桥梁受船舶碰撞的思考

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1、桥梁受船舶碰撞的思考第16卷第1期2008年2月安徽建筑工业学院学报(自然科学版)JournalofAnhuiInstituteofArchitecture&IndustryVo1.16NO.1Feb.2008桥梁受船舶碰撞的思考蔡键,汪克来(1.安徽省交通科学研究所,合肥230011;2.杭州市市政设施监管中心,杭州310003)摘要:综述了国内外重大的船撞桥实例,有关研究的及进展概况以及船撞桥的物理,力学特征,环境影响等内容;针对如何减少船舶撞击桥梁问题进行了较深入的探讨,通过对某一具体事故后桥梁的损伤检查,得出了一些重要的结论,并提出一些新的见解.关键词:船舶;桥梁;碰撞;能量;

2、力学模型;结构损伤;经验教训中图分类号:TU311.3文献标识码:A文章编号:10064540(2008)0100104AccidentsandLessonofshipbridgecollisionsCAIJian.WANGKe-lai.(1.Anhuiprovincialinstituteofcommunication,Hefei230011,China;2.HangzhouMunicipalFacilitiesSupervisionandManagementCenter,Hangzhou310003,China)Abstract:Introducesshipbridgecollisiono

3、fbothhereandabroad,explorethemethodandapproachtodecreaseaccidentratioandtoreducetherisk.Thecollisionforce,structuraldamage,andenergyabsorptioncapacitywerestudiedandinvestigatedindetail.Keywords:ship;bridge;collision;energy;simulationmodel;structuraldamage;accidentsandLesson1国内外典型船舶撞击桥梁事故船舶撞击桥梁的事故一直在

4、不断地发生,虽然不如汽车交通事故频繁,但远比人们想象要多的多,而且船撞桥事故所导致的人员伤亡,财产损失更是惊人,动辄以数百万计不说,大量的间接损失以及环境破坏更是难以估量1.世界上损失最大的船撞桥事故之一是1980年美国佛罗里达州横跨泰姆伯湾的阳光大桥被一艘空载35000t的货轮号撞击倒塌,35人丧生,船舶价值1300万美元,大桥价值是25000万美元.现在的阳光大桥是重新修建的.再有1993年美国亚拉巴马州莫比尔附近横跨贝尤卡诺特的CSX铁路大桥,被一个拖驳船队严重撞击.当时正值雾天,该船队误驶入莫比尔河的侧航道,造成撞桥事故,使桥梁结构产生巨大位移,恰好一列旅客列车从桥上驶过,-大桥即刻坍

5、塌,列车出轨,47人丧生.人员伤亡较大的是1983年发生在前苏联,一艘名为亚历山大?苏瓦洛夫号的客轮在乌里扬诺夫斯克伏尔加河上通过一座铁路桥时,由于船长粗心驾驶,致使船舶偏离航线,从大桥的侧跨驶过,由于竖向净空高度不足,船的上甲板室与桥的上部结构相撞,使包括一个电影放映室在内的上甲板室全部被切掉,176人丧生.另有一起也是发生在前苏联,一艘名为亚尼山德鲁?依凡诺夫的号客船与伏尔加河铁路桥相撞,桥上的四节列车车厢落水,死亡人数达240多人,这是死亡人数最多的一次船撞桥事故.收稿日斯:2007-11-25基金项目:国家科技部计划项目(20044A2Z414101).作者简介:蔡键(1955),男,

6、教授级高工,主要研究方向为土木工程.2安徽建筑工业学院学报(自然科学版)第16卷其他地区如法国巴黎2001年一艘满载乘客的游船在塞纳河上,由于一块漂木卡在了游船的螺旋桨里,导致主机熄火,而与路易斯一菲力普桥的桥墩相撞,造成6名游客受伤.英国sevem河的SEVERN铁路桥,1960年两艘装油驳船钩在一起,船侧撞击桥墩,造成一支撑墩,两跨垮蹋,死亡5人.我国内船撞桥事故也是频繁发生.根据2002年的资料统计,仅在长江干线上,从1959年第一次记载武汉长江大桥被船泊撞击,就已经陆续发生了近300多起重大船只撞击桥梁事故.船只损失严重,桥梁也受到不同程度的损坏.其中武汉长江大桥70余起,南京长江大桥

