徐中山

摘要：简要介绍目前船桥碰撞理论的研究方法，对现阶段研究方法进行了分析，论述现有方法的优点和局限，并指出完善和丰富船桥碰撞的理论和设计方法所需要进一步开展的研究方向。

关键词：船桥碰撞；能量法；经验公式法

Abstract: this article briefly introduces the ship collision theory research method of the bridge, the present study methods analysis, this paper discusses the advantages and limitations of existing methods, and points out that the perfect and rich ships of the collision of the bridge and the design methods of theory to study direction of further development.

Key words: the ship collision bridge; The energy method; Experience formula method

中图分类号：O313.4 文献标识码：A 文章编号：

1 概述

船桥碰撞事故一般都是船舶直接撞击桥墩，从而引起桥梁整体性能降低，引发桥梁坍塌等破坏现象，桥墩的抗力性能直接影响桥梁整体反应效应，船桥碰撞中桥墩动力响应的研究是不可避免的，也是后续研究工作的基础。但是，目前对船桥碰撞理论研究不够，一方面在理论分析大多数基于传统碰撞理论，对船桥碰撞的力学模型研究不能反映实际情况（如未考虑桥墩柔度、摩擦和偏心碰撞等），另一方面，现行各国规范的设计标准并不统一，其计算出来的结果差异性较大。因此，深入开展船桥碰撞理论方面的研究，对减少船桥碰撞事故以及引发的严重后果具有重要的理论和现实意义。

2 船桥碰撞的研究方法

早在1959年，美国的Minorsky教授[1]针对核动力军舰的设计、核电站的防护以及海洋结构物的防撞保护问题，研究了26起船-船碰撞事件。Minorsky的研究工作主要是将船舶碰撞分为两个相独立的部分，即动能损失和结构损伤，并用统计分析方法将它们联系在一起。最后根据船舶碰撞事故统计分析结果，提出了变形的钢体积和吸收冲击能之间的一种线性关系，即著名的米诺斯基曲线。Minorsky的方法可估算船-船碰撞的抗力值或最大侵入度，被国际上认为利用解析法分析船-船碰撞的理论基础。因此，在船—船碰撞研究理论的基础上，近几十年来国内外学者致力于船桥碰撞的能量法、有限元法仿真法、试验法和经验公式法等方面的研究。

2.1 能量法

能量守恒原理是自然界普遍存在的一个规律，应用能量守恒原理解决问题的方法称之为能量法。在撞击接触区的结构间将出现动态的撞击力，并同时发生接触区结构的屈曲、弹性或塑性变形、摩擦和破裂。根据能量守恒的观点，碰撞过程中消耗的船舶动能，由结构的弹塑性变形和结构破裂所吸收。

2.2 有限元仿真法

在船桥碰撞的有限元仿真分析中，可以考虑相撞结构的本构关系，定义构件之间的碰撞接触面，在时域中计算每一步相撞结构的内力和变形，直至碰撞能量耗散。通过仿

真计算，船舶与桥梁的接触、碰撞力、损伤变形、内部应力和能量吸收的时间历程可以完整重现，从而可以详细描述整个碰撞过程中的各种力学现象。

严格来说，有限元方法只能是近似解，并且它不能够反映各变量之间的内在联系，而要获得更加准确的有限元结果，除了准确运用现有的有限元理论外，还应从结构自身的理论体系加以研究，结构计算理论的成熟将会使有限元法更加完善。同时有限元法有庞大的离散未知量，它所花的机时和储存量大，不便于工程师在初步设计中的应用。

2.3 试验法

试验研究是船舶碰撞研究中一种不可缺少的手段，通过试验研究，不仅可以为理论分析和数值计算提供必要的指导，而且可以验证理论分析和数值计算结果的正确性。船桥碰撞的试验可以直接测量船桥碰撞中的碰撞力、变形能随撞深的变化曲线。最好的方法是进行全尺度的船撞试验，但试验耗费昂贵，一般难以实施。通常都把缩尺模型作为研究船撞力的基本试验方法。

2.4 经验公式法

随着船桥碰撞理论的发展和试验研究的逐步深入，各国学者依据各自的研究成果给出了许多船撞力的简化计算公式，一些国家在制定桥梁设计规范时，参考了有关研究成果或进行了专题研究，提出了各自经验公式。

（1）AASHTO规范公式

美国的AASHTO规范[2]是综合考虑了Woisin等人的研究成果，给出了轮船船艏正撞时的设计船舶撞击力公式。该公式是在船艏正撞刚性墙的基础上提出的，适用于油轮、货轮、散货船类型的船舶的船头正撞桥墩的情况。其计算公式如下

