船-橋相互作用研究綜述

船-橋相互作用研究綜述

為了通過(guò)河流和海灣（海岸）修建橋梁，必須通過(guò)陸路交通。然而，對(duì)于水上船舶來(lái)說(shuō)，橋梁是一個(gè)人工障礙。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1），世界上每年都發(fā)生幾處嚴(yán)重的水上橋梁沖突。在我國(guó),武漢長(zhǎng)江一橋自建成以來(lái)受到船舶撞擊達(dá)70余次,受到較為嚴(yán)重的損傷,后設(shè)置了防撞裝置.南京長(zhǎng)江一橋自建成以來(lái)也遭受到多次的嚴(yán)重船撞,橋墩表面混凝土損傷較大,多次修補(bǔ).雖沒(méi)有造成安全問(wèn)題,但影響橋梁的耐久性.船舶撞擊橋梁可能導(dǎo)致的損失可以歸納為直接損失和間接損失,詳細(xì)分類(lèi)見(jiàn)表1.對(duì)于橋梁擁有者來(lái)說(shuō),只關(guān)心橋梁的損失;對(duì)于船舶擁有者來(lái)說(shuō),只關(guān)心船舶的損失;相關(guān)的工商業(yè)公司則關(guān)心由于交通中斷(或受阻)造成的業(yè)務(wù)損失;而對(duì)于政府來(lái)說(shuō),除了關(guān)心以上各項(xiàng)損失之外,還關(guān)心人員傷亡和環(huán)境及社會(huì)等更大方面的影響.由于上述原因,世界各國(guó)對(duì)船撞橋問(wèn)題越來(lái)越重視,尤其是在修建有大噸位通航船舶的橋梁結(jié)構(gòu)(如跨越大河和跨越海峽的橋梁結(jié)構(gòu))時(shí).1沖擊與爆炸事故設(shè)計(jì)荷載國(guó)際上關(guān)于船撞橋問(wèn)題的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代初.IABSE(InternationalAssociationofBridgeandStructuralEngineering)于1983年召開(kāi)了一次國(guó)際會(huì)議討論此問(wèn)題.1991年IABSE發(fā)表了《交通船只與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響》(綜述與指南).1993年IABSE又出版了“船舶碰撞橋梁”專(zhuān)冊(cè).AASHTO于1991年出版了《船舶碰撞公路橋梁設(shè)計(jì)指南》.1997年歐洲統(tǒng)一規(guī)范(Eurocode)第一卷(Eurocode1)第2.7分冊(cè)開(kāi)始試用,試用期為3年.此分冊(cè)規(guī)定了沖擊與爆炸事故設(shè)計(jì)荷載的確定方法.我國(guó)在公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中也對(duì)船舶撞橋的設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行了規(guī)定.上述規(guī)范(或指南)的概要對(duì)比見(jiàn)表2.表中mDWT表示船舶的噸位;v表示船舶的速度;k表示等效剛度;m表示等效質(zhì)量.橋梁船撞設(shè)計(jì)的目的是避免結(jié)構(gòu)災(zāi)難.但中國(guó)規(guī)范與美、歐規(guī)范(或指南)相比,在考慮問(wèn)題的深度和方法上有很大差距.中國(guó)規(guī)范將橋的船撞力處理為偶然荷載,將動(dòng)力作用等效為一個(gè)水平靜力作用,從設(shè)計(jì)實(shí)踐看,設(shè)計(jì)船撞力值對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響很小.總的來(lái)看,中國(guó)規(guī)范的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)策略不明確,對(duì)船撞問(wèn)題的重視程度不夠.歐、美規(guī)范(指南)在細(xì)節(jié)和形式上略有差別,但基本設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)策略相同.從設(shè)計(jì)思想上看歐、美規(guī)范都將船撞橋處理為風(fēng)險(xiǎn)事件,即事故,要求在設(shè)計(jì)中,將事故作用與永久的和可變的載荷一起進(jìn)行考慮.所選擇的設(shè)計(jì)情況應(yīng)是足夠的嚴(yán)重且多樣,以包括具有合理的發(fā)生概率的所有情況.美國(guó)的船撞橋設(shè)計(jì)指南明確規(guī)定了設(shè)計(jì)的目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)概率(見(jiàn)表2).歐洲規(guī)范未對(duì)一個(gè)事故作用規(guī)定任何年概率,但參照了ISO的DP10252(“由于人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的事故作用”)中的相應(yīng)條款,目標(biāo)設(shè)計(jì)概率約為P=10-4.