候條件，無法通過架設(shè)高吸能支架來吸收全部船橋碰撞能，針對這個問題，Moan 等[10]根據(jù)挪威鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計了一種高強度支架以便在發(fā)生碰撞事故時穿透船首，船只通過船首的變形和破壞消耗大量碰撞能，減小了橋梁坍塌風(fēng)險；Yang 和Wang等[11]利用基于析取信念規(guī)則的專家系統(tǒng)評估橋梁風(fēng)險，用動態(tài)參數(shù)優(yōu)化模型和差分進化算法對專家系統(tǒng)進行訓(xùn)練，克服了連接信念規(guī)則帶來的組合爆炸問題，確定橋梁結(jié)構(gòu)的維修優(yōu)先級以避免橋梁安全事故的發(fā)生。

2 船橋碰撞力計算方法

1975 年，Minorsky[12]將復(fù)雜的船舶碰撞問題分為動能損失和結(jié)構(gòu)損傷兩部分，分別根據(jù)動量守恒原理和完全非彈性碰撞原理求解碰撞后船舶速度及動能損失，采用抗阻系數(shù)表征船舶撞擊的激烈程度，經(jīng)過對多起碰撞事故中能量損失與阻抗系數(shù)的統(tǒng)計分析，擬合出了二者間的關(guān)系，得出了被廣泛用于船船碰撞計算的Minorsky 理論。

1979 年，Woisin[13-15]進行了24 組船舶縮比模型實驗，將原本應(yīng)用于船舶間碰撞分析的Minorsky理論推廣到船橋碰撞領(lǐng)域，考慮流體附加質(zhì)量并引入船舶破損長度的概念，建立了船舶破損長度與撞擊力間的關(guān)系模型，得到了著名的Woisin 公式，同時發(fā)現(xiàn)船舶的最大撞擊力近似為平均撞擊力的兩倍，但由于該公式忽略了速度對撞擊力的影響，Woisin 重新分析實驗數(shù)據(jù)后對公式進行了改進。

1988 年，Heins 和Derucher 根據(jù)能量交換原理提出了Heins-Derucher 理論[16]，將船舶碰撞橋墩及防撞設(shè)施簡化為一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，該理論可用于求解碰撞中橋墩或防撞裝置撞擊點處的最大位移、船舶最大撞擊力、撞擊過程持續(xù)時間等參數(shù)，在各類規(guī)范和防撞設(shè)施的初始設(shè)計中應(yīng)用廣泛。

2000 年，我國出版了鐵路橋梁規(guī)范[17,18]，相較于國外規(guī)范，我國鐵路和公路規(guī)范的船撞力計算值偏小，因此在規(guī)范中引入了動能折減系數(shù)η ，適當(dāng)?shù)剡x取η 有助于控制我國規(guī)范與其他規(guī)范計算值間的偏離程度，在缺少船橋的實時資料時，航道中橋梁墩臺所受的船撞力就可按照規(guī)范取用。

上述分析方法主要從彈性系統(tǒng)能量、動量守恒出發(fā)，根據(jù)經(jīng)驗公式具體導(dǎo)出算法，利用基本力學(xué)原理對船橋碰撞過程進行準(zhǔn)靜態(tài)簡化分析，未考慮沖擊動力效應(yīng)、偏心碰撞等影響，只能粗略地給出某個船橋撞擊過程中撞擊力的數(shù)值，有時甚至與實際情況大相徑庭。而且，隨著現(xiàn)代船舶制造業(yè)的不斷發(fā)展，新型船舶的尺寸和結(jié)構(gòu)類型與以往發(fā)生了重大變化，相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)需要進行修訂，因而國內(nèi)外學(xué)者、專家越來越多地采用數(shù)值模擬仿真方法來進行船舶碰撞力計算和損傷分析。

樊偉和袁萬城[19]采用沖擊譜分析方法研究橋梁結(jié)構(gòu)在駁船碰撞下的動態(tài)響應(yīng)，沖擊譜源于對船橋間相互作用的分析，其值與數(shù)值模擬結(jié)果相一致，經(jīng)動態(tài)放大因子修正后與特定事件的頻譜值也吻合較好，相較于其他組合規(guī)則，線性疊加法對于模態(tài)響應(yīng)的結(jié)合效果最佳，其結(jié)果與耦合船只影響分析的結(jié)果相一致，驗證了該方法的合理性與可靠性。

Amdahl等[20,21]利用LS-DYNA模擬得出了近海管狀構(gòu)件分別受兩種現(xiàn)代船舶撞擊后的響應(yīng)及損傷分布，船體結(jié)構(gòu)模型采用非線性殼體單元，探尋管件長度、直徑和壁厚對撞擊凹陷的影響，以“過渡壓痕比”控制不同管件的變形模式，有助于統(tǒng)一現(xiàn)有的橫截面緊密度標(biāo)準(zhǔn)；研究成果可用于修訂新版的船舶與海上結(jié)構(gòu)碰撞的設(shè)計指南。

