超大船舶噸級航道橋梁防船撞設計研究

孫大奇 劉曉光 郭輝 許明財 王芳 朱穎 趙欣欣 曾廣武

（1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.華中科技大學船舶與海洋工程學院，武漢 430074；4.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100038）

我國水運交通迅猛發展，通航密度劇增，船舶噸級也明顯增大，通航河道橋梁遭受船舶撞擊的事件時有發生，船橋碰撞風險日益增大［1-2］。一旦發生船橋撞擊事故，可能造成橋梁受損坍塌、航道受阻、環境污染、生命財產損失等嚴重后果，因此對船橋碰撞的研究已是跨河、跨海橋梁設計中的重要問題［3］。

船橋碰撞是一個復雜的動態過程，其準確計算較為困難。為便于設計，各國橋梁設計規范都給出了簡化的計算公式［4］。但對于通行超大噸位船舶的航道橋梁防撞設計，基本采取“一橋一議”的專項設計［5］。船撞力的影響因素較多，主要包括船舶船型、噸位，碰撞時的速度、角度、位置等［6-7］。這些數據的準確獲取對于合理確定船撞力、開展防撞設施設計至關重要。近年來，通過船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）準確獲取橋位處各類船舶信息被廣泛應用于水上交通安全管理［8-10］。Hansen 等［11］基于AIS 數據評估了Sognefjorden 海峽的船橋碰撞風險；Stahlberg等［12］利用AIS數據建立了基于可靠性的船船碰撞風險概率模型；潘晉等［13］基于AIS 數據分析了航行船舶動態，對AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials，美國公路與運輸協會）規范模型中的幾何概率進行了修正。

本文以一座千米級公鐵兩用斜拉橋為工程背景，基于船舶AIS數據，利用有限元仿真分析方法，開展大橋主墩防撞設施設計，提出了橋梁防船撞設施設計方法并設計了鋼+橡膠阻尼多級消能浮式模塊化防撞設施，驗證了防撞設施的性能。

1 基于AIS 數據統計的船舶參數分析與選定

一座千米級公鐵兩用斜拉橋主橋位于長江口澄通河段，采用雙塔五跨鋼桁梁斜拉橋結構。主橋跨徑布置為（140+462+1 092+462+140）m，主墩沉井基礎平面尺寸為86.9 m×58.7 m。橋式布置見圖1。

大橋是滬通鐵路的控制性工程，位于江陰長江大橋下游45 km，蘇通長江大橋上游40 km，與通蘇嘉城際鐵路、錫通高速公路共通道建設。該橋所處航道航運繁忙，實際通航船舶噸級超過內河通航規范值，這給橋梁防撞設防設計時船型的選擇帶來一定困難。由于主墩尺寸大，不同的設防等級會帶來防撞設施工程量的巨大差異。如果以通航船舶的最大噸級設防，防撞設施材料用量極大，而最大噸級的船舶通行及撞擊頻率很低，這將造成防撞設施的浪費。因此，有必要采取科學的方法分析主橋實際通航船舶的信息并制定合理的防撞對策，用于指導大橋的防撞設計。

圖1 橋式布置（單位：m）

1.1 AIS簡介及數據收集

提取水運繁忙期一周內橋區附近的AIS源數據并進行解碼分析，得到橋區通航船舶的靜態信息、動態信息和與航次有關的信息。分析統計數據并刪除無效數據，經一定處理后得到一周內大橋橋區船舶簡要信息，包括通航航跡圖、噸級分布、船型分布、平均船速以及95%超越概率航速。

提取某一時刻橋區內船舶坐標值，并在衛星地圖上以點表示，反復提取后可以得到橋區通航船舶航跡，見圖2。可見，橋區通航船舶密度較大，且集中分布在主通航孔區域。一周內通航船舶有2 083 艘，日均約300艘。

圖2 橋區通航船舶航跡

1.2 設防代表船型及噸級分布

大橋橋區通航船型主要為貨船（69%）和油輪（18%），二者占通航船舶總航次的87%。客船（5%）、漁船（3%）、執法船（2%）、拖輪（1%）、其他（2%）合計航次為總航次的13%。