（2-1）

其中：—等效静态撞击力（MN）；—船舶的载重吨位（t）；—船舶的撞击速度（m/s）。

（2）欧洲规范公式

欧洲统一规范Eurocode1[3] 在综合考虑Heins-Derucher等人的研究成果基础上，选用某种统计意义下的设计代表船舶，提出了船舶撞击力的计算公式。该公式是假定桥梁结构是刚性不可移动，碰撞体（船舶）用一个准弹性单自由度系统模拟，弹簧系数则表示船舶的等效刚度。其计算公式如下

（2-2）

其中：—碰撞体在撞击时的速度（m/s）；—碰撞體的等效刚度；—碰撞体的质量。

（3）我国《铁路桥涵设计基本规范》公式

我国1999年颁布实行的《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-99）[4] 视船舶对墩台的撞击力为特殊荷载，其计算方法采用静力法，假定船舶作用与墩台的有效动能全部转化为碰撞力所做的静力功。其计算公式如下：

（2-3）

其中：—船舶撞击力（MN）；—船舶撞击墩台的速度（m/s）；—船舶的重量（MN）；

、—船舶的弹性变形系数和墩台圬工的弹性变形系数（m/MN），即单位力作用下产生的变形，无实测资料时，可取=0.5m/MN；

—船只驶进方向与墩台撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况确定，如有困难可采用；

—动能折减系数，当船只斜向撞击承台（指船只驶进方向与撞击点处墩台面法线方向不一致）时取0.2，正向撞击（指船只驶进方向与撞击点处墩台面法线方向一致）时取0.3。

（4）其它计算公式和方法

我国2004年颁布实行的《公路桥梁设计通用规范》（JTGD60-2004）[5]，视船舶撞击力为偶然荷载，并将船舶分为海轮和内河驳船两类，分别根据航道等级和通航海轮情况列表给出了设计船撞力，而对于漂流物撞击力，是根据经典力学的冲量公式给出。

挪威公共道路了局规定其公共道路系统桥梁和浮桥的碰撞荷载[6]如下

（1-4）

北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和渡轮的碰撞力[7]如下

（1-5）

此外，还有一些关于船撞力的图表法，如1985年美国路易斯安那州为船撞桥墩的碰撞力的计算制定的图表。

总体而言，各国规范提出的经验公式主要源于基本力学原理，从弹性系统能量（或动量）守恒出发的准静态简化分析，但各国提出的经验公式计算结果出入较大，仍没有形成普遍公认的、标准的估算方法，尤其我国规范计算公式和说明都相对简单，其计算值普遍小于国外规范计算值。

3 结语

国内外许多作者对船舶撞击桥墩的研究做了一些工作，但对船桥碰撞的力学理论研究较少，还存在一些问题有待解决：

（1）美国AASHTO规范和欧洲规范均将桥墩看作无限刚度的物体，但事实上，随着高墩大跨度桥梁的建设，柔性墩、薄壁墩的兴起，以及船舶吨位的提高，一旦考虑碰撞体柔性变形和约束条件的可变形性，将对桥墩的动力响应产生较大的影响；

（2）桥墩在受碰撞过程中不可避免地由于偏心碰撞而导致的扭转振动，因此像欧洲规范的力学模型中，其质点—弹簧体系的力学模型考虑扭转的因素，将更符合实际船舶偏心碰撞桥墩的受力情况；

（3）在船舶撞击桥墩的过程中，由于桥墩的截面形式对桥墩的弯曲振动和扭转振动影响较大，不同的截面形式的位移模式也有很大的不同，因此需进一步开展不同截面形式的桥墩碰撞力的研究；

（4）船桥碰撞的实用计算方法给工程计算带来了很大的方便，但在我国船撞桥问题一直未得到足够的重视，也没有专门的设计规范或指南可供工程师使用。在我国铁路桥梁设计规范中的相应条款过于简单，设计船撞力过低，与欧美规范相比，其设计思想缺乏对风险和概率设计的引入，這与实际情况不甚相符。

鉴于上述研究存在的问题，有必要针对船桥碰撞理论进行深入研究，进一步揭示船桥碰撞的力学机理，以完善和丰富船桥碰撞的理论和设计方法，具有科学意义和应用前景。

参考文献

Minorsky V. U.. An analysis of ship collision with reference to protection of nuclear powered plant[J]. Ship Research, 1959, 3(2): 1-4

AASHTO. LRFD bridge design specification and commentary[S]. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington D.C., 1994

A.C.W.M. Vrouwenvelder. Design for ship impact according to Eurocode 1, Part2-7[S]. Ship collision analysis. A.A. Balkema, Rotterdam, 1998

中华人民共和国铁道部. 铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-99)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2000

中华人民共和国交通部. 公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004) [S]. 北京: 人民交通出版社, 2004

Norwegian Public Roads Administartion. Load regulations for bridges and ferry ramps in the public road system[S]. Preliminary Edition, Olso, 1986

Nordic. Road Engineering Federation. Load regulations for bridges[S]. NVF, Repor no.4, 1980