主被動結合 實現橋梁多角度防船撞管控

奧克蘭海灣大橋

世界各國橋梁建設的高峰期,依時間先後分別發生在美國、歐洲、日本和中國。這些時期修建的橋梁構成了各國交通系統的關鍵環節。但伴隨著橋梁建設過程,跨越水上航線的橋梁結構船撞問題突出,導致的橋梁損傷、倒塌危害巨大,船撞風險在橋梁結構規劃、設計以及運營全壽命過程中不可忽視。無論是大跨纜索承重橋梁的橋塔結構，還是梁橋、拱橋等的墩臺，對河流和海洋環境都有一定程度的影響。同時通航船隻對橋梁的撞擊作用也是跨河、跨海橋梁面臨的一大威脅。

橋梁撞擊問題是國內外既有和在建橋梁工程長期面臨的問題。而大跨橋梁等複雜結構的災變和防控問題研究,也被列入了2006年國務院頒布的《2006-2020年國家中長期科學和技術發展綱要規劃》中。隨著橋梁船撞事故被越來越重視，橋梁船撞相關的研究也逐漸增多。一方面要關注船撞作用下的結構響應，另外防撞技術和管理養護也是一個重要研究方面。

「基於性能」為規範與標準提供思路

橋梁船撞規範與標準現況

美國道路工程師協會（AASHTO）於1991年編寫的《公路橋梁船撞設計指南》（該指南於2009年進行了修訂），其專門針對美國內河橋梁提出了基於風險的船撞設計技術標準和設計方法。1996年美國鐵路工程協會（AREMA）出版了《防撞保護系統設計規範》。歐洲用於指導橋梁船撞設計的規範是1997年出版的歐洲統一規範中的Eurocode1.2.7分冊。我國第一部專門的船撞設計指南是《重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南》。中國公路學會2018年發布了《公路橋梁防船撞裝置技術指南》，以此來規範公路橋梁防船撞裝置的技術要求，提升橋梁防船撞產品的質量水平。

中、美、歐規範的船撞橋條款比較中，美國橋梁船撞設計指南全面採用了基於風險的設計思想，方法系統化，但具體規定有待完善，如投資效益分析條款實際可操作性不強。歐洲船撞設計規範雖考慮到橋梁船撞是風險事件，編寫時也考慮到了失效概率問題，但船撞力的確定方法過於簡化。重慶市橋梁船撞設計指南與美國、歐洲規範主要思路一致，均是引用風險分析方法。我國行業內將橋梁按重要性分為A、B、C三類的前提下，根據船撞重現期來分級設定橋梁船撞設防標準，有詳細的船撞力計算公式。但三種規範計算模型均採用靜力方法，不能考慮撞擊的動力效應。

「基於性能」的設計方法近年來在土木工程領域得到了廣泛研究和應用，最早體現在結構抗震設計方面。《重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南（DBJ/T50-106-2010）》也嘗試去實現「基於性能」的設計思想，儘管某些方面還有待完善，但給三峽庫區新橋建設和舊橋防撞加固設計、施工提供了依據，也為交通部正在著手編制的《公路橋梁船撞設計指南》提供了借鑑。

概率模型研究及船撞力確定

近些年國內外專家學者對船撞橋梁發生的概率做了大量的統計研究工作，並形成了相關的概率計算模型和方法。典型的船撞橋梁概率模型包括：AASHTO規範模型、Larsen模型（也稱IABSE模型）、歐洲規範模型、KUNZI模型、三參數路徑積分模型等。

圖1 歐洲規範中的船-橋碰撞概率模型圖

圖2 KUNZI模型圖

圖3 三概率參數積分路徑模型圖

船舶撞擊橋梁後，其嚴重程度與船撞力的大小密不可分。目前，國際上提出了多種船舶撞擊力的簡化估算公式，如AASHTO 規範公式、歐洲規範公式、我國規範公式等，其實質均為等效靜力分析方法。由於現有規範中力學計算模型均採用靜力方法，不能考慮撞擊的動力效應。通過簡化橋梁衝擊荷載時程分析模型，以預測橋梁在船舶撞擊下的動態響應。其簡化模型採用拋物線表達式修正的半正弦波函數，來捕捉衝擊力時程的上述特徵。函數的形式如下：

