摘要：船舶与桥梁的碰撞问题，直接威胁到交通运输和人民生命财产的安全，如何确定船舶撞击力，是桥墩防撞设施设计的关键。本文对某矮塔斜拉桥船舶撞击力标准的确定进行了介绍，给出了船舶撞击力计算方法，在此予以交流。
关键词：桥墩；船舶撞击力
1 前言
某特大桥桥轴线与河道交角90度，河道全宽约480m，最高通航水位+4.414m，最高洪水水位+5.114m。该桥所处水道为内河Ⅰ级航道，通航净高不低于18m，通航净宽单孔不小于220m，主桥为137.5+248+137.5m预应力混凝土双塔单索面矮塔斜拉桥。其中南、北两侧主塔墩为双薄壁墩，位于水道中，横桥向宽14m，壁厚1.6m，两壁净距4.8m，基础采用13根Ф2.5m钻孔桩基础，顺桥向分三排，桩数为4+5+4根。北侧主墩承台顶高程－4.825m，南侧主墩承台顶高程－4.815m，承台平面为14.5m×24.9m矩型，四边倒角3.5m×4.0m后呈八边形，承台厚6m（见图1）。由于船舶与桥梁的碰撞问题，直接威胁到交通运输和人民生命财产的安全。特大桥所处位置水路和陆路运输十分繁忙，当发生船舶偏离航线等导致撞击桥墩事故时，将会造成桥梁晃动、摇摆，桥墩、船舶破损，以及有毒化学品船舶的大量泄漏，污染环境和水域。因此，确定主桥船舶撞击力，对主塔墩进行防船撞设施设计显得十分必要，而且具有极大的现实、经济和社会意义。
2 船舶撞击力计算
2.1 船舶撞击参数的确定
船舶撞击力的计算有许多方法，如何确定代表船型和船舶撞击速度等船舶撞击参数是船舶撞击力确定的首要问题。
2.1.1 航道等级和代表船型
代表船型的确定需要考虑很多因素，如：调查和统计目前航道通航船型现状、桥区河段船舶运输方式，以及国家对该航道的远期发展规划等。本桥位处通航等级及代表船型见下表1。
2.1.2 碰撞速度
确定船舶撞击速度是船舶撞击力计算中非常重要的工作，确定得正确与否，直接关系到桥梁（桥墩）和桥梁防撞设施的设计和建造成本、桥梁结构设计的安全性和可靠性。对于船舶撞击桥梁的速度，可以结合如下情形考虑：①对于漂流的船舶，如脱锚、断缆、失机亦失舵、失机不失舵等情况，船舶将顺水漂流，一旦发生船桥碰撞，撞击速度取水流速度；②对于失舵不失机的情况，由于动力尚存，驾驶员可以对船舶采取减速措施，因此船舶的碰撞速度应大于水流速度，但应明显小于船舶的航行航速；③为了确保船舶(队)过桥时有良好操纵性，船舶(队)航速不宜过小，同时为了保证航道的通过能力，船速也不宜太小。为了大桥的安全，船舶的航速也不宜过大。因此，应综合各方面的因素，确定船舶的过桥航速。根据有关部门调查，船队和船舶通过大桥时的航速如下：①下水船队航速8-10节，上水船队航速4-6节；②船舶下水轮船航速在8-12节范围，上水轮船航速6-9节（1节船速大约为0.5142m/s）。为了保证桥梁和船舶的安全，要求过往主桥的船舶（单船）限速度航行，保持下水航行航速取低于9节（4.5m/s），上水航行航速取低于8节（4.0m/s）。因此，航行速度取稍低的安全航速（4.2m/s）进行计算是合适的。
船舶撞击速度是根据船舶在航道内（在航道中心线上）的正常行驶速度、航道中心线至桥墩的距离，以及船舶长度等因素综合确定的。当桥墩离航道中心线越远时，偏航船舶与桥墩相撞时的速度越小；当桥墩与航道中心线的距离足够大时，船舶撞击桥墩时的速度近似为船舶随水流漂流的速度；当桥墩与航道中心线的距离较小时，船舶撞击桥墩时的速度近似为船舶在航道中的正常行驶速度。按照美国AASHTO的《桥梁船舶撞击设计指南》建议的确定船舶设计撞击速度的方法为：在航道范围内，船舶以正常速度行驶；在航道中心线至三倍船长以外处，船舶以水流速度漂流，水流速度可按航道所在处的多年平均流速确定；此两者之间的区域，设计船速按直线内插确定。因此，实际船舶撞击桥墩的撞击速度应取小于航行航速，取值为3.0m/s，平均水流速度取值为1.0m/s，见下表2。
2.1.3 船舶撞击角度
船舶撞击桥梁角度的确定需要考虑多方面的因素，如：河道变迁与河势情况、水流流向、水流流向与桥轴线法向夹角、桥位处的风、流压偏角等等。水流流向与桥轴线法向夹角是影响船舶撞击角度确定的一个重要因素。对于漂流的船舶，如脱锚、断缆、失机亦失舵、失舵不失机等情况，船舶将顺水漂流，一旦发生船桥碰撞，撞击角度取桥轴线的法线与水流速度方向的夹角；对于失机不失舵的情况，由于动力不存在，驾驶员可以对船舶舵采取有效控制措施，撞击角度应取小于桥轴线的法线与水流速度方向的夹角。我们在确定船撞桥的撞击角度时，兼顾风、流压偏角等多种因素的影响，通常取桥轴线的法线与水流速度方向的夹角减去1-2度作为船舶撞击桥墩的角度。因此，这里取桥轴线的法线与撞击速度方向的夹角为3°，作为该桥船舶撞击桥墩仿真计算的撞击角度。
2.2 船舶撞击力标准有限元法
