一、前言
隨著經濟和交通運輸的發展，航運量不斷增大，受船舶撞擊而誘發的橋梁跨塌事件日益增多。統計資料表明，最近幾十年來，世界上發生的船舶撞毀橋墩的重大事故就超過百余起。這類事件往往造成橋梁倒塌、船舶沉沒、人員傷亡和水陸運輸干線長期中斷的嚴重后果，經濟損失巨大。因此，船一橋碰撞及橋梁的防撞研究已成為具有廣泛意義的國際性課題，日益引起各國政府、學者、工程界的關注。
多年來，國際、國內發展了許多經驗公式和簡化數值方法來預報船撞力，而隨著動態非線性有限元技術和計算機技術的發展，采用有限元數值模擬方法對確定船舶撞擊力大小及損傷變形形式，以及研究安裝防撞設施后的防撞效果有了一個更準確、直觀的分析和描述。文中概述了船一橋碰撞問題的一般研究方法，簡述了船一橋碰撞力學計算方法和船撞橋風險分析方法，同時針對上海長江大橋工程，利用非線性有限元方法對主通航孔橋橋墩的船舶撞擊和防撞設計問題進行了模擬研究。
二、橋梁防撞研究的一般方法和思路
建設在航道上的橋梁，如果有橋墩位于水中且水深滿足船舶吃水要求，就需要研究水中橋墩的船舶防撞問題。一般的橋梁防撞研究涉及２個方面的問題：船撞力標準研究和防撞設計。
1.1船撞力標準研究
一般來講，在橋梁的工可設計階段，就需要確定防撞力設計標準，橋墩防撞力設計標準的確定包括以下研究工作。
１）通過橋區調研，收集資料論證影響大橋防撞的關鍵參數，包括：
?橋址水域通航船舶的噸位及頻率、通航船型的歷史ｊ現狀及預測、船舶通航密度、裝載情況；
?不同噸位、噸級船舶過橋時的航速，包括上、下水航速；防撞計算中撞擊速度的選取以及其合理性評價；
?通航船舶主要參數；
?水文資料、防撞水位、水流速度；
?航道條件、航道等級、航道現狀、航道規劃；
?橋址處的水流流速、流向、風速、風向、波浪統計參數；
?橋址周圍的港口、碼頭、渡口位置、船舶密度、噸位信息；
?橋區水域有關航行管理規定及相關信息等。
２）計算船撞力
依據調研和論證結果所確定的防撞代表船型、防撞速度、防撞水位、橋梁設計等參數，運用船舶碰撞動力學理論，選取適合的１種或者幾種船一橋碰撞計算方法，計算不同橋墩的船舶撞擊力。
３）確定防撞力設計標準
依據通航代表船型的主要尺度、流量密度、航道特征、橋位水文特征參數、橋梁幾何參數、航道規劃及船舶事故統計等參數，采用船橋碰撞概率風險分析方法，建立船舶撞擊橋墩的概率模型，進行船舶撞擊橋梁風險評估。依據橋墩的重要性確定橋墩撞損頻率可接受準則，結合船舶撞擊力確定出各橋墩防撞力設計標準。１．２橋墩防撞方案設計研究
橋梁的防撞措施一般可分為２種方式：主動防撞和被動防撞。主動防撞是指通過對船舶的航行管理和航行軌跡干預，避免船撞橋事故發生。文中的防撞方案設計屬于被動防撞方式，即通過橋墩自身的加強或防護設施來抵抗船舶的撞擊威脅。在實際工程中，通常２種方式同時被采用。
橋墩防撞方案設計，主要依據橋墩基礎方案，綜合考慮橋墩自身的抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素，對需要防撞的橋墩進行防撞方案設計研究，在滿足防撞要求的同時應盡量降低防撞工程造價。
一、船一橋碰撞力學計算方法概述
關于船一橋碰撞問題目前主要有以下幾種比較典型的計算方法。
2.1 Ｍｉｎｏｒｓｋｙ理論
