梁受船舶碰撞的思考

1、橋梁受船舶碰撞的思考第16卷第1期2008年2月安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版)JournalofAnhuiInstituteofArchitecture&IndustryVo1.16NO.1Feb.2008橋梁受船舶碰撞的思考蔡鍵,汪克來(1.安徽省交通科學研究所,合肥230011;2.杭州市市政設(shè)施監(jiān)管中心,杭州310003)摘要:綜述了國內(nèi)外重大的船撞橋?qū)嵗?有關(guān)研究的及進展概況以及船撞橋的物理,力學特征,環(huán)境影響等內(nèi)容;針對如何減少船舶撞擊橋梁問題進行了較深入的探討,通過對某一具體事故后橋梁的損傷檢查,得出了一些重要的結(jié)論,并提出一些新的見解.關(guān)鍵詞:船舶;橋梁;碰撞

2、;能量;力學模型;結(jié)構(gòu)損傷;經(jīng)驗教訓中圖分類號:TU311.3文獻標識碼:A文章編號:10064540(2008)0100104AccidentsandLessonofshipbridgecollisionsCAIJian.WANGKe-lai.(1.Anhuiprovincialinstituteofcommunication,Hefei230011,China;2.HangzhouMunicipalFacilitiesSupervisionandManagementCenter,Hangzhou310003,China)Abstract:Introducesshipbridgecollis

3、ionofbothhereandabroad,explorethemethodandapproachtodecreaseaccidentratioandtoreducetherisk.Thecollisionforce,structuraldamage,andenergyabsorptioncapacitywerestudiedandinvestigatedindetail.Keywords:ship;bridge;collision;energy;simulationmodel;structuraldamage;accidentsandLesson1國內(nèi)外典型船舶撞擊橋梁事故船舶撞擊橋梁的事

4、故一直在不斷地發(fā)生,雖然不如汽車交通事故頻繁,但遠比人們想象要多的多,而且船撞橋事故所導致的人員傷亡,財產(chǎn)損失更是驚人,動輒以數(shù)百萬計不說,大量的間接損失以及環(huán)境破壞更是難以估量1.世界上損失最大的船撞橋事故之一是1980年美國佛羅里達州橫跨泰姆伯灣的陽光大橋被一艘空載35000t的貨輪號撞擊倒塌,35人喪生,船舶價值1300萬美元,大橋價值是25000萬美元.現(xiàn)在的陽光大橋是重新修建的.再有1993年美國亞拉巴馬州莫比爾附近橫跨貝尤卡諾特的CSX鐵路大橋,被一個拖駁船隊嚴重撞擊.當時正值霧天,該船隊誤駛?cè)肽葼柡拥膫?cè)航道,造成撞橋事故,使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大位移,恰好一列旅客列車從橋上駛過,-大

5、橋即刻坍塌,列車出軌,47人喪生.人員傷亡較大的是1983年發(fā)生在前蘇聯(lián),一艘名為亞歷山大?蘇瓦洛夫號的客輪在烏里揚諾夫斯克伏爾加河上通過一座鐵路橋時,由于船長粗心駕駛,致使船舶偏離航線,從大橋的側(cè)跨駛過,由于豎向凈空高度不足,船的上甲板室與橋的上部結(jié)構(gòu)相撞,使包括一個電影放映室在內(nèi)的上甲板室全部被切掉,176人喪生.另有一起也是發(fā)生在前蘇聯(lián),一艘名為亞尼山德魯?依凡諾夫的號客船與伏爾加河鐵路橋相撞,橋上的四節(jié)列車車廂落水,死亡人數(shù)達240多人,這是死亡人數(shù)最多的一次船撞橋事故.收稿日斯:2007-11-25基金項目:國家科技部計劃項目(20044A2Z414101).作者簡介:蔡鍵(1955

6、),男,教授級高工,主要研究方向為土木工程.2安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版)第16卷其他地區(qū)如法國巴黎2001年一艘滿載乘客的游船在塞納河上,由于一塊漂木卡在了游船的螺旋槳里,導致主機熄火,而與路易斯一菲力普橋的橋墩相撞,造成6名游客受傷.英國sevem河的SEVERN鐵路橋,1960年兩艘裝油駁船鉤在一起,船側(cè)撞擊橋墩,造成一支撐墩,兩跨垮蹋,死亡5人.我國內(nèi)船撞橋事故也是頻繁發(fā)生.根據(jù)2002年的資料統(tǒng)計,僅在長江干線上,從1959年第一次記載武漢長江大橋被船泊撞擊,就已經(jīng)陸續(xù)發(fā)生了近300多起重大船只撞擊橋梁事故.船只損失嚴重,橋梁也受到不同程度的損壞.其中武漢長江大橋70余起,南京