2.2.1 建立有限元模型
大桥航区为内河I级航道，桥墩碰撞分析方案采用内河I级航道的3000吨级船舶为代表船型，其满载排水量为5332吨，船舶撞击速度3.0m/s。为了比较真实的模拟船、桥墩的碰撞过程，对碰撞区船首结构，按照船舶实际构件的布置和尺度；船体中后部因远离碰撞区，采用二维模型，全船质量分布于船身及船首的各单元上，重心位于中纵剖面上。船首碰撞区材料考虑船体材料的应变硬化效应和应变速率对材料屈服强度的影响，选用具有应变率相关的塑性空间板壳、梁和杆单元进行离散处理。根据桥墩实际的几何结构和尺寸，选用刚性材料模拟变形很小的钢筋混凝土桥墩。
附连水质量处理：附连水质量主要用以反映船体和流体之间的相互作用，它的大小取决于相撞船舶的型线特征、碰撞历程等，精确的计算是相当复杂和困难的。目前，附连水质量可以采用切片法进行计算或用经验公式来估算。为简单起见，采用经验公式估计附连水质量。关于进退运动的附连水质量，通常假定XH(t)=-mxxu·，式中XH(t)为作用于船体上的水动力；u·为船体的进退加速度。附连水质量以附加质量密度的形式加到撞击船体上，一般取mxx=（0.02~0.07）m。
2.2.2 船舶与桥墩碰撞
碰撞过程是一个动态过程，其行为特征相当复杂，大量的碰撞实例和模型实验表明，问题的焦点集中在撞击动能、船舶对桥墩的撞击力及相撞系统的形变势能（即吸收能量的能力）等几个方面。船舶与刚性桥墩碰撞采用自适应接触算法，运用LS-DYNA显式动力学分析软件，在船和刚性桥墩的撞击区之间定义主从接触。采取船舶满载顺水航行时，船舶在最高通航水位下，考虑水流流向对船舶航向的影响，分别取沿水流方向成3°时的正向极限碰撞情况与沿水流方向成20°的侧面碰撞情况进行有限元仿真分析。正撞、侧撞碰撞仿真及时程曲线图如图2-9所示。
由正撞、侧撞碰撞仿真图可知，船舶撞击刚性混凝土桥墩，船头损伤严重，船舶出现很大的塑性变形和破坏，将会导致船舶结构的货物泄漏，污染水域。由正撞、侧撞碰撞力时程曲线可知，撞击力在横桥向（X向）、顺桥向（Y向）和垂向（Z向）的力的特点见下表3：
由正撞、侧撞能量时程曲线可知，船舶的碰撞动能绝大多数转化为结构弹塑性变形能和少量的碰撞界面滑移动能，图中碰撞过程中的沙漏能的量值几乎接近零，非常小，说明计算结果可靠。
由正撞、侧撞速度时程曲线可知，船舶横桥向3°正撞桥墩，船舶在碰撞过程中，在时间t=2.4秒时刻船舶动能为零，之后船舶出现反方向运动；船舶顺桥向20°侧撞桥墩，船舶在碰撞过程中，横桥向始终保持有动能，顺桥向在t=2.0秒时该向速度为零，然后反方向运动。
2.3 船舶撞击力标准经验计算法
船舶撞击力的计算方法中经验公式计算法占有很大比重，经验公式计算快捷简便，在无更详细船舶撞击力资料时采用，但不同的经验公式计算结果往往相差很大。实际上，经验公式大都在特定船型和撞击速度的情况下其计算的结果与实际撞击力接近，故在应用上存在一定的局限性。现取几个常用经验公式计算，船舶载重吨位3000t，船舶排水量5332t，撞击速度3m/s，船撞力计算结果如下表4：
从表4可以看出，各个公式计算出的船撞力结果差异很大，故对船舶撞击力标准的确定必须结合有限元仿真计算，考虑船撞各种参数，综合船撞概率和撞损率等等因素取值。
3 船舶撞击力标准的确定
3.1桥梁结构设计船撞力
通过船撞仿真分析，结合船撞经验公式，根据以往经验，在无防撞消能设施及有柔性防撞消能设施情况下，桥梁结构设计撞击力如下表5：
3.2 桥梁船舶撞击风险
通过对通航船舶撞击桥墩的偏航概率和可能性进行计算，桥梁主墩受3000吨以下船舶撞击频率大约为0.632次/年。按照美国国防部的风险决策标准：当发生频率小于10-6的风险事件时，一般可以忽略；当发生频率在10-3~10-5之间时，凭决策者的意志做出选择，在考虑成本等经济因素时，应采取适当的降低风险的措施；当发生频率大于10-3的发生概率时，是不可接受的。桥梁船撞损概率水平为10-4，风险指标为ID，在没有防撞消能设施情况下，年撞损概率为8.98×10-4，大于1.0×10-4。因此，有必要对该桥主墩采取有效防撞措施，从而降低或避免碰撞风险发生的可能。
结束语：
由于船撞桥事故是桥梁安全出现危害的重要原因之一，为使船舶撞击力取值趋于实际，首先应通过分析论证确定桥墩防撞关键参数，再对船舶撞击力进行计算，确定桥墩防撞力标准。当今，对新建桥梁进行船舶撞击计算，以及对旧桥进行船舶撞击承载能力的复核，是摆在桥梁设计与管理人员面前急需要解决的问题，希望本文对桥梁设计人员与管理人员在桥墩防撞设计时有一定的参考价值。
参考文献
[1]陈国虞,王立礼等.船撞桥及其防御.北京:中国铁道出版社,2006.
[2]中华人民共和国建设部.内河通航标准(GB51039-2004).北京:中国计划出版社,2004.