橋梁不懼船撞

文/供圖 同濟大學 夏燁 邵珠峰

招商局重慶交通科研設計院有限公司 尚軍年

組圖 不同航道條件上的橋梁

由同濟大學、招商局重慶交通科研設計院有限公司、中交公路規劃設計院有限公司、上海船舶運輸科學研究所、上海無線電設備研究所、上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司、上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司完成的“橋梁抗撞安全設計理論與防護、預警技術”項目，獲得了2020年度中國公路學會科學技術獎特等獎。項目創立了基于性能的橋梁船撞多目標安全設計理論體系，填補了國內橋梁船撞設計理論的空白，建立了基于剛度匹配的橋梁防撞設施設計方法，提出了適合不同水域環境的橋梁抗撞防護技術，研發了多種防撞設施，建立了基于時空數據的橋梁船撞安全監測預警與評估平臺，實現了橋區船只的監測與危險預警，通過上述技術的整體運行，實現了橋梁從建設到運營階段的船撞保護，有效降低了船舶撞擊橋梁的事故率。

適于我國的橋梁防船撞設計方法橫空出世

我國公路網絡發達，水系眾多，跨航道橋梁船撞問題突出，而跨航道橋梁的船撞設計及防護一直是全世界面臨的難題。與此同時，我國公路和航道里程逐年增加，船舶大型化趨勢明顯，大大增加了跨航道橋梁的船撞風險，導致船撞事故頻發。據不完全統計，我國平均每年發生嚴重船撞事故約17起，導致了重大的人員傷亡和財產損失，引起了社會的高度關注。降低了橋梁船撞事故風險，遏制了重特大事故的發生，保障了人民群眾生命財產安全已迫在眉睫。

我國橋梁所處環境復雜，且存在航道彎曲、礁石淺灘眾多、潮起潮落導致的大水位落差等情況，國外規范無法直接應用于我國橋梁防船撞設計，因此急需一套適用于我國國情的橋梁防船撞設計方法，從系統的防撞理論研究、主動預警系統和被動防護技術等方面出發，實現橋梁從建設階段到運行階段全壽命的船撞安全防護。項目創立了基于性能的橋梁船撞多目標安全設計理論體系，建立了基于剛度匹配的橋梁防撞設施設計方法與基于時空數據的橋梁船撞安全監測預警與評估平臺。通過以上技術的整體運行，實現了橋梁從建設到運營階段的船撞保護，有效降低了船舶撞擊橋梁的事故率。

方案設計亮點頗多

該項目依托交通運輸部西部項目、國家自然科學基金委項目、國家重點研發計劃項目，歷經15年產、學、研、用聯合攻關，通過對橋區環境的建模分析，建立了面向橋梁抗撞性能設計要求、可考慮復雜航道環境特性的船撞風險概率計算模型，計算確定橋梁防撞設計所需的設防船撞力和設防代表船型，明確了橋梁的設防水準；通過數值模擬手段，規范了船撞靜力及動力作用荷載；在設防代表船型及設防船撞力的基礎上，采用基于性能的靜動力設計方法進行橋梁結構的防撞設計。對于抗撞性能不滿足需求的橋梁，項目組采用精細化的數值模擬和適用不同水域特點的結構性防護技術，對橋梁進行有效防護。同時，采用主動在線預警系統，有效減少船舶撞擊橋梁的事故發生。

研究強迫力和質點碰撞荷載模型 提出面向設計的橋梁船撞動力荷載模型

針對抗撞理論體系不完善，項目組研究了強迫力和質點碰撞荷載模型，提出了面向設計的橋梁船撞動力荷載模型，規范了船撞動力作用荷載；研究了船舶撞擊橋墩的作用荷載及結構的動力響應，建立了橋梁船撞性能指標體系，提出了多約束條件下橋梁船撞易損性分析方法，創建了橋梁船撞性能設計的理論框架和實現途徑；揭示了偏航船舶碰撞橋梁的規律，建立了面向橋梁設計、可考慮復雜航道環境的船撞風險概率計算模型，并提出了橋梁船撞后果量化估計方法，最終構建了橋梁船撞多目標安全設計與決策整體理論體系。

項目研究了橋梁船撞動力響應的質點碰撞和強迫力荷載模型，提出了面向設計的橋梁船撞動力荷載模型，規范了船撞動力作用荷載。通過靜動力荷載下混凝土構件沖擊加載破壞狀態分析，確定混凝土構件的性能指標和沖擊性能等級量化標準，提出了橋梁結構船撞性能等級的量化劃分方法，并在此基礎上建立了橋梁結構船撞易損性分析和基于性能的橋梁抗船撞設計理論、方法。項目揭示了偏航船舶碰撞橋梁的規律，建立了考慮復雜航道環境的面向橋梁設計的船撞風險概率計算模型，建立了橋梁船撞多目標安全設計與決策整體理論體系。

船撞風險概率計算模型

開展基于合理剛度的防撞設施設計理論研究 揭示橋墩、防撞設施及船頭三者剛度的合理分布規律

項目技術原理及流程

針對防撞防護技術不系統的問題，項目組開展了基于合理剛度的防撞設施設計理論研究，揭示了橋墩、防撞設施及船頭三者剛度的合理分布規律，提出了適合不同水域環境的橋梁抗撞防護技術，并研發了變剛度的鋼-復合材料組合結構防撞裝置、柔性轉筒式梯級耗能防撞裝置、寬闊水域走錨耗能式防撞裝置及阻尼拉索式防撞裝置。