Ｍｉｎｏｒｓｋｙ船一船碰撞理論自１９７５年公開發表后，已為眾多的實驗證實，由此奠定了船一船碰撞的分析基礎，并推廣應用于船一橋碰撞，為國際橋梁工程界和各國學者公認。Ｍｉｎｏｒｓｋｙ的研究工作主要是將船一船碰撞問題分為２個相互獨立的部分，即動能損失和結構損傷，并用統計分析方法將它們聯系在一起。
2.2 漢斯一德魯徹理論
由漢斯和德魯徹教授根據ＣＧ－７１９５５一Ａ合同研究提出，主要是研究公路橋梁預防船舶的撞擊。該理論將船舶碰撞橋墩及其防撞設施等效成一個彈簧質量系統的數學模型，計算碰撞中橋墩或防護系統受撞位置處的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞擊力、撞擊過程的持續時間。
2.3 數值解法
數值解法產生于船一船碰撞理論，引伸到船一橋碰撞計算。數值方法中較有代表性的是Ｐｅｔｅｒｓｅｎ方法和它的擴展計算方法口］。前者提出的計算方法可以模擬碰撞中船舶的水平運動，歸結為兩維問題。后者將該問題擴展為三維情況，考慮了碰撞中船舶６個自由度運動。在該方法中流體動力用切片法計算，碰撞力則假設為貫入量的非線性函數，通過６根非線性彈簧描述碰撞區結構的內部機理。當設定被撞船具有極大質量和剛度時，就成為船一橋碰撞的模擬計算。該方法考慮實際撞擊區域船舶、橋墩結構形式和周圍水動力作用，結果更符合實際情況。
2.4 簡化解析法
簡化解析法是將船舶結構部件分解成幾種簡單模型，導出這些簡化模型損傷的理論公式，分別計算出每一種簡化模型的損傷力和變形能，最后合成總的船舶結構碰撞損傷力和能量。例如ＧｅＷａｎｇ等和ＤＴＵ的ＤＥＸＴＲＡ程序等。簡化解析法是一種非耦合的方法。
2.5 實驗方法
通過碰撞模型實驗，直接測量船一橋碰撞中碰撞力、變形能隨撞深的變化曲線。但由于實驗方法耗費昂貴，一般難以實施。有關資料表明，從２０世紀６０年代初開始，日本、德國等國的學者相繼完成了少量的船一船碰撞試驗，而船一橋碰撞試驗的資料還未見報道。
2.6有限元方法
有限元法可以比較精確地計算結構之間變形和受力的耦合作用，在計算象船舶這樣具有復雜結構形式的結構受力變形時，更能體現出比簡化解析法計算結果精確的優勢。但該方法建模工作量大，計算耗時。
在有限元方法中，相撞結構（或構件）之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發生接觸作用的結構之間定義主從接觸面，分別定義在２個不同的結構（或構件）上（見圖１）。在求解的每一個時間步，檢查從屬節點是否已經穿透主面，如果還沒有穿透，則計算工作繼續進行；否則在垂直于主面的方向上施加一步穿透，這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側的單元特性。計算中碰撞力的輸出是通過定義船一橋之間的接觸面，以接觸力的形式給出的。
三、船撞橋風險概率分析方法
3.1 風險接受準則
風險分析中，風險接受準則表示在規定的時間內或系統的某一行為階段內可接受的風險等級，它直接為風險分析以及制定減小風險的措施提供參考依據，因此在進行風險分析時應是預先給定的。
橋梁通常采用年撞損頻率作為風險接受準則。根據ＡＡＳＨＴ０規范，橋墩受撞后的破壞概率Ｐｃ是指船撞力大于橋墩抗撞能力引起橋墩破壞的概率，由船舶撞擊力與橋墩防撞力確定。當橋梁構件強度大于船撞力時，Ｐc=ｏ；當橋梁構件強度介于船撞力的１０％與１００％之間時，Ｐｃ在０與０．１之間線性變化；當橋梁構件強度小于船撞力的１０％時，Ｐｃ在０．１與１之間線性變化。
