船橋碰撞研究綜述

陸 凱，陳徐均，沈海鵬

（陸軍工程大學 野戰工程學院，江蘇 南京 210007）

引 言

近10 余年來的統計資料表明，世界范圍內發生的船橋碰撞重大事故已有100 多起，事故數量連年居高不下，找到適合具體水域環境及滿足通航要求的橋墩防撞方式是個重要課題，設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險評估、船橋碰撞計算方法和橋梁防撞技術等方面進行研究探討，下面分別從上述三個方面的國內外研究展開討論。

1 船橋碰撞概率及風險評估

船橋碰撞風險評估，即在事故發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生概率有助于減少生命財產損失，因此船橋碰撞風險評估是個很有意義的課題。

為解決船橋碰撞概率問題，國內外學者通過整理船橋碰撞事故的統計資料，運用航道及航行管理等方面的專業知識，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，其中較為經典的有AASHTO 規范、歐洲規范、Larsen 模型及KUNZ模型。

AASHTO 規范[1]是目前應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 區駛入B 區的概率）則來自于長期的事故統計或AASHTO 給出的經驗公式，該模型的缺陷在于：規范默認船舶一旦駛入危險區域B 區后就發生事故，但實際上船舶進入B 區后會采取減速、調整航向等措施避免碰撞，不一定會發生事故。

圖1 幾何概率PG 計算模型

圖2 船舶偏航示意

圖3 歐洲規范船橋碰撞概率模型

歐洲規范[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方向為x、y 軸建立坐標系，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]從現象學角度出發，將船撞橋事故歸結為如圖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，假設兩個隨機變量的概率密度均符合正態分布，對區間上二者的混合概率密度求積分得到船橋碰撞事件的發生概率，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 三概率參數積分路徑模型

碰撞概率和碰撞可能造成事故的嚴重程度共同構成了碰撞風險[7,8.9]，由于北海地區特殊的地理氣候條件，無法通過架設高吸能支架來吸收全部船橋碰撞能，針對這個問題，Moan 等[10]根據挪威鋼結構規范設計了一種高強度支架以便在發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，減小了橋梁坍塌風險；Yang 和Wang等[11]利用基于析取信念規則的專家系統評估橋梁風險，用動態參數優化模型和差分進化算法對專家系統進行訓練，克服了連接信念規則帶來的組合爆炸問題，確定橋梁結構的維修優先級以避免橋梁安全事故的發生。

2 船橋碰撞力計算方法

1975 年，Minorsky[12]將復雜的船舶碰撞問題分為動能損失和結構損傷兩部分，分別根據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，采用抗阻系數表征船舶撞擊的激烈程度，經過對多起碰撞事故中能量損失與阻抗系數的統計分析，擬合出了二者間的關系，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，將原本應用于船舶間碰撞分析的Minorsky理論推廣到船橋碰撞領域，考慮流體附加質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系模型，得到了著名的Woisin 公式，同時發現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 重新分析實驗數據后對公式進行了改進。

1988 年，Heins 和Derucher 根據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施簡化為一個彈簧質量系統，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、撞擊過程持續時間等參數，在各類規范和防撞設施的初始設計中應用廣泛。

2000 年，我國出版了鐵路橋梁規范[17,18]，相較于國外規范，我國鐵路和公路規范的船撞力計算值偏小，因此在規范中引入了動能折減系數η ，適當地選取η 有助于控制我國規范與其他規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范取用。

上述分析方法主要從彈性系統能量、動量守恒出發，根據經驗公式具體導出算法，利用基本力學原理對船橋碰撞過程進行準靜態簡化分析，未考慮沖擊動力效應、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值，有時甚至與實際情況大相徑庭。而且，隨著現代船舶制造業的不斷發展，新型船舶的尺寸和結構類型與以往發生了重大變化，相關的設計標準需要進行修訂，因而國內外學者、專家越來越多地采用數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構在駁船碰撞下的動態響應，沖擊譜源于對船橋間相互作用的分析，其值與數值模擬結果相一致，經動態放大因子修正后與特定事件的頻譜值也吻合較好，相較于其他組合規則，線性疊加法對于模態響應的結合效果最佳，其結果與耦合船只影響分析的結果相一致，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件分別受兩種現代船舶撞擊后的響應及損傷分布，船體結構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，有助于統一現有的橫截面緊密度標準；研究成果可用于修訂新版的船舶與海上結構碰撞的設計指南。

3 橋梁防撞技術研究

橋梁防撞技術分為主動防撞技術和被動防撞技術兩類，前者指通過對船舶的航行管理和航行軌跡干預，避免船撞橋事故發生，后者通過橋墩自身的加強或防護設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 橋梁防撞技術分類