7、约30起.近五年事发频率,逐年增高.不久前广东省佛山市九江大桥的一个引桥桥墩,被一艘偏离航道误入非通航孔的运沙船撞击倒塌,被称为新中国成立以来最严重的船撞桥事件2.2船舶撞击桥梁事故发生的原因根据资料统计,无论在国内还是国外,船舶撞击桥梁事故最主要的原因都是行船操作人员失误,约占78,因此非常有必要加强操作人员的职业技术与道德培训.第二位原因是恶劣的自然环境,约占16.如潮汐,洪水对船撞桥事故有显着的影响.据我国长江干线船撞桥事故分析,洪水季节船撞桥事故明显增多,事故率可达月均值的3倍左右.第三位原因是机械故障,约占6.另外船队比单船更易发生撞桥事故,事故数量占总数的86.船撞桥事故更多发生在

8、能见度较差的情况下,与良好能见度情况相比,事故数量比约为8倍.受黑暗和城市灯光的影响,21:O0左右船撞桥事故较多3.以上诸多因素似乎是通过人的能力可以尽量减少或避免,然而除此以外还有一个不可忽略的因素,研究桥墩对水流的影响也是一个极其重要的课题.随着经济发展,跨江,跨海等大型桥梁的兴建,桥墩引起工程区段水位,流场的变化,已极大地影响了河道行洪,航道通航.在架桥之前水域是船舶的航道,架桥后船舶航行条件发生了变化,船舶必须避开桥墩,即使有些大桥桥位并不合理,航道也要改变.所以桥梁建设一定要考虑船舶通航,不是光遵守了桥梁规范就万事大吉.要从和谐的观念出发,选择合理的建桥位置;建设完善的防撞设施,既

9、保护桥,也保护船舶和环境4.总之,无论是主观原因还是客观原因,船舶撞击桥梁事故,造成的后果和影响都是相当严重的,进一步进行这方面的分析研究是十分必要的.3船舶撞击桥梁的计算船舶撞击桥梁时的分析涉及许多因素,其中主要有船舶的质量,航行速度,撞击角度等,还包括大量的非弹性性能和非线性影响.在碰撞后的一瞬间,船舶运动可能包括横摇,横漂,摇首,纵倾,升沉和进退等;桥梁则会发生弹性变形,刚性位移,表面损坏,内部出现相对位移与损伤等一系列反映.然而这些都是无法统计与量化处理的,给撞击后分析带来巨大的困难,因此说这种碰撞是一个复杂的问题.但无论碰撞过程如何的复杂,都必须遵循能量守恒定律,即撞击前的撞击动能等

10、于撞击后船体形变势能与桥梁所吸收的能量之和.通过能量转换,可求出撞击作用力5.目前常用的撞击作用力计算有如下几类.我国公路桥涵设计规范使用了质量,速度函数式进行计算:一wV(1)式中,P为平均撞击力(根据实验最大撞击力P约为P的二倍>,为船的排水吨位,为船速,为冲撞时间(无资料时取ls),g为重力加速度引.德国沃辛总结出来的经验公式:P一0.88/z(150)乡一寺乡(2)其中,.为碰撞初速度;M为弹簧质量;伽为船舶的重量.4桥梁防撞的措施随着桥梁设计理论的发展完善,桥梁防撞设施已成为桥梁整体结构的一部分.在桥梁方案设计阶段,就考虑桥梁防撞保护问题,较为有利.目前已有相应的船舶碰撞的指导

