大跨径桥梁防撞力数值模拟分析.doc

随着我国跨越大江大河及海洋的桥梁日益增多，在建和已建成的桥梁被撞事故也逐年增加，桥梁遭受船舶撞击的风险越来越大。船撞桥事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失，严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果，经济损失巨大。
因此，桥梁防撞是通航水域桥梁设计必须考虑的问题，而合理确定桥梁防撞力标准是桥梁防撞设计首要的环节和基础。数值模拟分析是确定大跨度桥梁防撞力的有效方法，本文介绍了桥梁防撞力标准研究的一般方法和思路，简述了船撞力计算方法和船撞桥风险概率分析方法，同时结合工程实例，利用有限元数值模拟方法对主通航孔桥墩的防撞力进行了计算分析。
1 桥梁防撞力标准研究的一般方法和思路
　 建设在可航水域上的桥梁，如果有桥墩位于水中且水深满足船舶吃水要求，就需要研究水中桥墩的船舶防撞问题，并确定桥墩的设防标准，进而采取必要的防撞措施。桥墩防撞力设计标准的确定包括以下工作。
1.1 收集桥区自然及通航条件等资料
1.2 计算船舶撞击力
依据调研和论证结果所确定的防撞代表船型、防撞速度、防撞水位、桥梁设计等参数，选取适合的简化公式方法或数字模拟方法，计算不同桥墩的船舶撞击力。
1.3 确定防撞力设计标准
依据通航代表船型的主要尺度、流量密度、航道特征、桥位水文特征参数、桥梁几何参数、航道规划及船舶事故统计等参数，采用船桥碰撞概率风险分析方法，建立船舶撞击桥墩的概率模型，进行船舶撞击桥梁风险评估。依据桥墩的重要性确定桥墩撞损频率可接受准则，结合船舶撞击力确定出各桥墩防撞力设计标准。
2 　桥梁船撞力的计算方法
　 目前国内外常用桥梁船撞力计算方法主要有简化公式法和数值模拟方法。
简化公式法特点是计算简单，能快速估算船撞力的大小。目前包括我国《铁路桥涵设计基本规范》[1]、《公路桥梁通用设计规范》[1]、美国公路桥梁设计规范( AASHTO) [1]、欧洲统一规范[4]在内的国内外不同规范提出了数十种船舶撞击桥墩的碰撞力计算公式。这些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。
船舶碰撞动力数值模拟法是通过研究船舶碰撞的内部机理、外部机理，建立船舶碰撞的动力学模型，模拟船舶撞击桥墩的动力学过程，获得撞击力、能量转化、船舶破损长度等结果，并可模拟分析防撞消能设施的实际消能过程，动力数值模拟法考虑实际船舶撞击区域的结构特性、船舶周围水动力作用、桥墩刚度、形状，结果更符合实际情况。由于该方法需要进行碰撞接触有限元分析，因此计算量较大。
3 船撞桥风险概率分析方法
船撞桥的风险分析研究包括二个主要方面：第一是船撞桥的概率分析；第二是船撞桥的风险准则研究。
3.1 船桥碰撞概率分析方法
国际上几种应用比较广泛的船撞桥概率分析方法有：AASHTO规范方法、欧洲规范方法和德国昆兹（C.N.Kunz）改进积分方法。我国规范则是将船撞事件处理为偶然作用，根据航道和通航船舶情况给定设防船撞力，没有形成一个系统考虑风险的设计方法。AASHTO规范全面采用了基于风险的设计思想，其方法明确，应用简单，因而成为目前国际上应用最为广泛的一部指南。
根据美国AASHTO的《公路桥梁防撞设计指导文件》（1991），大桥各桥墩年撞损频率按以下公式计算：

公式中去除桥梁倒塌概率 一项后是桥梁遭受船舶撞

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