7、長江大橋約30起.近五年事發(fā)頻率,逐年增高.不久前廣東省佛山市九江大橋的一個引橋橋墩,被一艘偏離航道誤入非通航孔的運沙船撞擊倒塌,被稱為新中國成立以來最嚴重的船撞橋事件2.2船舶撞擊橋梁事故發(fā)生的原因根據(jù)資料統(tǒng)計,無論在國內(nèi)還是國外,船舶撞擊橋梁事故最主要的原因都是行船操作人員失誤,約占78,因此非常有必要加強操作人員的職業(yè)技術(shù)與道德培訓.第二位原因是惡劣的自然環(huán)境,約占16.如潮汐,洪水對船撞橋事故有顯著的影響.據(jù)我國長江干線船撞橋事故分析,洪水季節(jié)船撞橋事故明顯增多,事故率可達月均值的3倍左右.第三位原因是機械故障,約占6.另外船隊比單船更易發(fā)生撞橋事故,事故數(shù)量占總數(shù)的86.船撞橋事故更

8、多發(fā)生在能見度較差的情況下,與良好能見度情況相比,事故數(shù)量比約為8倍.受黑暗和城市燈光的影響,21:O0左右船撞橋事故較多3.以上諸多因素似乎是通過人的能力可以盡量減少或避免,然而除此以外還有一個不可忽略的因素,研究橋墩對水流的影響也是一個極其重要的課題.隨著經(jīng)濟發(fā)展,跨江,跨海等大型橋梁的興建,橋墩引起工程區(qū)段水位,流場的變化,已極大地影響了河道行洪,航道通航.在架橋之前水域是船舶的航道,架橋后船舶航行條件發(fā)生了變化,船舶必須避開橋墩,即使有些大橋橋位并不合理,航道也要改變.所以橋梁建設(shè)一定要考慮船舶通航,不是光遵守了橋梁規(guī)范就萬事大吉.要從和諧的觀念出發(fā),選擇合理的建橋位置;建設(shè)完善的防撞

9、設(shè)施,既保護橋,也保護船舶和環(huán)境4.總之,無論是主觀原因還是客觀原因,船舶撞擊橋梁事故,造成的后果和影響都是相當嚴重的,進一步進行這方面的分析研究是十分必要的.3船舶撞擊橋梁的計算船舶撞擊橋梁時的分析涉及許多因素,其中主要有船舶的質(zhì)量,航行速度,撞擊角度等,還包括大量的非彈性性能和非線性影響.在碰撞后的一瞬間,船舶運動可能包括橫搖,橫漂,搖首,縱傾,升沉和進退等;橋梁則會發(fā)生彈性變形,剛性位移,表面損壞,內(nèi)部出現(xiàn)相對位移與損傷等一系列反映.然而這些都是無法統(tǒng)計與量化處理的,給撞擊后分析帶來巨大的困難,因此說這種碰撞是一個復雜的問題.但無論碰撞過程如何的復雜,都必須遵循能量守恒定律,即撞擊前的撞

10、擊動能等于撞擊后船體形變勢能與橋梁所吸收的能量之和.通過能量轉(zhuǎn)換,可求出撞擊作用力5.目前常用的撞擊作用力計算有如下幾類.我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范使用了質(zhì)量,速度函數(shù)式進行計算:一wV(1)式中,P為平均撞擊力(根據(jù)實驗最大撞擊力P約為P的二倍>,為船的排水噸位,為船速,為沖撞時間(無資料時取ls),g為重力加速度引.德國沃辛總結(jié)出來的經(jīng)驗公式:P一0.88/z(1±50)鄉(xiāng)一寺鄉(xiāng)(2)其中,.為碰撞初速度;M為彈簧質(zhì)量;伽為船舶的重量.4橋梁防撞的措施隨著橋梁設(shè)計理論的發(fā)展完善,橋梁防撞設(shè)施已成為橋梁整體結(jié)構(gòu)的一部分.在橋梁方案設(shè)計階段,就考慮橋梁防撞保護問題,較為有利.