11、文件或规范,内容包括碰撞概率分析,设计船舶的确定,碰撞力计算,船舶破损长度的计算,防撞保护系统设计规范等,可作为防撞设计参考_7.防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力,桥墩的位置,桥墩的外形,水流的速度,水位变化情况,通航船舶的类型,碰撞速度等因素进行.防撞设施一般应满足这些要求:(1)对碰撞的船舶能量进行消能缓冲,使船舶不能直接撞击桥墩,或使船舶碰撞力控制在安全范围内.(2)防撞设施不能影响船舶的通航,占用航道范围尽量少.(3)通过合理的结构,材料布置,尽量减少船舶的损伤.(4)防撞设施制造皮装,维修经济方便,经久耐用励能可靠.经过多年的研究应用,世界上有多种类型的桥墩防控设施,每种防撞

12、措施都有其特点和使用条件.如缓冲材料方式,缓冲设施工程方式,重力方式,桩方式,人工岛,薄壳筑沙围堰方式(或沉箱方式),浮体系泊方式,非结构物防撞系统等.设置防撞结构能有效地降低对桥墩的直接破坏.在碰撞过程中,防撞结构能有效降低碰撞力峰值.同时可以通过合理设计防撞结构的结构形式及刚度,从而可以限制桥梁在碰撞中受到的最大碰撞力载荷.碰撞过程中碰撞能量主要被防撞结构和撞击船的变形能的形式吸收.防撞结构通过自身结构的塑性变形大量地吸收碰撞能量,从而消除传递到桥墩上的冲击力或使其减小到非破坏水平,并对撞击船起到一定程度的保护作用.5某桥梁受撞击后的观察一货轮空载排水量400t,逆水航速3km/h,船艏偏

13、左侧部位直接撞击大桥主桥2号桥墩下游侧墩柱,碰撞方向接近对直撞击.桥区水流速度0.76m/s,水流量是41500m./s.桥梁受撞击后;组织力量检测发现,该桥墩已受多次撞击主桥1号墩采用双柱柔性墩设计,盖梁为1960330cm,引桥侧共8橡胶支座,支座垫石尺寸为6055cm,橡胶支座采用4530cm,T梁底部钢板尺寸为4586.8cm(测试数据).橡胶支座横桥向中轴线距盖梁边为53.5cm,上,下游两侧第一个支座纵桥向中轴线距盖梁侧边为73.5cm,两个橡胶支座间距为259cm.主桥侧共2个盆式支座,支座垫石尺寸为110ll0cm.引桥侧的防震挡块除y支座上游侧一个完好外,其它挡块均以破碎.主

14、桥侧盆式支座:上游侧的单向支座,顶板的上游侧面钢板与顶面钢板断裂,合肥端间距为1.4cm,铜陵端间距为0.7cm.伸缩装置形式为万宝鸟式,主桥1号墩处伸缩装置共8片中梁.8根梁中线位置均断裂,其_中1号边梁断3处,4号中梁断3处,5号中梁断2处.除上游第一个支座挡块之外其余支座挡块都折断;而且主梁上游边缘在支座内侧3.75.4cm,表明主梁可能整体向下游横向移动;上游4根主梁悬出支座部分增长,下游4根主梁悬出支座部分缩短,表明主梁绕桥支座群中点逆时针旋转.简支T梁活动支座端,逆撞击方向出现微量移动.小船舶长达十余年的海量撞击,累积至今,导致了T梁的大尺度位移.由于船舶短暂撞击时,桥墩连同与桥墩

15、拴接的各个构件向上游微量移动;而滑动支座上的T梁因惯性使其运动滞后,不能及时随支座移动,二者产生相对滑移.桥墩连同与桥墩拴接的各个构件横向刚度较大,还要微量弹性回弹.如果不能或只能部分克服滑动支座起动静摩擦力,T梁与支座的移动偏差将全部或部分保留.该次撞击对桥梁总体安全不大,船的总动能为385.80kNm,减速去船的总变形能则得出由冲击过程传至桥墩的能量,约为40.47kNm.桥墩按细杆计算,长度为40.32m,直径0.280m,下端作固定,上端为铰支承.?冲击中心距上端为17.Im,按最大(下转第26页)26安徽建筑工业学院学报(自然科学版)第16卷3.3门窗工程安装质量的控制钢窗安装质量的