該模型的有效性在橋梁模型案例分析中得到了驗證。該作者還以某連續梁橋為例，進行了接觸碰撞反應與撞擊力時程響應分析，並將修正半波正弦荷載模型的響應求解誤差分為3類，討論了這3種誤差對結構響應的影響大小。

主動引導航行 被動防撞設施配套

按船撞橋的部位不同，橋梁防船撞的任務大體可以分為：防禦船撞通航孔主墩、防禦船撞非通航孔的橋墩、防禦船撞橋梁的下弦三大類。

對於通航橋梁來說，「一跨過江，主槽無墩」是解決船撞橋梁最徹底的辦法，但大多數橋梁需設置不同類型的防護結構。這些橋梁防船撞設施，一般分為主動防撞設施和被動防撞設施。主動防撞設施包括航標、橋涵標及相關警示標誌、導航系統、預警系統等，用以引導船舶沿正確航道行駛。被動防撞設施通常採用橋梁自身抗撞、附著式防撞、獨立防撞設施等方式，避免損失或減少損失。常見被動防撞設施可見表1。

另外，柔性防船撞裝置是新一代的防船撞設施，其核心組件是內、外鋼圍和防撞圈，如圖4所示。以防撞圈為主要元件的柔性防撞裝置，能減低船撞力，延長撞擊歷時，化集中力為分布荷載，使船頭儘早轉向，帶走比較多的動能，從而達到該裝置的最高效果——「三不壞」——「船不壞、橋不壞、裝置不壞（簡單維修後繼續使用）」。現已應用在湛江海灣大橋、象山港跨海大橋、三門灣大橋等。目前防撞元件已經從彈性和彈塑性防撞元件，發展到黏滯性高耗能防撞元件。黏滯性高耗能複合防撞元件與彈性外鋼圍等組成的防撞裝置，被撞後消耗掉大部分撞擊能量並能夠恢復，多次使用。

圖4 柔性防船撞設施

新材料應用研究中，纖維增強聚合物（FRP）蒙皮泡沫填充格構複合材料防撞體系（FLCBS）能有效減小衝擊力並延長衝擊過程，如圖5所示石臼湖大橋的分析結果表明了FLCBS的優越性能。鋼－泡沫鋁填充材料的防撞鋼套箱裝置安裝於斜拉橋橋塔下部的措施，也可保障橋梁使用的安全。而通過UHPC墩柱的落錘衝擊試驗分析受壓墩柱的衝擊響應和破壞形態，為UHPC材料應用於橋墩防撞設計提供了參考。

圖5 速度為1m/s時正面碰撞衝擊力時程

對於輔助墩、過渡墩和水中引橋墩等非通航孔橋墩來說，自身承受水平力的能力較差，在偏航的船撞作用下極易破壞。非通航孔橋梁通常採用攔阻索系統阻止船舶靠近，以避免發生碰撞。現已應用攔阻索系統的有杭州灣跨海大橋、日本本州四國連絡橋等。

船舶撞擊橋梁上部結構是船撞橋事故的種類之一。在上部結構防撞方面，川槎大橋通航孔的鋼桁架結構防撞限高架，屬於國內首例水上鋼結構限高防撞工程，見圖6。該工程案例屬於剛性方案，它與拉索結構型式的柔性方案相比，從攔截效果、造價及後期維修方面都具有更多優勢，適用於橋梁跨度較小的河道。拉索結構型式限高架上部結構輕便，適用於水域較寬的河道。

圖6 川槎大橋防撞限高架實景圖片

智能化管控橋梁運營安全

為了杜絕橋塌、船沉、人亡的災害性事故，橋梁在運營期間除設置必要的防船撞設施外，還須清楚船撞橋事故的原因，提高安全意識。分析總結運營期間橋梁船撞事故的原因，可歸結為人員失誤、船舶設備故障、 相關部門管理不當、橋梁自身問題、自然環境惡劣五類原因。除自然環境不可控制外，前四類都與人的能動性有關，只是表現形式不同。由此可見，橋梁管理者、船舶擁有者和駕駛人員三者責任重大。三方均有所作為、提高認識，才可避免或減輕船撞橋的風險。因此，宜從航道、航行管理、人員培訓、橋梁管理等方面採取助航和預警措施，以降低船撞橋梁機率。

