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[摘要]交通运输事业发展飞速，但交通安全问题始终是人们生存活动空间中的不可回避的一部分。对船舶撞击桥梁原理、碰撞概率进行探讨，并提出桥墩柔性耗能防撞装置系统的安全预防对策。
[关键词]船撞桥 碰撞理论 柔性防撞
中图分类号：U6 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0710124－01
一、研究背景
历史上世界内发生不少船撞桥事故，造成重大损失。最近国内继2007年6月15日广东九江大桥事故，2008年3月27日，浙江宁波发生船舶桅杆碰撞金塘大桥非通航桥孔的桥面，致桥孔两桥面箱梁塌落，等等，这些事故对我国水运、公路和铁路的交通运输事业安全提出了挑战性。面对桥下航道通船日益增多，船舶日趋大型化和航速逐渐提高的形势，设置防撞系统以降低船撞桥率，保护桥梁和通航船舶的安全，适应日渐提高的防灾减灾的要求显得日益重要。因此，研究船桥碰撞问题成为具有广泛意义的课题。
二、碰撞概率分析
众多事实表明，跨越航道的桥梁结构的设计都必须考虑船舶碰撞工况，而碰撞概率分析是最重要的船撞桥风险分析,因此,本文采用风险分析方法分析碰撞概率。
为了广泛涵盖那些非常严重的、极端的船撞桥甚至相对微小的事故，了解完整的船撞桥概率，假定船撞桥频率与位于可能发生碰撞航道上的船舶碰撞概率和碰撞影响系数有关, 碰撞频率。
为i类船单位时间内船舶的流量， 为i类船的碰撞影响系数,该系数取决于航道、水流、天气、船型、船几何尺寸、航速、航向等客观因素；
为航道上的船舶碰撞概率；μ为船舶穿过桥轴线的均值， 为船舶穿过桥轴线位置的均方差。文献[3]利用VTS对南京长江大桥的船舶通航空间分布做出了统计和分析,结果表明,船舶通过桥的空间分布与Gauss分布基本吻合，可以用Gauss分布来模拟并计算位于航道上的船撞桥概率。如图1和图2。
经过分析,船撞桥的频率，船舶通过桥梁时的空间分布可以用Gauss分布来描述,船舶的碰撞影响系数则可依据相关的统计数据获得。
三、预防对策
（一）原因分析及目的要求
1．桥墩的防撞能力弱的原因分析。首先，桥梁自身缺乏健全防撞设施且部分桥梁设计防撞能力低，结构内部损伤不断累积，以致结构功能的不断退化。其次，桥梁下部水流水流过流断面面积缩小，水流流速变急,不仅增大了水流对桥梁基础的作用力和船舶的增大撞击力，而且加深河床冲刷深度，使桥墩逐渐呈浅基状态。再者，河道大量采砂增大河床高差变化，加剧了桩基周围土侧压力的不均匀性。
2．防撞目的以及要求。A．耗能要大，将船的动能保留在船上，最新的办法是防撞装置把船头拨开，使船离开墩而不被镶住，尽量减少船舶的损伤；b．防撞设施不能影响船舶的通航，占用航道范围尽量少；c．结构、材料布置合理，撞后自行恢复而不需维修，管理方便且不增加新问题；D．安装方便,经济、可靠而耐用。
（二）防撞方案
1．柔性耗能防撞装置。桥墩防护设施有多种，相对刚性防撞装置，选择柔性耗能防撞装置，可以降低船撞力，耗掉大部分撞击能而不反馈给船体，降低船体的毁损程度又保护了墩，且又不需每次维修。
（1）原理 [4]：桥墩的防撞装置要柔软，当船万一撞上桥墩时，防撞装置稍为后退一点，同时给船头一个侧向力，拨开船头，是船的动能大部分保留在船上；透视防撞装置消耗掉一部分能量。消耗掉的这部分能量是不对船做功的，如果它占的比例大，便减轻了对船的破坏。物理意义：初撞时反力小、位移大、耗能大、反力做功小。
（2）其实现途径可利用液体、气体和固体的缓冲原理做成柔性防撞装置：液压缸缓冲装置，橡胶气囊装置，钢丝复核耗能防撞圈。
（3）设计步骤如图3。
2．其他防撞保护装置。最有效的防撞方法是：一跨过江或大跨距，实现江中无墩，桥墩在两岸，岸侧不通航。此外可采用：撞击记录仪，灯标志飞机降落时的水平指示灯标，船舶通航服务（VTS）系统。
图3柔性耗能防撞设计步骤
四、结语
本文只是初步探讨船舶撞击桥梁的原理，以风险分析研究碰撞概率，提出以桥墩柔性耗能防撞装置系统为主的安全防撞系统，为在桥梁工程船桥梁碰撞的安全性设计提供决策依据。而船桥碰撞概率，撞击动能，船舶对桥墩或防撞系统的撞击力，或防撞系统的能量吸收等方面有待进一步深入研究。
参考文献：
[1]梁文、金允龙、陈高增，船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞[J].上海船舶运输科学研究所：中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第十四届年会论文集，2005.
[2]杨渡军.桥梁的防撞保护系统及其设计［M］.北京：人民交通出版社，1990：91－122.
[3]戴彤宇、刘伟力、聂武，船撞桥概率分析与预报[J].哈尔滨：哈尔滨工程大学学报，2003，24（1）：23－25.