3.2 船橋碰撞概率研究
研究船撞橋的概率問題主要有３種基本方法：第１種是統計分析法；第２種是模型試驗或實船試驗；第３種是數學模型加實際校驗，幾何概率的正態分布模型以及漂流船舶的均勻分布等模型的提出都屬此列，這些模型也一直在根據各地不同項目的實際進行不斷地驗證，不斷地修正。
幾種應用比較廣泛的船撞橋概率模型是ＩＡＢＳＥ模型（拉森模型）、ＡＡＳＨＴＯ模型、歐洲規范模型和德國昆茲模型。
3.3 船撞橋事故原因統計與分析
船撞橋事故的原因經分析可歸結為三大類：第１類是人員失誤，如疏忽、操縱失誤、生病等；第２類是惡劣的自然環境，如壞天氣、大洪水等；第３類是機械故障，如主機失靈、舵機失靈、船隊斷纜等。人員失誤是最主要的事故原因，其次是惡劣的自然環境，再次是機械故障。有資料表明：３種原因之比大約為２５：４：１。
根據統計分析，與碰撞事故發生有關的因素有：
洪水期 可以認為洪水期船撞橋事故的概率可達普通時段的２～３倍；
時段 中午時段交通流量較大，是事故的高發時段，另一個事故高發時段是２１：００前后，并且夜間的船撞橋事故發生率要高于白天；
船型 船隊更易發生撞橋事故；
航向 下水航行船舶撞橋事故數量較多，大約是上水航行船舶事故數量的２．２倍。
一、上海長江大橋工程防撞研究
對于有被船舶撞擊威脅的每一座橋梁，都需要進行船舶撞擊力標準和防撞方案的專題研究。通過專題研究，確定船舶撞擊力標準后，如果橋梁自身設計不滿足船撞力，還需要進行防撞方案的設計，應根據橋梁的具體設計參數、周圍水域航道情況，并且綜合考慮造價與效果等因素確定較好的橋墩防撞方案。筆者采用這一研究方法對東海大橋、蘇通大橋、南京高速鐵路橋、杭州灣大橋等大型橋梁項目進行了防撞的專題研究。為了更清楚地論述橋梁防撞研究的一般方法，現針對上海長江大橋工程，進行橋墩防撞力標準研究和防撞方案設計的簡要論述。
4.1主通航孔橋梁設計方案簡介
大橋主通航孔設計按５萬噸級船舶雙向通航，凈寬為５８５ｍ，凈空高度５２．７ｍ。兩個單向邊孔通航５０００噸級船舶，邊孔凈寬１４６m，凈空高度３６ｍ。
4.2主通航孔橋墩防撞標準
１）防撞船舶
根據大橋通航船型分析結果，北港航道近期無萬噸級及以上的船舶通航，為了有效控制大橋基礎防撞規模，大橋防撞將采取統一規劃、分期期按照５萬噸級船舶防撞。
２）防撞水位
依據風險水平，船舶撞擊概率較大的主通航孔橋墩防撞水位：最高水位＋６．０３ｍ；最低水位一0．１ｍ。
３）防撞力標準
大橋主通航孑Ｌ橋南北主墩，近期主要針對５０００噸級船舶ｙ＝３．７ｍ／ｓ的撞擊速度設防，橫橋向抗撞力為４０ＭＮ，順橋向為２０ＭＮ。
４）橋墩撞損頻率可接受準則
根據ＡＡＳＨＴｏ規范，一般橋梁整橋的年撞損頻率＜１０-3，關鍵性橋梁整橋的年撞損頻率＜１０-4。上海長江大橋工程屬特大型工程，投資大，使用年限長，應盡量減少大橋受船舶撞損的風險，橋墩整體采用１０-4撞損頻率。
4.3 主墩近期防撞方案設計
主墩承臺表面標高一４．０ｍ～＋４．０m，樁基離承臺邊緣最近處１．０ｍ，墩柱離承臺邊緣最近處１２．６ｍ。由于主通航孔跨距較大，主墩本身的結構較強，近期建議采取自身抗撞為主，周圍安裝套箱的防撞方案。發生船舶碰撞時套箱變形消能，減小船舶撞擊力，并對基礎局部結構進行保護，同時也能減少撞擊船舶的損傷。
