摘 要

随着我国经济的发展，桥梁建设的的数量越来越多，同时港口的的通航流量日趋庞大，船只通航数量增加，导致的船桥相撞事故越来越多。如何降低内河船舶与桥梁墩柱相撞事故发生的概率，更好的保障人身与船桥安全，成为一个急需解决的问题。本文总结船桥相撞的一般研究方法，同时结合武鸣河大桥工程，对通航孔桥墩进行新材料防撞结构设计及船舶撞击力计算，并利用有限元技术对防撞方案进行仿真分析，验证防撞方案的可行性。

关键词：船桥相撞；防撞结构；新材料；

ABSTRACT

With the development of China's economy, the number of bridge construction is increasing. At the same time, the port traffic flow is becoming larger and the number of vessels navigating increases, resulting in more and more collisions between ships and bridges. How to reduce the possibility of collision between an inland river ship and a column of the bridge pier ,and better protect the safety of the person and the bridge, has become an urgent problem to be solved. This paper summarizes the general research methods of ship-bridge collision, and combines the Wuming River Bridge project to design the new material anti-collision structure for the navigation hole pier and calculate the ship impact force,and uses the finite element technology to simulate and analyze the anti-collision scheme to verify the feasibility of the anti-collision scheme.

Key words: ship-bridge collision; anti-collision structure; new material;

第一章 绪论

1.1研究目的与意义

如同人体的经络血管一般，交通运输对于国家发展有着积极的作用。在各种运输方式中，陆运和水运占据最突出的位置，而在这两种运输方式中，桥梁发挥这至关重要的作用，桥梁是跨越河流和海湾的不可或缺的通道。而另一方面，它是水上运输的人为障碍。随着社会经济发展，桥梁数量不断增加。由此通航航道越发窄小，最后导致事故发生几率大大增加。在过去几十年中，之所以不断的有船桥碰撞事故发生，就是因为桥梁建设的速度过快。

世界各地都有船桥碰撞导致的事故记载。往往船桥碰撞引发的事故，导致的灾难损失都是巨大的。船桥相撞事故少则损失几十万，多则数千万甚至上亿美元。

图1 1942年-2007年主要船撞事故统计表

从1981年到1990年，美国2418座桥梁受到商业运输船的撞击。美国的阳光大桥被撞事件，是世界上损失最大的船桥相撞事故之一。1980年美国佛罗里达州的阳光大桥被一艘空载35000吨的散装货轮撞击而倒塌，导致35人死亡；

图1.2 美国阳光大桥船桥碰撞事故

图1.3 被撞击的CSX铁路大桥

1993年美国的CSX铁路大桥，被一拖驳船队撞击，致使桥梁结构发生巨大位移，几分钟后一列游客列车从桥上经过，大桥顷刻倒塌，列车出轨，47人丧生；1983年6月，一艘轮船撞上俄罗斯伏尔加河导致桥梁坍塌，最后数百人死亡；2002年，一偏航船舶撞上美国一州公路大桥，致使桥梁坍塌导致桥梁上大量车辆掉落水里，遇难人数更是不计其数。

国内的船桥碰撞事故也是不少见，近十年更是频频发生事故。其中最著名的人覆；2012年，人失踪；2015年10月，，造成桥身底

图1.5昆山市大洋桥事故

图1.4 广东省九江大桥事故

部钢梁错位，3590人；同年11月，江西省两艘货船因船舶失去控制撞上赣江大桥最后沉入海底。

图1.9 西江铁路大桥事故

图1.8 西安亭大桥事故

图1.7 湖南省石拱桥事故

图1.6 上海市随塘桥事故

随着大型船舶和大型桥梁的增加，问题变得更加严重，因此应该更加重视如何避免因船桥碰撞而发生的日益严重的事故。几乎在所有时间和世界各地，解决这个问题的基本方法是构建保护设备。关键在于如何正确理解船桥碰撞的动态过程，并在此基础上，如何合理设计保护装置。通常桥梁设计者更喜欢构造具有高刚度和强度的保护装置，因为桥梁的成本通常高于船舶。然而，一旦发生船桥碰撞，保护装置的刚度和强度越高，对船舶的损坏就越严重。因此人们会考虑当桥梁和船舶相互碰撞时桥梁和船舶都不会被破坏，甚至保护装置也不会被破坏。科学合理的桥梁墩柱防撞结构正好可以解决这一问题。综上，开展内河船舶与桥梁碰撞机理分析、碰撞过程中的复杂动力响应计算以及防撞结构设计的研究对提高桥梁的整体抗碰撞性能具有极其重要的工程价值。