11、目前已有相應(yīng)的船舶碰撞的指導文件或規(guī)范,內(nèi)容包括碰撞概率分析,設(shè)計船舶的確定,碰撞力計算,船舶破損長度的計算,防撞保護系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范等,可作為防撞設(shè)計參考_7.防撞設(shè)施的設(shè)計需要根據(jù)橋墩的自身抗撞能力,橋墩的位置,橋墩的外形,水流的速度,水位變化情況,通航船舶的類型,碰撞速度等因素進行.防撞設(shè)施一般應(yīng)滿足這些要求:(1)對碰撞的船舶能量進行消能緩沖,使船舶不能直接撞擊橋墩,或使船舶碰撞力控制在安全范圍內(nèi).(2)防撞設(shè)施不能影響船舶的通航,占用航道范圍盡量少.(3)通過合理的結(jié)構(gòu),材料布置,盡量減少船舶的損傷.(4)防撞設(shè)施制造皮裝,維修經(jīng)濟方便,經(jīng)久耐用勵能可靠.經(jīng)過多年的研究應(yīng)用,世界上有多種

12、類型的橋墩防控設(shè)施,每種防撞措施都有其特點和使用條件.如緩沖材料方式,緩沖設(shè)施工程方式,重力方式,樁方式,人工島,薄殼筑沙圍堰方式(或沉箱方式),浮體系泊方式,非結(jié)構(gòu)物防撞系統(tǒng)等.設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)能有效地降低對橋墩的直接破壞.在碰撞過程中,防撞結(jié)構(gòu)能有效降低碰撞力峰值.同時可以通過合理設(shè)計防撞結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及剛度,從而可以限制橋梁在碰撞中受到的最大碰撞力載荷.碰撞過程中碰撞能量主要被防撞結(jié)構(gòu)和撞擊船的變形能的形式吸收.防撞結(jié)構(gòu)通過自身結(jié)構(gòu)的塑性變形大量地吸收碰撞能量,從而消除傳遞到橋墩上的沖擊力或使其減小到非破壞水平,并對撞擊船起到一定程度的保護作用.5某橋梁受撞擊后的觀察一貨輪空載排水量400t

13、,逆水航速3km/h,船艏偏左側(cè)部位直接撞擊大橋主橋2號橋墩下游側(cè)墩柱,碰撞方向接近對直撞擊.橋區(qū)水流速度0.76m/s,水流量是41500m./s.橋梁受撞擊后;組織力量檢測發(fā)現(xiàn),該橋墩已受多次撞擊主橋1號墩采用雙柱柔性墩設(shè)計,蓋梁為1960×330cm,引橋側(cè)共8橡膠支座,支座墊石尺寸為60×55cm,橡膠支座采用45×30cm,T梁底部鋼板尺寸為45×86.8cm(測試數(shù)據(jù)).橡膠支座橫橋向中軸線距蓋梁邊為53.5cm,上,下游兩側(cè)第一個支座縱橋向中軸線距蓋梁側(cè)邊為73.5cm,兩個橡膠支座間距為259cm.主橋側(cè)共2個盆式支座,支座墊石尺寸為11

14、0×ll0cm.引橋側(cè)的防震擋塊除y支座上游側(cè)一個完好外,其它擋塊均以破碎.主橋側(cè)盆式支座:上游側(cè)的單向支座,頂板的上游側(cè)面鋼板與頂面鋼板斷裂,合肥端間距為1.4cm,銅陵端間距為0.7cm.伸縮裝置形式為萬寶鳥式,主橋1號墩處伸縮裝置共8片中梁.8根梁中線位置均斷裂,其_中1號邊梁斷3處,4號中梁斷3處,5號中梁斷2處.除上游第一個支座擋塊之外其余支座擋塊都折斷;而且主梁上游邊緣在支座內(nèi)側(cè)3.75.4cm,表明主梁可能整體向下游橫向移動;上游4根主梁懸出支座部分增長,下游4根主梁懸出支座部分縮短,表明主梁繞橋支座群中點逆時針旋轉(zhuǎn).簡支T梁活動支座端,逆撞擊方向出現(xiàn)微量移動.小船舶長