圖7 防撞裝置分類

20 世紀80 年代，日本學者巖井聰和莊司邦 昭[22]根據設置場所的不同，將防撞裝置分為直接構造和間接構造兩類，前者讓船舶撞擊力直接作用于橋墩，但會借助防撞設施進行一定程度的緩沖；后者將防撞設施設置在橋墩之外，利用防撞設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，國際橋梁和結構工程協會[4]將橋梁防撞結構分為防護板系統、支撐樁系統、系纜樁系統、人工島或暗礁保護系統、浮動保護系統五類，王君杰等[23]則將防撞結構分為附著式、一體式及獨立式三類；陳國虞等[24,25]根據各類設施的特點及適用場所對主、被動防撞結構進行了細致劃分，劃分后的防撞技術類別及各自特點描述如表1 所示。

表1 橋梁防撞技術分類

3.2 橋梁主動防撞技術

目前，主動防撞技術分為兩種，一是采用輔助系統指導船舶駕駛員做出判斷，系統依據的算法大多僅考慮船只間的碰撞而忽略了海岸線、橋梁等靜態障礙物的影響；二是開發具備自主機動能力的避碰系統，系統能夠同時考慮船只間以及船橋間的碰撞風險，碰撞規則就是為協調眾多船只的避碰操作而制定的，多數海上碰撞是由違反碰撞規則引起的。交通擁擠、河道狹窄的港口有著較大的碰撞風險，針對這個問題，Blaich 等[26]考慮碼頭、橋梁和海岸線等靜態障礙物、其他船只以及碰撞規則等因素，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 范圍內與其他船只或靜態障礙物最近的會遇距離，并根據船舶的物理約束提供無碰撞路徑。

綜合橋梁系統（Integrated Bridge System， IBS）[27,28]是當今電子導航應用的熱點，分為導航和自動化兩大子系統，前者由雷達、控制系統、電子海圖顯示和信息系統、自動駕駛系統及相關傳感器組成；后者由發動機控制系統、推進控制系統、艙底和壓載控制系統、空氣調節系統及報警監控系統組成，各部分相互獨立提高了系統魯棒性，即便IBS 系統發生局部故障也不影響其他功能的正常使用，綜合船橋系統的組成結構如圖8 所示。

圖8 綜合船橋系統示意

3.3 橋梁柔性防撞技術

按力學特點，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，導致燃油或化學品泄露，造成船毀人亡、橋毀人亡、污染整個海洋環境等嚴重后果；現代船橋防護理念從“只注重保護橋墩”轉變為“船橋和諧防撞”和“人性化保護”，顯然柔性防撞裝置更能符合時代發展的需求導向，下面就橋梁柔性防撞技術的研究現狀進行分析。

陳國虞[29]設計了一種“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]設計了一種由鋼絲繩圈和橡膠復合而成的固態粘性防撞裝置。整個防撞裝置分為防撞圈、外鋼圍和內鋼圍三部分，該裝置通過串并聯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，材料的本構關系類似于濕面團，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，可以多次使用，目前已運用于湛江海灣大橋的橋墩防護中。

針對西部山區河流具有航道窄、流速大、水位變幅大的特點，吳俊等[31]設計了如圖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，最后結合數值模擬及模型試驗的結果，分析防撞設施建成后對橋區河段河床演變、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。

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泡而成的復合材料，兼具金屬和氣泡特征，發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構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，分析撞擊規律及其原因，得到了最優的厚度和結構型式。

纖維增強復合材料（ 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，質輕高強耐腐蝕的優良特性使其廣泛應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 材料的典型應用。該裝置采用的是全新的結構型式、連接方式和耗能模式，具備“自定位、弱接觸、高耗能”等結構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]提出一種大型復合保險杠系統以保護橋墩受船舶碰撞，系統由玻璃纖維增強聚合物外皮、玻璃纖維增強網格、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、易于更換等優點，LS-DYNA 對該系統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構的動態響應，分析不同工況下的模擬結果，得到抗彎剛度對外套箱的動態響應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，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地成為工程領域的熱點問題，通過對船橋碰撞概率及風險評估、船橋碰撞計算方法和橋梁防撞技術研究等三方面研究現狀的分析與總結，發現目前關于橋梁防撞裝置的設計主要集中于應力及能量變化等動力學分析，以理論推導和數值模擬為主，試驗方法為輔，研究整體偏理論化。雖然關于新型防撞裝置的研究得到了越來越多的關注并取得了一定的突破，但仍然難以得到普及，復合材料秉持“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，又能節約成本，是橋梁防撞應用領域的新趨勢，如果能夠進一步強化關于新型防撞裝置的試驗研究，更直接地呈現碰撞對結構物造成的損傷，并以此為依據探討防撞裝置的防撞性能，該領域很有可能得到長足的發展。