從設(shè)計(jì)策略上看,歐、美規(guī)范都對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的重要性進(jìn)行了分類(lèi),如美國(guó)的設(shè)計(jì)指南將橋梁結(jié)構(gòu)區(qū)分為重要橋梁和普通橋梁.同時(shí)對(duì)橋梁各部件的重要性也進(jìn)行了區(qū)分,允許由事故作用引起的局部失效,倘若它不引起橋梁結(jié)構(gòu)的整體失效的話(huà).對(duì)于局部失效和整體失效的這一區(qū)分是強(qiáng)制性的,以便區(qū)分常規(guī)設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)事件作用(事故作用)設(shè)計(jì)的本質(zhì)不同.局部失效(在大多數(shù)情況下,這等同于部件失效,但它不引起整體失效)意味著超靜定性效應(yīng)和材料性能與幾何形狀的非線(xiàn)性效應(yīng)在減輕事故作用的設(shè)計(jì)中可以起重要的作用,特別是對(duì)于大能量吸收裝置的設(shè)計(jì).更為基本的設(shè)計(jì)策略是減小事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn).首先要考慮減小風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率的各種措施,包括在發(fā)生事故情況時(shí)的應(yīng)急計(jì)劃,其后才是各種具體的防撞設(shè)計(jì).2目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)2.1船舶撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)可定義為事件非期望結(jié)果的潛在現(xiàn)實(shí)性.船撞橋的安全問(wèn)題應(yīng)主要從橋位選址、航道規(guī)劃、航運(yùn)指揮、橋梁跨度等概念設(shè)計(jì)方面加以解決,而且這些應(yīng)當(dāng)是解決船撞橋問(wèn)題的主要手段.本文所說(shuō)的船撞橋風(fēng)險(xiǎn)是指在上述有效方法都得到考慮之后仍然存在的船舶撞擊橋梁的風(fēng)險(xiǎn).對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)事件,工程界廣泛采用概率方法進(jìn)行定量描述,這需要確定風(fēng)險(xiǎn)事件可以接受的發(fā)生概率.對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu),需要定義幾個(gè)具有明確工程意義的控制狀態(tài),并對(duì)這幾個(gè)控制狀態(tài)確定一個(gè)合理的失效概率.在詳細(xì)討論這一問(wèn)題之前,必須指出關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)事件如下的基本認(rèn)識(shí):①必須承認(rèn)幾乎所有人類(lèi)活動(dòng)都會(huì)有風(fēng)險(xiǎn),“零風(fēng)險(xiǎn)”只是一種幻想;②必須區(qū)分“意愿風(fēng)險(xiǎn)”和“非意愿風(fēng)險(xiǎn)”.“意愿風(fēng)險(xiǎn)”出于個(gè)人(或部分人)的愛(ài)好,如登山活動(dòng)就是一種自愿冒險(xiǎn)的活動(dòng),但不能強(qiáng)迫所有的人都承擔(dān)如此大的風(fēng)險(xiǎn).“非意愿風(fēng)險(xiǎn)”是人類(lèi)正常生活中必須承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn),無(wú)論愿意還是不愿意,如交通事故、自然死亡等.本文所說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)是指“非意愿風(fēng)險(xiǎn)”.2.2碰撞概率模型船只碰撞橋梁結(jié)構(gòu)的事故是相當(dāng)少的,因此碰撞概率的估計(jì)不能僅建立在船只和橋梁碰撞的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,非常有必要模擬分析可能發(fā)生的碰撞事故的碰撞概率模式.為建立船只碰撞概率模式,應(yīng)①研究所規(guī)劃橋梁附近的航運(yùn)情況,收集船只事故的數(shù)據(jù),即擱淺、船船碰撞、船和燈塔碰撞等的數(shù)據(jù);②根據(jù)所獲得的航運(yùn)情況和事故資料,建立船只碰撞概率模式用以解釋船橋碰撞的形式,并把橋梁現(xiàn)場(chǎng)的特殊情況包括進(jìn)去;③進(jìn)行用于理論模型的參數(shù)研究.這些方法無(wú)論在實(shí)際工程項(xiàng)目的研究中,還是在設(shè)計(jì)指南和設(shè)計(jì)規(guī)范的制定中都被廣泛地研究過(guò).