跨海大桥桥墩防撞技术

硕士学位论文跨海大桥桥墩防撞技术

姓名：张峰申请学位级别：硕士专业：建筑与土木工程指导教师：李国平;程泽坤

20070301

摘要摘要船撞桥问题在国外从２０世纪８０年代初开始得到研究，经过２０多年的努力，欧洲和美国等国家己经制定了专门的设计规范或指南。在我国船撞桥问题一直未得到足够的重视，也没有专门的设计规范或指南可供工程师使用，在公路桥梁设计规范中的相应条款过于简单，设计船撞力过低。随着我国跨海大桥的建设，船撞桥问题的重要性逐渐地凸显出来，亟待我国桥梁设计工程师和研究人员深入研究并加以解决，制定我国跨海大桥船撞桥的专用设计规范或设计指南。通过对本课题的研究，对其他类似跨海大桥的防撞设计有一定的借鉴意义。通过查阅国内外有关船舶的碰撞理论、桥梁防撞设施实例，分析其发展趋势和规律，总结现有规范、计算理论及计算公式的适用条件，提出适合跨海大桥撞击力的计算公式或方法。以东海大桥为工程背景，在调研、资料收集的基础上，确定跨海大桥桥墩防撞设计船型，选择合理的航速、水流速度，运用选用的船舶碰撞动力学理论，分析推算船舶与桥墩的撞击力。在跨海大桥桥墩防撞系统研究方面，参照国内、外大型桥梁防撞设施的具体做法，并结合东海大桥工程的实际情况进行多方案的比选，最后确定较为合理的防撞措施。根据本课题的工程实例东海大桥的地质、波浪、潮差、潮流等特点，５０００ｔ级通航孔采用预制混凝土套箱作桥墩防撞系统，１０００ｔ、５００ｔ、３００ｔ级通航孔采用鼓型护舷带空腹式钢质船型防冲板作为桥墩防撞系统。该防撞结构具有吸收能量大、消波作用效果好、抗剪切能力强、海上生存能力强、施工和修复方便的优点，对其他类似跨海大桥的防撞设计有一定的借鉴意义。关键词：跨海大桥；桥墩防撞；撞击力；防撞设施ＡｂｓＷａｃｔＡＢＳＴＲＡＣＴＩｔｗａｓａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆ１９８０ｓｓｉｎｃｅＥｕｒｏｐｅａｎａｎｄＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａｎｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｔｓｓｔａｒｔｅｄｓｔｕｄｙｉｎｇｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅｉｍｐａｃｔｉｎｇａｆｏｒｃｅｏｆａｖｅｓｓｅｌｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒａｎｄａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓａｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒ．Ａｓｗｅｒｅｒｅｓｕｌｔ，ｓｏｍｅｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄｃｏｄｅｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｓａｄａｐｔｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｔｈｅｉｒａｒｅｎｏｌｏｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｓａｎｄｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎＣｈｉｎａ，ｔｈｅｒｅａｖａｉｌａｂｌｅｃｏｄｅｓ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅｆｏｒｃｅ．ＡｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｅａｂｒｉｄｇｅｓａｒｅｂｅｉｎｇｂｕｉＩｔｕｐｉｎｓｅａｓｉｎＣｈｉｎａ，ｉｔｉｓｕｒｇｅｎｔａｎｄｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｓｅｔｕｐａｓｅｒｉａｌｏｆｃｏｄｅｓａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＣｈｉｎｅｓｅｌｏｃａｌｒｅｇｉｏｎｓａｎｄｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ。ｏｒｏｔｈｅｒｓｉｍｉｌａｒｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｓｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｐｏｒｔ，ｔｈｅＥａｓｔＣｒｏｓｓ—ＳｅａＢｒｉｄｇｅｉｎｃｈｉｎａｉｓｓｅｔｔｏｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｄｅｓｉｇｎｓｅａｂｒｉｄｇｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｐｉｅｒｓａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｓａｃａｓｅｔｏｓｔｕｄｙ，ｗｈｉｃｈｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｐａｎｎｉｎｇａｎｄｐｒｏｖｉｄｉｎｇｐａｓｓａｇｅｏｖｅｒＥａｓｔＣｒｏｓｓ—Ｓｅａ，ｂｅｔｗｅｅｎＹａｎｇｓｈａｎｏｎＤｅｅｐＷａｔｅｒＰｏｒｔｏｆＳｈａｎｇｈａｉＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｈｉｐｐｉｎｇＣｅｎｔｅｒＳｏｍｅｎｅｗＹａｎｇｓｈａｎＩｓｌａｎｄｓａｎｄＳｈａｎｇｈａｉｍａｉｎｌａｎｄ．ａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｅａｎｄａｐｐｒｏａｃｈｅｓａｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｏｆｔｈｅｏｎｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅｆｏｒｃｅｏｆｖｅｓｓｅｌｉｍｐａｃｔｉｎｇｔｈｅｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒ，ｂａｓｅｄｖｅｓｓｅｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｔｈｅｏｒｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄａｓｄｅｓｉｇｎｔｙｐｉｃａｌｔｙｐｅｓｏｆｖｅｓｓｅｌｓｐａｓｓｉｎｇｂｙｔｈｅＢｒｉｄｇｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｎａｖｉｇａｂｌｅｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ，ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓａｎｄａｎａｌｏｇｏｕｓｅｔｃｗｈｉｃｈａｒｅａｎｄｓｅｌｅｃｔｅｄｒｅｆｅｒｒｉｎｇｔｏｐｒｏｊｅｃｔｓａｎｄｓｔｕｄｉｅｓ．