16、控制重点有两点,一是钢窗进场合格证,产品试验报告及外观的检查;二是钢窗和固定钢窗的立柱之间的间隙控制.先施工固定钢窗的立柱,对有可能出现钢窗与立柱之间缝隙过大或钢窗安不上.在监理过程中,要求施工单位先固定钢窗一边的立柱,待钢窗完全固定就位后再焊接另一边的立柱,这样保证钢窗与立柱之间无缝隙.5结束语钢结构工程的施工在我国较晚起步,在钢结构工程施工监理过程中,要真正发挥工程监理的作用,监理工程师不仅要做好各分项工程的工序验收工作外,还要加强施工过程中的监督检查,这样才能保证钢结构工程的施工质量.参考文献4压型彩板安装质量控制压型彩板进场后,要进行外观和合格证的检查,并复核与压型板施工安装有关钢构件

17、的安装精度,清除檩条安装时的焊缝药皮和飞溅物,并涂刷防锈漆进行防腐处理.彩板安装时,要按墙面进行排版,从一端开始进行,板与板之间必须咬紧,再用螺钉固定,墙板接缝处做好防水处理.(上接第3页)集中力873.24kN分析.计算结果最大拉应力1.55MPa,位于下端固定点;最大位移0.48cm,为冲击中心处.但是通过对全桥的检测发现,被撞桥墩及附近构件受到明显的宏观影响,有相当一部分已偏离原始位置.说明长期小规模的撞击,对桥梁安全而言,也是不可忽略的_8.6结束语为确保桥梁的安全,对发生船舶碰撞事故可能性较大或多次发生碰撞的桥墩应该加以防护,以使碰撞受损的危险减至最小,建议在合适的条件下安装桥墩保护

18、设施或防撞消能设施.对已被碰撞的部位进行处理.应加强桥区水上船舶航行安全的监测管理.对桥区水域的导航,助航等保证船舶安全通过桥区的设施,进行妥善管理,对于操船者应加强宣传,教育,严格执行水上交通规则等管理措施.桥墩受到多次撞击可能会引起支座与主梁的错位,使伸缩缝的变形不协调,严重的会使伸缩缝断裂,给桥梁结构和车辆的行驶埋下安全隐患.说明桥梁下部受撞击,其他构件可能也会有所反映,陈建平.钢结构工程施工质量控制M.上海:同济大学出版社,2007.谢绍志.钢结构工程施工质量验收与事故分析处理M.合肥:安徽音像出版社,2004.胡松.浅谈钢结构工程的施工质量监理J.安徽建筑,2007(5):15716

19、o.(责任编辑:陈玲)为今后检测工作提出新的思维方式:结构局部损坏的根源应该在何处,怎样寻找结构损伤的原因?参考文献1戴彤宇,聂武,刘伟力.长江干线船撞桥事故分析J.中国航海,2002,53(4):4447.2王长虎.桥梁安全事故浅析及其防治对策研究J.北方交通,2007(03):5254.3严仁军,李嵘,王勇,等水路航运与桥墩防撞研究J.交通科技,2003,198(o3):7274.4曹民雄,甘小荣,周丰年,等.潮汐河段桥墩对水流影响的数值计算与分析J.人民长江,2006,37(4):81-84.5范彬,何栋梁,成彦惠.船桥碰撞中桥梁的力学机理及损伤分析J.石河子大学学报(自然科学版),2007,25(3):357360.6黄锋旺.船舶碰撞荷载计算J.中南公路工程,1999,24(3):5O一51.7梁文娟,陈增高.船舶碰撞力和能量吸收刀.交通部上海船舶运输科学研究所学报,1992(2):13.8蔡敏,张飞帆.船舶撞击桥梁后的结构损伤分析J.浙江水利水电专科学校学报,2007,19(6):14.(责任编辑:陈玲)