3 橋梁防撞技術(shù)研究

橋梁防撞技術(shù)分為主動防撞技術(shù)和被動防撞技術(shù)兩類，前者指通過對船舶的航行管理和航行軌跡干預(yù)，避免船撞橋事故發(fā)生，后者通過橋墩自身的加強或防護設(shè)施來抵抗船舶的撞擊威脅，實際工程中通常同時采用這兩種方式。

3.1 橋梁防撞技術(shù)分類

圖7 防撞裝置分類

20 世紀(jì)80 年代，日本學(xué)者巖井聰和莊司邦 昭[22]根據(jù)設(shè)置場所的不同，將防撞裝置分為直接構(gòu)造和間接構(gòu)造兩類，前者讓船舶撞擊力直接作用于橋墩，但會借助防撞設(shè)施進行一定程度的緩沖；后者將防撞設(shè)施設(shè)置在橋墩之外，利用防撞設(shè)施抵抗船舶沖擊以防止船橋直接接觸，缺點在于會對航道造成一定影響且工程造價較高，具體分類如圖7 所示。

1991 年，國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會[4]將橋梁防撞結(jié)構(gòu)分為防護板系統(tǒng)、支撐樁系統(tǒng)、系纜樁系統(tǒng)、人工島或暗礁保護系統(tǒng)、浮動保護系統(tǒng)五類，王君杰等[23]則將防撞結(jié)構(gòu)分為附著式、一體式及獨立式三類；陳國虞等[24,25]根據(jù)各類設(shè)施的特點及適用場所對主、被動防撞結(jié)構(gòu)進行了細(xì)致劃分，劃分后的防撞技術(shù)類別及各自特點描述如表1 所示。

表1 橋梁防撞技術(shù)分類

3.2 橋梁主動防撞技術(shù)

目前，主動防撞技術(shù)分為兩種，一是采用輔助系統(tǒng)指導(dǎo)船舶駕駛員做出判斷，系統(tǒng)依據(jù)的算法大多僅考慮船只間的碰撞而忽略了海岸線、橋梁等靜態(tài)障礙物的影響；二是開發(fā)具備自主機動能力的避碰系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠同時考慮船只間以及船橋間的碰撞風(fēng)險，碰撞規(guī)則就是為協(xié)調(diào)眾多船只的避碰操作而制定的，多數(shù)海上碰撞是由違反碰撞規(guī)則引起的。交通擁擠、河道狹窄的港口有著較大的碰撞風(fēng)險，針對這個問題，Blaich 等[26]考慮碼頭、橋梁和海岸線等靜態(tài)障礙物、其他船只以及碰撞規(guī)則等因素，提出了一種完全自主的近距離避碰算法，通過雷達傳感器的檢測來計算800 m 范圍內(nèi)與其他船只或靜態(tài)障礙物最近的會遇距離，并根據(jù)船舶的物理約束提供無碰撞路徑。

綜合橋梁系統(tǒng)（Integrated Bridge System， IBS）[27,28]是當(dāng)今電子導(dǎo)航應(yīng)用的熱點，分為導(dǎo)航和自動化兩大子系統(tǒng)，前者由雷達、控制系統(tǒng)、電子海圖顯示和信息系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)及相關(guān)傳感器組成；后者由發(fā)動機控制系統(tǒng)、推進控制系統(tǒng)、艙底和壓載控制系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)及報警監(jiān)控系統(tǒng)組成，各部分相互獨立提高了系統(tǒng)魯棒性，即便IBS 系統(tǒng)發(fā)生局部故障也不影響其他功能的正常使用，綜合船橋系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 綜合船橋系統(tǒng)示意

3.3 橋梁柔性防撞技術(shù)

按力學(xué)特點，被動防撞裝置分為剛性防撞裝置和柔性防撞裝置，典型的剛性防撞裝置有浮式鋼套箱和混凝土套箱，其依靠自身和船舶“兩撞俱損”的破壞性變形來吸收船舶撞擊能量，橋墩易受到硬性撞擊傷害，船橋碰撞力過大更會損壞燃油艙或液貨倉艙壁，導(dǎo)致燃油或化學(xué)品泄露，造成船毀人亡、橋毀人亡、污染整個海洋環(huán)境等嚴(yán)重后果；現(xiàn)代船橋防護理念從“只注重保護橋墩”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按瑯蚝椭C防撞”和“人性化保護”，顯然柔性防撞裝置更能符合時代發(fā)展的需求導(dǎo)向，下面就橋梁柔性防撞技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行分析。

陳國虞[29]設(shè)計了一種“三不壞”橋墩防撞裝置，如圖9 所示。撞擊時船舶帶動防撞裝置產(chǎn)生較大的位移及很小的撞擊力，后者在移動過程中還能帶動船頭轉(zhuǎn)向，船舶帶著大部分動能駛向別處而不與防撞裝置進行能量交換，保護了裝置從而能夠反復(fù)使用。