碰撞概率風(fēng)險(xiǎn)模型一般可以表示為下述乘積形式:Pf=∑iNiPAiPGiPCi(1)Ρf=∑iΝiΡAiΡGiΡCi(1)式中:Pf是橋墩倒坍的年概率;Ni是每年穿過(guò)橋梁的某種類(lèi)型(i)船只的數(shù)量;PAi是船舶偏航概率;PGi是“幾何概率”,與船只實(shí)際分類(lèi)有關(guān),NiPAiPGi是i類(lèi)船只的碰撞預(yù)計(jì)數(shù);PCi是碰撞發(fā)生時(shí)橋墩的倒塌概率(或處于某種指定狀態(tài)的概率).橋下駛過(guò)的某類(lèi)船舶數(shù)Ni根據(jù)船舶尺度(通常表示為載重噸位,mDWT)、類(lèi)型(諸如油輪和貨輪,艙面駁和底卸式駁等)及負(fù)載狀態(tài)(空載、壓載、部分裝載或滿(mǎn)載)來(lái)確定.偏航概率PAi代表船舶偏離正常航道,會(huì)撞擊橋梁的統(tǒng)計(jì)概率.幾何概率PGi是船舶在橋梁附近失控(即偏航)而撞擊橋墩的狀態(tài)性概率.根據(jù)橋梁碰撞的歷史資料,采用普通分布圖來(lái)模擬偏航船舶在水路上的位置.設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)偏離量σ等于船舶或拖駁的總長(zhǎng)L,并以船舶在橋下通過(guò)時(shí)所取的航道為中心線(xiàn)(通常就是結(jié)構(gòu)主跨的中心線(xiàn)).如圖2所示,PGi就是普通分布圖中由不在船舶正常航道上的橋墩位置來(lái)界定的那塊區(qū)域,它以橋墩寬度加橋墩兩側(cè)半個(gè)船舶寬度為界限.倒坍概率PCi是許多變量的函數(shù),這些變量包括:船舶大小、類(lèi)型、艏尖艙的壓載和形狀、速度、撞擊的方向及質(zhì)量.倒坍概率亦取決于橋墩的極限側(cè)向載荷強(qiáng)度(尤其是受到船舶首部撞擊的那部分橋墩),可以根據(jù)試驗(yàn)和理論分析確定.圖3是AASHTO指南給出的,H/P(H為構(gòu)件的極限強(qiáng)度;P為船舶沖擊力)與倒塌概率PC之間的關(guān)系.2.3船事故概率法確定合理的、可接受的風(fēng)險(xiǎn)概率是一個(gè)十分困難的問(wèn)題.從現(xiàn)有的知識(shí)來(lái)看,普遍采用比擬法和期望損失最小化方法來(lái)給定船撞橋的目標(biāo)失效(如倒塌)概率.這兩種方法并非船撞橋問(wèn)題所特有的,其它風(fēng)險(xiǎn)事件(如地震、各種爆炸等)在采用概率方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都面臨同樣的問(wèn)題,也得到了比較多的研究,這里就不贅述了.AASHTO指導(dǎo)規(guī)范把橋梁分為重要類(lèi)和普通類(lèi).對(duì)應(yīng)于這兩類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)失效概率分別是:Pf=0.0001(重要橋梁),Pf=0.001(普通橋).3設(shè)計(jì)船撞擊力計(jì)算方法的確定碰撞的力學(xué)理論可能是相當(dāng)復(fù)雜的.碰撞體的初始動(dòng)能可以轉(zhuǎn)換成為建筑結(jié)構(gòu)與碰撞體結(jié)構(gòu)單元的其它形式的動(dòng)能和彈-塑性變形或者斷裂.撞擊位置與角度的細(xì)小改變可能對(duì)撞擊后果造成實(shí)質(zhì)性改變.但是若嚴(yán)格考慮船撞橋問(wèn)題的細(xì)節(jié),就可能使工程師無(wú)法完成這樣的設(shè)計(jì),除非進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究.因此歐洲和美國(guó)在制定規(guī)范和指南時(shí),根據(jù)一些理論和試驗(yàn)研究結(jié)果,提出了十分簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)船撞力的確定方法.AASHTO規(guī)范為船舶或駁船頭部與橋梁相撞時(shí)其當(dāng)量靜態(tài)撞擊力的計(jì)算提供了如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:PS=0.98(mDWT)1/2(v/16)(2)ΡS=0.98(mDWΤ)1/2(v/16)(2)式中:PS為當(dāng)量靜態(tài)撞擊力,MN.歐洲規(guī)范假定橋梁結(jié)構(gòu)是剛性且不可移動(dòng)的,碰撞體(船舶)用一個(gè)準(zhǔn)彈性單自由度系統(tǒng)來(lái)模擬,見(jiàn)圖4.在這種簡(jiǎn)化情況下,最大的相互作用力F按下式計(jì)算:F=vkm???√(3)F=vkm(3)在歐洲規(guī)范中,當(dāng)量設(shè)計(jì)船撞力按式(3)計(jì)算.對(duì)于內(nèi)陸航道船舶,質(zhì)量應(yīng)取所在組的中間值,速度取為3m·s-1,k=5MN·m-1;對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶,速度取3m·s-1,k=15MN·m-1.4工程應(yīng)用當(dāng)橋梁和船舶有相撞的可能性時(shí),需要設(shè)計(jì)防撞設(shè)施.