基於模糊邏輯的船橋碰撞預警方法，可保證橋梁運營的安全性，該方法綜合考慮了船舶特性、橋梁參數和自然環境。建立了包括輸入層、模糊推理層和輸出層的三層框架（見圖7），將碰撞風險分為臨界條件和自然環境兩部分。從船舶位置、船舶軌跡方向、船舶與橋梁的距離、船舶速度等方面，分析了船舶與橋梁的碰撞情況。這些因素與自然環境一起作為輸入變量。然後通過引入船-橋碰撞條件，對船-橋碰撞過程中的船舶細節和橋梁參數進行了考慮和模糊化，建立IF-THEN規則，進行模糊推理，得出船舶與橋梁的碰撞風險，船橋碰撞風險評估的模糊邏輯盒如圖8所示。

圖7 基於模糊邏輯的船橋碰撞風險模型

圖8 船橋碰撞風險評估的模糊邏輯盒

主動安全防護系統、複合防撞及報警系統、可追溯式監控系統三種智能化橋梁管理系統，通過主被動結合的方式，可實現對船撞橋事故的全方位、多角度管控，為橋梁防撞提供了有益思路。

橋梁使用過程中除了要加強VTS監管、有效監控船舶的動態、加設預警及智能化橋梁管理系統之外，還要從以下幾方面做好防撞工作以確保運營安全：

完善航道交通管理設施，規範交通秩序。

積極研製新型防船撞裝置，減少事故損失。

相關部門的規範管理和船舶的安全駕駛。

注重橋梁質量檢測維護，延長橋梁使用壽命。

另外，運營過程中，防船撞設施作為重要的橋梁附屬結構，在滿足防撞功能的前提下，應最大限度地與周圍環境協調一致，力爭做到「一橋一景」，以豐富橋梁美學的內涵。

船撞橋問題屬於典型的交叉學科，船撞橋事故的發生因素涉及人、船舶、通航條件和環境、管理等多個方面。為了從根源上解決這一安全隱患，除了規範航道管理、謹慎通行以外，橋梁設計過程中還要採用合理的船舶撞擊力設防標準，加強結構設計、開發新型防撞裝置和智能監測防控系統，因地制宜、多管齊下才能切實維護好通航水域的橋梁安全和橋區水域的水上交通安全。未來還需進一步深耕的研究包括：

1. 現行規範中橋梁船撞部分條款需進一步完善。如規範計算模型均採用靜力方法，不能考慮撞擊的動力效應。這方面的深入研究和成果積累，將為規範相應條文進一步優化做準備。另如，對船舶撞擊作用，我國公路規範劃分為內河船舶和海輪兩類。對3000t（3000DWT）江海直達的船舶，依據兩類表格查的結果分別為1400kN和19600kN。此船在船速、船重都不改變的情況下，撞擊力本也不會改變，但結果相差十多倍，讓設計者無所適從。

2. 對橋梁撞擊事故中人為因素和組織因素引起的因果概率分析，仍缺乏數據和具有不確定性。為得到可靠的結果，需進一步考慮不確定性的概率推理方法，並建立國內橋梁船撞安全評估資料庫。

3. 要從新材料、新工藝、新結構及結構自修復等方面實踐「三不壞」設計理念，研製新型船橋防撞裝置和智能防控系統，為橋梁構築多道防護屏障。如泡沫鋁、FRP等應用於橋梁防船撞及橋梁加固方面的研究已經開始，進一步的系統研究需加強。

4. 基於性能的橋梁防船撞設計理論研究。即基於性能的設計理念，意味著要考慮壽命期內的風險、投資效益和橋梁擁有者的決策等新理念。比如，允許設計者或橋梁所有者根據結構物的重要性和用途選擇目標性能水平，由不同性能目標提出相應的設防標準，以使結構具有預期功能。

本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌

2020年 第2期 總第10期

作者 / 劉佔輝 李亞東 李永樂

作者單位 / 西南交通大學

編輯 / 周洋

美編 / 趙雯

責編 / 陳晨

審校 / 盛超 廖玲