圖9 “三不壞”防撞裝置俯視

彈性防撞元件受撞擊后不消耗能量，回彈時對船舶造成損傷，彈塑性元件碰撞時耗能但自身無法恢復(fù)到撞前形狀，造成高昂的維修成本。針對這個問題，陳國虞等[30]設(shè)計了一種由鋼絲繩圈和橡膠復(fù)合而成的固態(tài)粘性防撞裝置。整個防撞裝置分為防撞圈、外鋼圍和內(nèi)鋼圍三部分，該裝置通過串并聯(lián)使得多個防撞圈共同起作用，通過自身的大變形來大量消耗船舶動能，材料的本構(gòu)關(guān)系類似于濕面團，這使得撞擊力的升降都變得緩慢，能有效地保護船舶和橋墩，其本身能夠自行恢復(fù)，可以多次使用，目前已運用于湛江海灣大橋的橋墩防護中。

針對西部山區(qū)河流具有航道窄、流速大、水位變幅大的特點，吳俊等[31]設(shè)計了如圖10 所示的弧形水上升降式防撞裝置用以在不同水位條件下保護橋梁，其設(shè)計過程如下：先利用ABAQUS 軟件模擬最不利工況下的船橋撞擊過程[32]以檢驗其防撞能力能否達到設(shè)計要求，再通過可靠性評價試 驗[33]以驗證其運行可靠度，最后結(jié)合數(shù)值模擬及模型試驗的結(jié)果，分析防撞設(shè)施建成后對橋區(qū)河段河床演變、通航凈空尺度、通航水流條件及船舶航行條件等可能造成的影響[34]，以完善防撞裝置的各項參數(shù)。

圖10 弧形水上升降式防撞裝置示意

泡沫鋁是在純鋁或者鋁金屬中加入添加劑后發(fā)泡而成的復(fù)合材料，兼具金屬和氣泡特征，發(fā)生碰撞時能夠大量吸能，巫祖烈等[35]利用泡沫鋁的吸能能力設(shè)計了一種橋墩柔性防撞裝置以減小橋墩在碰撞過程中的振動加速度，通過開展不同厚度和結(jié)構(gòu)形式下防撞裝置的對比模型試驗，得出了各組合形式下防撞裝置的耐撞性和對橋墩的防護效果，分析撞擊規(guī)律及其原因，得到了最優(yōu)的厚度和結(jié)構(gòu)型式。

纖維增強復(fù)合材料（ Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡稱FRP）由纖維材料與水泥、陶瓷、橡膠、合成樹脂等基體材料按特定比例混合而成，質(zhì)輕高強耐腐蝕的優(yōu)良特性使其廣泛應(yīng)用于橋墩防撞裝置制造，黃花園大橋的橋墩防撞裝置[36-40]就是FRP 材料的典型應(yīng)用。該裝置采用的是全新的結(jié)構(gòu)型式、連接方式和耗能模式，具備“自定位、弱接觸、高耗能”等結(jié)構(gòu)功能以及強于鋼浮箱的抵抗碰撞能力，能夠通過能量吸收和動量緩沖大大減小船撞力。

Fang 等[41-43]提出一種大型復(fù)合保險杠系統(tǒng)以保護橋墩受船舶碰撞，系統(tǒng)由玻璃纖維增強聚合物外皮、玻璃纖維增強網(wǎng)格、聚氨酯泡沫芯和陶瓷顆粒四個模塊組成，制造過程采用真空輔助樹脂灌注工藝，具有安裝方便、耐腐蝕性強、易于更換等優(yōu)點，LS-DYNA 對該系統(tǒng)進行的性能評估表明：船橋碰撞的沖擊時間明顯延長，峰值碰撞力也降到了非破壞性水平，能量耗散效果較好。王碩和楊黎 明[44,45]將受撞擊后的柔性防撞裝置簡化為沖擊載荷作用下的六邊形梁（如圖11 所示），利用拉普拉斯變換和拉普拉斯逆變換求解控制方程以得到梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，分析不同工況下的模擬結(jié)果，得到抗彎剛度對外套箱的動態(tài)響應(yīng)和承受撞擊力性能的影響，并考慮慣性力和防撞圈的黏性效應(yīng)，求得外套箱的臨界等效抗彎剛度。

圖11 柔性抗船撞裝置模型

4 結(jié)論與建議

船橋碰撞問題一直以來都是，未來也很有可能持續(xù)地成為工程領(lǐng)域的熱點問題，通過對船橋碰撞概率及風(fēng)險評估、船橋碰撞計算方法和橋梁防撞技術(shù)研究等三方面研究現(xiàn)狀的分析與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于橋梁防撞裝置的設(shè)計主要集中于應(yīng)力及能量變化等動力學(xué)分析，以理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬為主，試驗方法為輔，研究整體偏理論化。雖然關(guān)于新型防撞裝置的研究得到了越來越多的關(guān)注并取得了一定的突破，但仍然難以得到普及，復(fù)合材料秉持“三不壞”防撞理念，在保護船舶的同時提升裝置的整體防撞性能，又能節(jié)約成本，是橋梁防撞應(yīng)用領(lǐng)域的新趨勢，如果能夠進一步強化關(guān)于新型防撞裝置的試驗研究，更直接地呈現(xiàn)碰撞對結(jié)構(gòu)物造成的損傷，并以此為依據(jù)探討防撞裝置的防撞性能，該領(lǐng)域很有可能得到長足的發(fā)展。