從橋梁結(jié)構(gòu)的安全考慮,防撞設(shè)施可按兩種情況設(shè)計(jì).當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)整體具有足夠的抗船撞能力,這時(shí)防撞設(shè)施可以是局部的.此時(shí)可以設(shè)計(jì)一個(gè)防撞體系以防止橋梁局部破壞.此種情況下,防撞設(shè)計(jì)可以按兩個(gè)思路設(shè)計(jì).一是只保護(hù)橋,防護(hù)體系的抗力大于船的壓碎力,船首將被壓碎而沖擊能將基本上為船所吸收,如我國(guó)廣東省洛奚橋的圍堰防撞設(shè)施,見(jiàn)圖5.另一種設(shè)計(jì)思路是在保護(hù)橋的同時(shí),盡可能地減小船舶的破壞,如在我國(guó)黃石長(zhǎng)江大橋所使用的飄浮式防撞裝置,見(jiàn)圖6.防護(hù)裝置可以是橡膠產(chǎn)品,也可以是鋼構(gòu)件.沖擊能量通過(guò)橡膠或鋼構(gòu)件的壓縮、彎曲、剪切變形或者三種變形的結(jié)合被吸收掉.當(dāng)橋梁的整體抗船撞能力不足或由于特殊要求不允許船和橋相撞時(shí),需采用更強(qiáng)大的防撞體系.較常用的是防護(hù)墩和防護(hù)島.護(hù)墩樁一般用打入鋼板樁構(gòu)成圓形格艙,內(nèi)填石塊或混凝土,并蓋以混凝土頂蓋.護(hù)墩樁也可以用預(yù)制構(gòu)件做成,亦可全部在場(chǎng)外預(yù)制然后浮運(yùn)至最終位置.打入樁有時(shí)要加入到格艙內(nèi)作組合設(shè)計(jì).護(hù)墩樁的設(shè)計(jì)程序通常是以設(shè)計(jì)沖擊荷載所發(fā)生能量變化的估計(jì)值作為基礎(chǔ)的.為了設(shè)計(jì)的效果,建議護(hù)墩樁最大的變形量限制在小于格艙直徑的一半.在設(shè)計(jì)荷載條件下,允許格艙經(jīng)受大的塑性變形和部分坍毀.這種型式的防護(hù)結(jié)構(gòu)示例如圖7.環(huán)繞橋墩的人工島或橋墩前的人工沙洲提供了高效的防止船撞保護(hù).但應(yīng)對(duì)修建防護(hù)島之前和之后的航道及水流的變化進(jìn)行研究.香港汀九橋就采用了防護(hù)島來(lái)保護(hù)塔免遭船舶的撞擊,見(jiàn)圖8.島通常用沙或石作芯,并用厚的塊石鋪砌外層加以保護(hù),以防波浪、水流和冰的作用.島的幾何尺寸應(yīng)按下列準(zhǔn)則制定:①通過(guò)島傳給墩的船撞力不得超過(guò)橋墩和橋墩基礎(chǔ)的橫向承載能力;②島的尺寸應(yīng)使船在碰撞時(shí)其伸入島內(nèi)的足寸不會(huì)導(dǎo)致船和橋墩的任何部位有實(shí)際接觸.第二條規(guī)定對(duì)于空船或壓艙船和駁船特別關(guān)鍵,因?yàn)樗鼈兡茉趰u的斜坡上滑行并在停止之前走行很長(zhǎng)一段距離.迄今為止,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多大型橋梁設(shè)計(jì)了防船撞設(shè)施.概要情況見(jiàn)表3.5關(guān)于中國(guó)船事故橋梁的設(shè)計(jì)問(wèn)題,我國(guó)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)指南應(yīng)作積極關(guān)注,與我國(guó)強(qiáng)船撞橋問(wèn)題在國(guó)外從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始得到認(rèn)真的研究,經(jīng)過(guò)近20年的努力,歐洲和美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)制定了專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)規(guī)范或指南.在我國(guó)船撞橋問(wèn)題一直未得到足夠的重視,也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)規(guī)范或指南可供工程師使用.在公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的相應(yīng)條款過(guò)于簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)船撞力過(guò)低,對(duì)橋梁設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有影響.這不符合實(shí)際情況.