1.2国内外研究现状

桥梁与船舶碰撞问题是一个涉及多学科的问题，包括桥梁工程、船舶工程、交通工程、流体力学、碰撞力学等。国内外很多机构和学者相当重视船桥碰撞问题，也做出了大量研究，其中包括撞击力的确定、船撞桥的概率、桥墩和才船舶的损伤、防撞装置的研究、船桥碰撞数值仿真模拟等。

1.2.1国外研究现状

1959年，该公式是关于结构和能量间的函数关系。米诺斯基把船-船碰撞的过程简化成内部动力学和外部动力学两大力学体系。建立了方程求解船只的动能损失和船体结构变形量，最后采用数理统计的方法建立两者之间的关系。这个理论被后来的研究者证明，为船桥碰撞问题的研究奠定了基础，为后续船桥碰撞问题的研究提供参考。沃辛公式就是在米诺斯基的理论上进一步研究的出的。

1979年，沃辛根据等比例模型碰撞试验改进了米诺斯基的理论，指出了碰撞过程中水体对船的影响，并提出碰撞力与碰撞深度的线性关系公式。桥梁工程领域在20世纪70代末开始对船桥碰撞问题展开了系统研究，并且取得了有一定价值的理论成果。

1982年，德鲁彻教授等研究了桥梁结构与船舶间的碰撞问题，根据碰撞过程中被撞结构发生的变形和船舶运动的的趋势，提出静态的船撞力计算公式。该公式是根据能量守恒定律提出的，将船桥碰撞模型简化成一个弹簧质量系统的静力学模型。

20世纪80年代初期，国际桥梁和结构工程协会IABSE在1983年于哥本哈根举办了一次针对船桥相撞合理设计与分析问题的国际研讨会。这是国际上首次以此为专题举办的研讨会，标志着船桥相撞问题在全世界得到了高度重视，此后船撞桥问题的研究开始快速发展。

1991年，美国道路工程师协会AASHTO发表第一部桥梁船撞设计指南—《公路桥梁船撞设计指南》，该指南的核心条款被写入美国《公路桥梁设计规范》，成为工程师设计桥梁船撞设计的实用规范。

1997年，欧洲统一规范Eurocode开始实用，试用期三年，此规范规定了冲击爆炸事故设计荷载的确定方法。

1.2.2国内研究现状

20世纪80年代末，我国专家学者开始在桥梁与船舶碰撞问题上展开研究。量研究，不断完善防船撞结构设计理论体系与质量标准。

为了规范船撞桥问题中桥梁的设计工作，我国交通部先后在1989年和2004年发布了《公路桥涵设计通用规范》，2005年发布了《铁路桥涵设计通用规范》。89版规范规定内河航道撞击力在0.7-1.6MN之间取值。04版规范规定把通航河流根据通行船只种类分为通行海轮的河流和内河河流，根据内河航道等级和通航情况给出桥梁的设计船撞力和设计代表船舶。铁路规范考虑了撞击船舶、撞击角度和被撞结构弹性系数，给出桥墩承受船撞力公式。

2002年，顾永宁对船桥碰撞进行有限元计算，船舶为万吨级。最后得出船桥碰撞中碰撞力大小及应力分布等情况。

2003年，颜海泉对江苏苏通长江大桥进行有限元计算，把计算得到的船舶撞击力与不同国家规范公式计算的力进行比较。

2005年，陈诚对长江大桥进行有限元分析，计算船桥碰撞的撞击力和桥墩的损坏程度。

1.3本论文研究内容

随着水运交通越来越重要，桥梁数量越来越多，船桥碰撞的问题已经成为人们不可忽视的问题。大量的研究表明船桥碰撞问题还有更好的解决方案，如选用新材料来提高桥梁墩柱防撞结构的性能和耐久度。本文根据理论力学、材料力学、结构动力学等内容，建立有限元模型，对船桥碰撞问题展开研究。主要研究内容如下：

1. 简要概述国内外船桥碰撞问题的研究方向和现状。
2. 对现有的解决船桥碰撞问题的方法及相关经验公式进行介绍分析。
3. 介绍有限元计算，并指出有限元在船桥碰撞中的应用。
4. 结合武鸣河大桥与内河航道的工程参数，建立有限元模型。对不同参数的模型进行仿真，找出试验影响因素。
5. 结合船桥碰撞相关标准，分析船桥碰撞过程中的要点，并对未来船桥碰撞中的问题提出自己的看法。