項目通過精細化模型和簡化剛度模型的精細化分析，揭示了橋墩、防撞設施及船頭三者剛度的合理分布規律，提出了系統合理剛度的取值方法，確定了基于耗能和壓縮比平衡的系統剛度取值范圍，奠定了橋梁防撞設施設計的理論基礎。

數值模擬模型

寬闊水域船舶攔截防護技術

視頻目標檢測效果

研究人員利用基于合理剛度的橋梁防撞設施設計理論，提出多目標雙保護柔性防撞技術，研發了梯級耗能的鋼-復合材料組合結構防撞裝置，實現了航道內多種類型船型的設防需求。

項目組運用合理剛度和撥轉船艏的設計理論，對不同材質轉筒和不同內部構造的轉筒進行了研究，研發了轉筒式梯級耗能防撞裝置，實現了低拱腳拱橋設防需求。運用理論分析與船舶操縱模擬試驗相結合的技術方法，揭示了非通航區浮體走錨耗能的作用機理，研發了寬闊水域走錨耗能式防撞攔截裝置和阻尼拉索式防撞攔截裝置。

研究基于純視頻傳感的航區船舶高精度目標檢測方法 研制視頻-小型專用雷達識別技術與裝置

針對主動預警精確度低、針對性差的難題，項目組研究了基于純視頻傳感的航區船舶高精度目標檢測方法和通航區碰撞危險源航跡跟蹤預測與偽航跡自檢技術，研制了視頻-小型專用雷達識別技術與裝置，創建了基于監測數據融合的橋梁群防撞聯合預警及動態分區預警系統。該系統可彌補大多數橋區水上海事監管系統設施不足帶來的監管盲區。

項目提出了基于視頻監測的高精度航區目標檢測方法，研發通航區碰撞危險源航跡跟蹤預測與偽航跡自檢技術；研發了小型專用雷達識別技術與裝置，并與視頻技術融合，形成橋梁船撞監測預警的綜合技術；開發了橋梁主動防撞監測預警和安全評估綜合平臺，實現了在線預警、撞后快速評估和橋梁船撞風險演化評估等功能，并實現了工程化應用。

創新成果應用廣泛

項目構建了橋梁防撞整體理論體系，提出的基于目標概率的橋梁船撞設計方法，將國際上單一目標設計方法推至了新的高度，使得橋梁防撞體系更科學，操作性更強，也使得我國的橋梁防撞水平處于世界領先地位。項目研發的適合不同水域環境的梯級耗能柔性防撞裝置，已應用在杭州灣大橋、虎門二橋、望東長江大橋等重要跨航道橋梁上，有效保護了橋梁安全。基于監測數據融合的橋梁群防撞聯合預警及動態分區預警系統，聯合海事部門的AIS數據終端，提高了多部門聯合監控的精準性，有效地降低了船舶撞擊橋梁的風險。

項目中所研制的防撞套箱、防撞護舷、主動預警系統等一系列防撞產品實現了科研成果的產品化，拓展了市場方向。評估理論與方法、柔性防撞產品和防撞主動預警系統被廣泛應用于全國的重大工程中。項目組主編的標準規范在港珠澳大橋、廈漳大橋、重慶東水門大橋、重慶千廝門大橋等眾多重大橋梁工程中應用，成功指導了大橋的防撞設計，有效降低了大橋的船撞風險，提高了大橋后期運營的安全性。

項目研發的適合不同水域環境的梯級耗能柔性防撞裝置，已在杭州灣大橋、虎門二橋、廈漳跨海大橋、望東長江大橋、安慶公路長江大橋、蕪湖二橋、池州長江大橋等重要跨航道橋梁上應用，特別是望東長江大橋，項目研發的非通航區域防撞裝置有效抵御了2000噸船舶的撞擊，保護了橋梁安全，避免了一場類似九江長江大橋船撞事故的發生。

組圖：防撞裝置實際應用

基于監測數據融合的橋梁群防撞聯合預警及動態分區預警系統，聯合海事部門的AIS數據終端，提高了多部門聯合監控的精準性，預警系統成功應用于珠海大橋、橫琴大橋、淇澳大橋等多座寬闊水域的橋梁，有效地降低了船舶撞擊橋梁的風險，取得了良好的社會效益和經濟效益。據不完全統計，國內船撞事故造成的經濟損失每次可達500萬元至1000萬元。據此測算，防撞技術的采用每年可為國家避免相關經濟損失上億元。

隨著我國交通網絡的日趨完善，我國數以萬計的橋梁進入維修養護的重要時期。其中，跨江、跨海大橋由于航運業務的蓬勃發展，船撞事故率也急劇增加，且橋梁和結構工程建設和養護規模巨大，尤其對于老舊橋梁，往往處于交通網絡的重要節點，而運營安全性則受到嚴重的威脅。因此，橋梁防撞設計計算體系的完善、防撞產品的研發和生產、主動預警系統的實施具有重要的社會意義和市場前景。交通運輸部已啟動長江干線、西江干線橋梁防范船舶撞擊專項整治行動。粗略估計，我國每年在橋梁防撞專題研究、橋梁防撞系統設計和咨詢、防撞產品工程應用等方面的市場需求將達數億元。據不完全統計，跨航道橋梁涉水橋墩數量約27746個，其中9425個橋墩防撞能力不足，市場潛力巨大，推廣前景廣闊。

項目形成的橋梁船撞相關理論方法、防撞技術與產品、防撞標準，對我國橋梁防船撞技術走向世界也將發揮重要作用。