15、達十余年的海量撞擊,累積至今,導致了T梁的大尺度位移.由于船舶短暫撞擊時,橋墩連同與橋墩拴接的各個構(gòu)件向上游微量移動;而滑動支座上的T梁因慣性使其運動滯后,不能及時隨支座移動,二者產(chǎn)生相對滑移.橋墩連同與橋墩拴接的各個構(gòu)件橫向剛度較大,還要微量彈性回彈.如果不能或只能部分克服滑動支座起動靜摩擦力,T梁與支座的移動偏差將全部或部分保留.該次撞擊對橋梁總體安全不大,船的總動能為385.80kNm,減速去船的總變形能則得出由沖擊過程傳至橋墩的能量,約為40.47kNm.橋墩按細桿計算,長度為40.32m,直徑0.280m,下端作固定,上端為鉸支承.?沖擊中心距上端為17.Im,按最大(下轉(zhuǎn)第26頁)

16、26安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版)第16卷3.3門窗工程安裝質(zhì)量的控制鋼窗安裝質(zhì)量的控制重點有兩點,一是鋼窗進場合格證,產(chǎn)品試驗報告及外觀的檢查;二是鋼窗和固定鋼窗的立柱之間的間隙控制.先施工固定鋼窗的立柱,對有可能出現(xiàn)鋼窗與立柱之間縫隙過大或鋼窗安不上.在監(jiān)理過程中,要求施工單位先固定鋼窗一邊的立柱,待鋼窗完全固定就位后再焊接另一邊的立柱,這樣保證鋼窗與立柱之間無縫隙.5結(jié)束語鋼結(jié)構(gòu)工程的施工在我國較晚起步,在鋼結(jié)構(gòu)工程施工監(jiān)理過程中,要真正發(fā)揮工程監(jiān)理的作用,監(jiān)理工程師不僅要做好各分項工程的工序驗收工作外,還要加強施工過程中的監(jiān)督檢查,這樣才能保證鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量.參考文獻4壓型彩

17、板安裝質(zhì)量控制壓型彩板進場后,要進行外觀和合格證的檢查,并復核與壓型板施工安裝有關(guān)鋼構(gòu)件的安裝精度,清除檁條安裝時的焊縫藥皮和飛濺物,并涂刷防銹漆進行防腐處理.彩板安裝時,要按墻面進行排版,從一端開始進行,板與板之間必須咬緊,再用螺釘固定,墻板接縫處做好防水處理.(上接第3頁)集中力873.24kN分析.計算結(jié)果最大拉應(yīng)力1.55MPa,位于下端固定點;最大位移0.48cm,為沖擊中心處.但是通過對全橋的檢測發(fā)現(xiàn),被撞橋墩及附近構(gòu)件受到明顯的宏觀影響,有相當一部分已偏離原始位置.說明長期小規(guī)模的撞擊,對橋梁安全而言,也是不可忽略的_8.6結(jié)束語為確保橋梁的安全,對發(fā)生船舶碰撞事故可能性較大或多

18、次發(fā)生碰撞的橋墩應(yīng)該加以防護,以使碰撞受損的危險減至最小,建議在合適的條件下安裝橋墩保護設(shè)施或防撞消能設(shè)施.對已被碰撞的部位進行處理.應(yīng)加強橋區(qū)水上船舶航行安全的監(jiān)測管理.對橋區(qū)水域的導航,助航等保證船舶安全通過橋區(qū)的設(shè)施,進行妥善管理,對于操船者應(yīng)加強宣傳,教育,嚴格執(zhí)行水上交通規(guī)則等管理措施.橋墩受到多次撞擊可能會引起支座與主梁的錯位,使伸縮縫的變形不協(xié)調(diào),嚴重的會使伸縮縫斷裂,給橋梁結(jié)構(gòu)和車輛的行駛埋下安全隱患.說明橋梁下部受撞擊,其他構(gòu)件可能也會有所反映,陳建平.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量控制M.上海:同濟大學出版社,2007.謝紹志.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收與事故分析處理M.合肥:安徽音像出版社,2004.胡松.淺談鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量監(jiān)理J.安徽建筑,2007(5):15716o.(責任編輯:陳玲)為今后檢測工作提出新的思維方式:結(jié)構(gòu)局部損壞的根源應(yīng)該在何處,怎樣尋找結(jié)構(gòu)損傷的原因?參考文獻1戴彤宇,聶武,劉偉力.長江干線船撞橋事故分析J.中國航海,2002,53(4):4447.2王長虎.橋梁安全事故淺析及其防治對策研究J.北方交通,2007(03):5254.3嚴仁軍,李嶸,王勇,等水路航運與橋墩防撞研究