第二章 船桥碰撞方法研究

由于船桥碰撞问题具有很强的非线性特征，如果想对其进行精确求解，不但要消耗大量的运算资源，而且对于越复杂的船体结构，求解越耗时，难度越大。为了对船桥碰撞问题进行快速分析，各国学者搜集大量资料，提出了许多有参考价值与说服力的公式与规范。利用这些前人的智慧，可对船桥碰撞力进行估算，节约运算资源与时间，解决实际问题。

各国学者在研究船桥碰撞过程中的动力响应问题中，提出了大量船桥撞击力的计算方法，计算方法可分为六类：

1. 统计分析法。1959年，美国教授通过研究海洋结构物的保护、核电站的防护及核动力军舰的设计问题，收集了大量船船相撞数据，将碰撞问题中的两个独立部分，即结构损伤和动能损失，通关统计分析法联系起来，提出了著名的米诺斯基曲线。该曲线可以大致算出船船碰撞力，在国际上被认为是船桥碰撞理论的基础。
2. 试验法。实验法是研究船桥碰撞问题里不可或缺的方法，通过实验，可以为理论研究和数值分析计算提供一定的指导，还能验算理论与计算的准确性。船桥碰撞实验可以直接测得船桥碰撞力的大小、船体变形量。缺点是实验耗资巨大，通常以一定比例缩小来研究船撞力。德国Woisin提出高能船舶碰撞模型实验法，日本学者提出低能碰撞实验法。
3. 经验法。随着船桥碰撞理论的持续发展和人们对其研究的不断深入，各国学者结合自己的研究成果提出了很多计算船撞力的简化公式。在一些国家相关规范中，也有各自的经验公式。

（1）沃辛经验公式

1976年德国学者沃辛对核动力船在碰撞下的安全问题进行大量实验，提出了沃辛经验公式：

(2.1)

式中：—撞击过程中的平均撞击力

—损失能量

a—碰撞系统中损坏长度，桥墩和船舶在撞击方向上破坏长度之和。

碰撞过程中平均撞击力和最大撞击力关系为：

(2.2)

此外，沃辛教授以不同比例做了24次试验，提出计算散货船撞击桥时产生的平均有效撞击力

(2.3)

式中： —有效撞击力，单位MN

DWT—船舶载重量，单位t

沃辛公式所依赖的资料主要来自四万DWT以上的货轮与刚性壁之间的碰撞试验，碰撞速度约为8m/s，公式中没有速度变量，这是沃辛公式非常大的缺陷，同时把桥墩视为刚体，简化了计算过程，但是没有考虑到船撞击桥墩过程中有损坏。

后来有学者对沃辛公式做出修正，航速低于8m/s时船舶产生的撞击力计算公式为：

（2.4）

式中：F—船舶最大撞击力，单位MN

DWT—船舶吨位，单位t

—船舶撞击速度，单位m/s

修正后的沃辛公式把速度作为变量，但是只是基于速度小于8m/s时，对速度大于8m/s时没做验证。

（2）彼得森经验公式

1993年彼得森教授根据工程实例算出五百吨至三十万吨船正向撞击桥墩产生的撞击力，总结出相应的撞击力经验公式：

（2.5）

式中：—船最大撞击荷载，单位MN

—参考荷载，取值210MN

—船舶长度，单位m

—船舶发生塑性变形吸收的能量，单位

—船舶质量，沿船舶方向运动时船舶质量要乘以1.05，单位

—船舶撞击速度，单位m/s

（3）美国AASHTO(公路工程师协会)规范公式

1991年美国AASHTO颁布了船桥碰撞的设计规范，规范给出船只正向撞击桥墩时的撞击力计算公式

（2.6）

式中：F—船舶撞击力，单位MN

V—船舶碰撞速度，单位m/s

DWT—船舶吨位，单位t

美国AASHTO公式计算撞击力只把船舶撞击速度与船舶吨位作为变量，有一定局限性。但是因其计算简便、相对合理，受到全世界广泛认可而沿用至今，适用于常见类型船舶与桥梁的碰撞问题。

（4）欧洲规范公式

欧洲规范公式是假设船舶动能全部转化为弹簧的势能，有能量守恒定律推出：

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