[4]陈国虞、王礼立，船撞桥及其防御[M].北京：中国铁道出版社，2006：63－64.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
[关键词]船撞桥 碰撞理论 柔性防撞
中图分类号：U6 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0710124－01
一、研究背景
历史上世界内发生不少船撞桥事故，造成重大损失。最近国内继2007年6月15日广东九江大桥事故，2008年3月27日，浙江宁波发生船舶桅杆碰撞金塘大桥非通航桥孔的桥面，致桥孔两桥面箱梁塌落，等等，这些事故对我国水运、公路和铁路的交通运输事业安全提出了挑战性。面对桥下航道通船日益增多，船舶日趋大型化和航速逐渐提高的形势，设置防撞系统以降低船撞桥率，保护桥梁和通航船舶的安全，适应日渐提高的防灾减灾的要求显得日益重要。因此，研究船桥碰撞问题成为具有广泛意义的课题。
二、碰撞概率分析
众多事实表明，跨越航道的桥梁结构的设计都必须考虑船舶碰撞工况，而碰撞概率分析是最重要的船撞桥风险分析,因此,本文采用风险分析方法分析碰撞概率。
为了广泛涵盖那些非常严重的、极端的船撞桥甚至相对微小的事故，了解完整的船撞桥概率，假定船撞桥频率与位于可能发生碰撞航道上的船舶碰撞概率和碰撞影响系数有关, 碰撞频率。
为i类船单位时间内船舶的流量， 为i类船的碰撞影响系数,该系数取决于航道、水流、天气、船型、船几何尺寸、航速、航向等客观因素；
为航道上的船舶碰撞概率；μ为船舶穿过桥轴线的均值， 为船舶穿过桥轴线位置的均方差。文献[3]利用VTS对南京长江大桥的船舶通航空间分布做出了统计和分析,结果表明,船舶通过桥的空间分布与Gauss分布基本吻合，可以用Gauss分布来模拟并计算位于航道上的船撞桥概率。如图1和图2。
经过分析,船撞桥的频率，船舶通过桥梁时的空间分布可以用Gauss分布来描述,船舶的碰撞影响系数则可依据相关的统计数据获得。
三、预防对策
（一）原因分析及目的要求
1．桥墩的防撞能力弱的原因分析。首先，桥梁自身缺乏健全防撞设施且部分桥梁设计防撞能力低，结构内部损伤不断累积，以致结构功能的不断退化。其次，桥梁下部水流水流过流断面面积缩小，水流流速变急,不仅增大了水流对桥梁基础的作用力和船舶的增大撞击力，而且加深河床冲刷深度，使桥墩逐渐呈浅基状态。再者，河道大量采砂增大河床高差变化，加剧了桩基周围土侧压力的不均匀性。
2．防撞目的以及要求。A．耗能要大，将船的动能保留在船上，最新的办法是防撞装置把船头拨开，使船离开墩而不被镶住，尽量减少船舶的损伤；b．防撞设施不能影响船舶的通航，占用航道范围尽量少；c．结构、材料布置合理，撞后自行恢复而不需维修，管理方便且不增加新问题；D．安装方便,经济、可靠而耐用。
（二）防撞方案
1．柔性耗能防撞装置。桥墩防护设施有多种，相对刚性防撞装置，选择柔性耗能防撞装置，可以降低船撞力，耗掉大部分撞击能而不反馈给船体，降低船体的毁损程度又保护了墩，且又不需每次维修。
（1）原理 [4]：桥墩的防撞装置要柔软，当船万一撞上桥墩时，防撞装置稍为后退一点，同时给船头一个侧向力，拨开船头，是船的动能大部分保留在船上；透视防撞装置消耗掉一部分能量。消耗掉的这部分能量是不对船做功的，如果它占的比例大，便减轻了对船的破坏。物理意义：初撞时反力小、位移大、耗能大、反力做功小。
（2）其实现途径可利用液体、气体和固体的缓冲原理做成柔性防撞装置：液压缸缓冲装置，橡胶气囊装置，钢丝复核耗能防撞圈。
（3）设计步骤如图3。
2．其他防撞保护装置。最有效的防撞方法是：一跨过江或大跨距，实现江中无墩，桥墩在两岸，岸侧不通航。此外可采用：撞击记录仪，灯标志飞机降落时的水平指示灯标，船舶通航服务（VTS）系统。
图3柔性耗能防撞设计步骤
四、结语
本文只是初步探讨船舶撞击桥梁的原理，以风险分析研究碰撞概率，提出以桥墩柔性耗能防撞装置系统为主的安全防撞系统，为在桥梁工程船桥梁碰撞的安全性设计提供决策依据。而船桥碰撞概率，撞击动能，船舶对桥墩或防撞系统的撞击力，或防撞系统的能量吸收等方面有待进一步深入研究。
参考文献：
[1]梁文、金允龙、陈高增，船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞[J].上海船舶运输科学研究所：中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第十四届年会论文集，2005.
[2]杨渡军.桥梁的防撞保护系统及其设计［M］.北京：人民交通出版社，1990：91－122.
[3]戴彤宇、刘伟力、聂武，船撞桥概率分析与预报[J].哈尔滨：哈尔滨工程大学学报，2003，24（1）：23－25.
[4]陈国虞、王礼立，船撞桥及其防御[M].北京：中国铁道出版社，2006：63－64.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。