橋區通航船舶噸位分布情況見表1、圖3。可見，一周內通航大橋附近水域內1.5 萬t 級及以下的船舶占據所有噸級的約74%，約95%的船舶噸級在3.5萬t級以下，最大通航船舶噸級達到15萬t。

表1 船舶噸位分布占比

圖3 船舶噸級累計分布函數

航道屬于內河Ⅰ級，通航船舶噸級選擇應按照5%準則，即選取噸級應覆蓋95%橋區通航船舶。根據統計結果，95%超越概率噸級應為3.5 萬t，最大通航船舶噸級達到15 萬t，因此設防代表船型噸級分布從5～10萬t較為合理，15萬t作為校核。

根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》［14］，設防船型的尺度見表2。分別考慮5，7，10，15 萬t，4 個不同船舶噸級。

表2 橋區設防代表船型尺度

1.3 設防代表船型船速分布

根據AIS 數據可知，橋區通航船舶平均速度達到2.57 m/s（5 節），低噸位小船高速時達到5.14 m/s（10節），大噸位船舶最高速度較慢。因此，船舶撞擊橋墩的速度選擇范圍為2.57～5.24 m/s（5～10 節）。不同船舶噸位對應的船舶速度分布見圖4。可見，5萬，7萬t 船舶取95% 超越概率航速分別為5.14 m/s（10節），4.57 m/s（8.9 節）。模擬船舶失舵不失速的情況下全速撞向橋墩。考慮10 萬t 級船舶有多個發動機，存在一定制動的情況下不會以全速撞擊橋墩，10 萬t船舶取平均速度3.03 m/s（6.6節）。

圖4 橋區通航船舶速度分布

15 萬t 船舶取水流速度，考慮存在引航措施的情況下，該噸位船舶不會以發動機運轉的狀態撞擊橋墩，只可能是失去動力隨水漂流撞擊。水流速度依據潮汐情況分為兩個方向，取主通航孔最大水流速度（下行3.62 m/s）。代表船型撞擊速度見表3。

表3 橋區設防代表船型撞擊速度

1.4 設防代表船型撞擊角度選定

船舶撞擊角度分布一直是船橋碰撞研究中的一個難點，因為船舶的撞擊角度不僅與船舶的偏航角度有關，還與橋梁下部結構幾何形狀和相對航道位置有關。一般通過統計橋位處船撞橋事故，得到撞擊角度分布，但由于早期船撞橋事故資料中對撞擊角并沒有太多的關注，因此統計資料相對匱乏。不過可以確定的是，絕大部分的船舶撞擊角度低于30°以下。德國Kunz［15］曾給出了撞擊角度分布，見圖5。可見，撞擊角度大都集中在6°～16°。

圖5 Kunz撞擊角度分布［15］

從三峽庫區三座跨江大橋的船舶偏航角的觀測結果來看，船舶的偏航角大都集中在2°～14°，不同橋梁其通航船舶的偏航角也有所不同，而對于船舶的撞擊角度則還需要根據橋梁下部結構形狀來進行合理估計。根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》規定［16］，船只駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角應根據具體情況確定，如有困難可采用20°。船舶撞擊角度取15°以下的占大多數，峰值約為10°，角度越大其所占百分比越小，從數學模型的角度來說符合極值Ⅰ型分布的特點。利用計算機程序隨機模擬船舶撞擊角度的頻數分布（均值15，標準差6）和不同撞擊角度的累計概率，見圖6。