隨著我國(guó)在大江、大河上修建橋梁數(shù)目的增多,以及船運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展,特別是跨海峽橋梁的規(guī)劃與建設(shè),船撞橋問(wèn)題的重要性逐漸地凸顯出來(lái),亟待我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)工程師和研究人員深入研究并加以解決,制定我國(guó)船撞橋的專(zhuān)用設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)指南.從工程設(shè)計(jì)的角度考慮,筆者認(rèn)為下面幾個(gè)問(wèn)題值得我國(guó)橋梁工程界人士進(jìn)行深入的研究和學(xué)習(xí).5.1引入概率設(shè)計(jì)的必要性迄今為止在各種橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中,失效概率等概率統(tǒng)計(jì)中的描述量對(duì)大多數(shù)工程師來(lái)說(shuō)還很不熟悉,直接使用這些量進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)還是十分困難的.結(jié)構(gòu)倒坍和人員喪生的風(fēng)險(xiǎn)一直被(迄今仍然被)融入于設(shè)計(jì)規(guī)范中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方程所使用的各種“安全系數(shù)”、“可靠性指標(biāo)”等理念之中.這是由于,確定出一個(gè)可接受的風(fēng)險(xiǎn)度是一個(gè)以?xún)r(jià)值為主導(dǎo)的過(guò)程,本質(zhì)上是主觀性的.公眾對(duì)可接受的風(fēng)險(xiǎn)程度眾說(shuō)紛云,難于達(dá)成一致.但是對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)事件(如地震、船和橋相撞等)的任何確定設(shè)計(jì)將導(dǎo)致設(shè)計(jì)思想的不明確,以及某些情況下設(shè)計(jì)結(jié)果的矛盾.在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到這種情況.為此,針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件(亦即事故)的本質(zhì),直接引入概率設(shè)計(jì)的概念和方法是合理和必要的.雖然工程師理解、掌握和在設(shè)計(jì)中運(yùn)用這樣的概念和方法還需要一個(gè)逐步學(xué)習(xí)和接受的過(guò)程,但這無(wú)疑是風(fēng)險(xiǎn)事件設(shè)計(jì)的正確發(fā)展方向.5.2重大橋梁重現(xiàn)期事件在基于概率概念的設(shè)計(jì)中,確定目標(biāo)失效概率是一個(gè)首要問(wèn)題.需要深入的研究,以建立起對(duì)船舶防撞設(shè)計(jì)及船舶碰撞所引起的綜合載荷所適用的目標(biāo)失效概率.美國(guó)的現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)范把地震視作為475年(對(duì)普通橋梁)及2500年(對(duì)重要橋梁)重現(xiàn)期事件;把船舶碰撞視作為1000年(對(duì)普通橋梁)及10000年(對(duì)重要橋梁)重現(xiàn)期事件.二者之間存在差別,因此確實(shí)存在一個(gè)制訂通用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的要求.美國(guó)普遍認(rèn)為船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)判據(jù)制定得太高,應(yīng)該有可能降低至抗地震設(shè)計(jì)所采用的475年和2500年重現(xiàn)期等級(jí).但歐洲當(dāng)前的一些討論卻恰恰相反,他們認(rèn)為船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定得太低了,應(yīng)該增加至10000年(對(duì)普通橋梁),甚至高達(dá)1000000年(對(duì)重要橋梁).確定目標(biāo)失效概率,不僅是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題,更是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題以及社會(huì)承受能力問(wèn)題,應(yīng)綜合考慮各方面因素.5.3橋梁板卡設(shè)計(jì)船-橋相撞是一個(gè)十分復(fù)雜的碰撞動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.這一問(wèn)題尚未得到很好的理論和試驗(yàn)研究.但是研究工作已經(jīng)起步,正待深入下去.在目前情況下,對(duì)于一般橋梁可參照歐、美專(zhuān)門(mén)規(guī)范的設(shè)計(jì)船撞力;對(duì)于重要橋梁應(yīng)立專(zhuān)項(xiàng),加以