圖6 隨機模擬撞擊角度頻數分布和不同撞擊角度的累計概率

由圖6可見，若發生船舶撞擊橋墩事故，撞擊角度大于20°的概率小于20%，大于30°的概率小于2%。

綜上分析，本文船舶側撞橋梁角度按TB 10002—2017規定取20°［16］。

通過AIS 數據統計分析，確定了大橋橋區船舶船型噸級、撞擊速度以及撞擊角度。船橋碰撞的不同工況見表4。

表4 船橋碰撞計算工況

2 橋墩船撞力有限元分析

2.1 有限元模型

采用有限元軟件對本橋主通航孔橋墩進行建模，導入動力學分析軟件LS-DYNA進行計算分析，然后通過LS-PREPOST進行計算結果的后處理。

結合現有實船特點和資料，考慮建模工作量和精度，對全船有限元建模和等效船體梁方法進行了折中。將一般船舶分為三段：船艏、船中、船尾。船艏按照實船結構圖進行相近的建模，尤其是首部接觸區域；船中和船尾分別按船體外殼建模（船尾較為復雜，可進行簡化），分別計算船中貨物和尾樓重量、重心，將其以密度的形式賦予在船中、船尾相應結構上。撞擊船的船艏結構用殼單元模擬，其中包括外板、各層甲板、橫向艙壁等。由于船體中后部遠離撞擊區域，實際不發生任何變形，僅考慮其剛度和質量用剛性實體單元簡化模擬。船艏撞擊區考慮材料的應變硬化效應和應變速率對其屈服強度的影響。

在建立橋墩沉井的有限元模型時，采用實體單元模擬。由于橋墩覆蓋層較深，覆蓋層均為軟土、淤泥、淤泥質土層，取沖刷線下5 倍樁徑處的位置進行固結處理。橋墩模型同樣采用實體單元模擬。有限元模擬時，取船舶重量的4%作為附連水質量。

船舶與橋墩之間設置面面接觸，船舶自身定義自接，考慮碰撞過程中船舶內部發生大變形導致自身結構的相互作用，防止碰撞過程中船舶發生大變形導致自身結構的相互穿透。撞擊過程中船舶與橋墩存在摩擦，據文獻［17］可取靜態和動態摩擦因數為0.3。船橋碰撞有限元模型見圖7。

圖7 船橋碰撞有限元模型

2.2 船橋碰撞計算

從橋梁安全角度出發，需對船舶撞擊橋墩的最不利工況進行計算。船舶正撞橋墩為橫橋向最不利工況，因此取表4 中工況1，3，5 進行船撞力分析計算，結果分別為214，272，251 MN，撞擊力時程曲線見圖8。根據設計文件，大橋橋墩橫橋向抗撞力為110 MN，工況1，3，5 的船撞擊力分別高出橋墩抗撞力94.6%，146.4%，128.2%，若發生碰撞事故，將給橋梁結構及行車安全造成較大威脅，因此有必要對橋墩進行防撞專項設計。

圖8 撞擊力時程曲線

3 橋墩防船撞設施設計及計算

3.1 橋墩防船撞設施設計

橋梁防撞設施設計方法流程見圖9。

圖9 橋梁防撞設施設計方法流程

考慮到撞擊船舶達到10萬t級，撞擊能量巨大，單純采用某種材料無法滿足吸能要求。提出鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設施總體設計方案，以形成多級緩沖消能的效果，在滿足防船撞要求、保護橋墩的同時，避免防撞設施、船舶發生較大破壞。

圖10 鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設施

鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設施見圖10。裝置主體是外鋼圍和內鋼圍組成的箱形結構，外鋼圍外層設置高分子阻尼元件LT-PI06 及外護板，內鋼圍與墩壁接觸側設置高分子阻尼元件LT-SC08，外鋼圍外表面敷設聚氨酯夾層板結構。兩層鋼圍之間采用X形格構式結構，首尾部格構空間填充高分子緩沖吸能材料。鋼制結構包覆纖維增強復合材料防腐層，增加防撞設施抗沖擊性能并保證鋼材的耐腐蝕性。考慮到后期養護維修，防撞設施采用模塊化設計以便于局部更換。鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設施不僅充分利用了各種材料的優點，而且通過結構優化設計，在吸收大量能量的同時，亦可滿足耐久性要求。

3.2 船舶-橋梁-防撞設施碰撞有限元分析

建立帶有防撞設施的碰撞有限元模型，防撞設施套箱中板材采用shell163 單元，桁材及防撞設施環向筋材采用beam161 單元。防撞設施主體為鋼結構，其材料特性與船體相同。

正撞時工況1，3，5撞擊力時程曲線見圖11。

圖11 正撞時不同工況撞擊力時程曲線

由圖11（a）可見：未安裝防撞設施時船撞力迅速到達峰值214 MN 并呈波蕩性減小，整個撞擊過程僅持續了2.2 s。安裝防撞設施后，防撞設施與船艏間的撞擊力峰值為140 MN，而防撞設施與橋墩間的撞擊力呈跌宕性增長，在2 s 后才達到最大值57 MN，小于橋墩的抗撞力110 MN，且整個撞擊過程持續了4.5 s，防撞設施安裝前后撞擊力折減73%。防撞設施撞深5 m，內外兩層格構擠壓變形，中間層格構輕微變形。

由圖11（b）可見：未安裝防撞設施船撞力迅速到達峰值272 MN 并呈波蕩性減小，整個撞擊過程僅持續2.3 s。防撞設施與船艏間撞擊力峰值達到151 MN，而防撞設施與橋墩間的撞擊力為跌宕性增長，在3 s后才達到最大值58 MN，小于橋墩的抗撞力110 MN，且整個撞擊過程持續了5 s，防撞設施安裝前后撞擊力折減79%。防撞設施撞深6 m，內外兩層格構擠壓變形，中間層格構變形，與工況1相比速度小但噸位大，破壞程度相近。

由圖11（c）可見：未安裝防撞設施船撞力迅速到達峰值251 MN 并呈波蕩性減小，整個撞擊過程僅持續2.6 s。防撞設施與船艏間的撞擊力峰值達到140 MN，而防撞設施與橋墩間撞擊力同樣呈跌宕性增長，在3 s后達到最大值49 MN，小于橋墩抗撞力110 MN，整個撞擊過程持續了5 s，防撞設施安裝前后撞擊力折減80%。防撞設施撞深5 m，內外兩層格構擠壓變形，中間層格構輕微變形，與工況3相比速度更小噸位更大，破壞程度相近。

側撞時船舶運動方向發生滑移，保留大量動能，撞擊力較正撞工況小很多。不同工況撞擊力時程曲線見圖12。防撞設施僅外鋼圍發生彎曲變形，破壞程度輕。橋墩所受的船撞力均小于110 MN，可保證橋梁安全。

圖12 側撞時不同工況撞擊力時程曲線

15 萬t 船舶撞擊防撞設施（工況7）的分析結果見圖13。可見，防撞設施與船艏間的撞擊力峰值達到了156 MN，而防撞設施與橋墩間撞擊力呈跌宕性增長，在4 s后才達到最大值54 MN，小于橋墩的抗撞力110 MN，且整個撞擊過程持續了7 s，說明防撞設施能夠有效抵御船舶碰撞。防撞設施撞深7 m，內外兩層格構擠壓變形，中間層格構嚴重變形，與工況5 相比噸位大，速度大，破壞程度最大。

圖13 工況7撞擊力時程曲線

綜合上述7 種工況的分析結果，設置防撞設施延緩了撞擊力峰值出現的時間，延長了撞擊過程，增加了能量交換的時間與空間，起到了緩沖吸能的效果；橋墩設防前后受到的撞擊力折減可達70%以上，設防后防撞設施代替橋墩承受了較大船撞力，橋墩承受的撞擊力遠低于自身抗撞力110 MN，可保證橋梁安全。

4 結論

1）本文以一座主跨千米級公鐵兩用斜拉橋為工程背景，通過AIS數據分析了橋區船舶的通航信息，確定了防撞設計參數，對船舶與橋墩碰撞過程進行了有限元分析，結果表明未設防時工況1，3，5 對應的橋墩船撞力峰值分別為214，272，251 MN，撞擊過程時間短（2.2～2.6 s），峰值均在0.5 s內出現。

2）從滿足船舶、防撞設施和橋梁的性能需求出發，本文提出了橋梁防船撞設施設計方法。針對超大船舶噸級航道橋梁的防撞設施設計，給出了鋼+橡膠阻尼多級消能浮式模塊化防撞設施的設計方案。該防撞設施具有延長船舶碰撞作用時間、推遲船撞力峰值出現時間、緩沖吸能等效果，且便于更換。

3）船舶-橋梁-防撞設施碰撞有限元分析結果表明，設置鋼+橡膠阻尼多級消能浮式防撞設施后，正撞工況船撞力遠小于橋梁抗撞力；側撞工況船撞力明顯減小、防撞設施變形小；15萬t校核工況下橋墩船撞力仍明顯小于橋墩抗撞力。防撞設施起到了良好的緩沖吸能效果，可以作為超大船舶噸級航道橋梁的防撞設施備選方案。