ｒａｔｉｏｎａｌａｌｓｏｃａｓｅｓＦｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｍｏｒｅｔｈｅｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒｓａｒｅａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｏｆｃｈｏｓｅｎａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｃｈｅｍｅｓ，ｒｅｆｅｒｒｉｎｇｔｏｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｂｅｉｎｇｕｓｅｄｏｆｌａｒｇｅｓｃａｌｅｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｏｖｅｒｓｅａｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｒｅｐｏｒｔｄｒａｗｓａｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｏｆｔｈｅＢｒｉｄｇｅｐｉｅｒⅡＡｂｓｔｒａｃｔａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄａｌｓｏｂｅａｎａｌｏｇｏｕｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｏｔｈｅｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｐｒｏｊｅｃｔｓａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｓ，ｔｈａｔｏｆａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎａｔｕｒａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｏｕｎｄｔｈｅＥａｓｔＣｒｏｓｓ－ＳｅａＢｒｉｄｇｅａｒｅａ，ｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗａｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｉｄａｌｒａｎｇｅａｎｄｅｔｃ．，ｉｎａｂｓｏｒｂｉｎｇｃｏｌｌｉｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙａｎｄｓｈｅａｒｆｏｒｃｅｓ，ａｓｗｅｌｌｗａｖｅｓｈａｌｌｂｅｏｆｇｒｅａｔｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓｅｎｅｒｇｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂｒｉｄｇｅａｒｅｉｎａｎｄｒｅｓｉｓｔｉｎｇｓｐｅｅｄｙｂｙａｓｏｆｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｒｅｐａｉｒｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，５０００ｔｖｅｓｓｅｌｓ，ａｓａ（１）ｆｏｒｎａｖｉｇａｂｌｅｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｈｏｌｅｓｐａｓｓｅｄａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｃｏｖｅｒｉｎｇｏｆｐｉｅｒｏｆｐｒｅ—ｃａｓｔｃｏｎｃｒｅｔｅｓｌｉｐｊａｃｋｅｔｃｕｓｈｉｏｎｃａｐｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒｓｔｏｐｒｅｖｅｎｔｖｅｓｓｅｌｓｉｍｐａｃｔｉｎｇｔｈｅＢｒｉｄｇｅｐｉｅｒｓｄｉｒｅｃｔｌｙ；Ｗｈｉｌｅ，（２）ｆｏｒｎａｖｉｇａｂｌｅｂｒｉｄｇｅｈｏｌｅｓｐａｓｓｅｄｂｙｆｅｎｄｅｒａｎｄ１０００ｔｖｅｓｓｅｌｓ，５００ｔａｎｄ３００ｔｖｅｓｓｅｌｓ，ｂａｒｒｅｌ—ｔｙｐｅｒｕｂｂｅｒＶｉｅｒｅｎｄｅｅｌｓｔｅｅｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎｂｏａｒｄｓｈａｌｌｂｅａｄｏｐｔｅｄＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｃｒｏｓｓ—ｓｅａ酾ｄｇｅ，ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｎｔｉ．ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｏｆｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒ，ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅｆｏｒｇｅ，Ｉｌｌ学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：７护。年弓月巧日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在本授权书。指导教师签名：年月日年解密后适用学位论文作者签名：年月日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：零嘞矽７年？月∥日第１章绪论第１章绪论１．１课题背景１．１．１国内外船舶撞桥原因及典型案例随着交通运输事业的发展，跨越通航江河、港区、海峡的大型桥梁越来越多，同时船舶的数量、吨位和航速也在不断增加，船舶撞击桥梁导致桥塌船毁的重大海损事故日益增多，并呈不断加速的趋势。据统计，国际上在１９６０～１９９１年期间有记录的严重撞船事故有２９起（见表１．１，图１．１），共撞毁１５个桥墩，４５孔桥梁坍落，死亡２９７人。在国内，武汉长江大桥建桥至今已发生撞桥事故７０多次，南京长江大桥从１９６８年至１９９５年共发生重大撞桥事故２５起。造成撞船事故的原因较多，其中人为错误居第一位，设备故障居第二位，由于恶劣气候造成的事故占第三位，可见船撞事故大多数不是航道管理部门所能通过控制来完全避免的。发生年份图１．１严重船撞桥（损失超过１０万美元）事件ｆ１３Ｉ第１章绪论表１．１被撞垮的重要桥梁示例桥名国名英国美国美国挪威委内瑞拉被撞年份１９６０１９６１破坏情况引桥桥墩撞毁塞纹铁路桥（ＳｅｖｅｒｎＲａｉｌｗａｙ）里奇满一圣拉斐尔桥（砌ｃｌａｒｉｏｎｄ－ＳａｎＲａｆａｅｌ）外交叉桥（ＯｕｔｅｒｂｒｉｄｇｅＣｒｏｓｓｉｎｇ）索苏恩特桥（Ｓｏｒｓｕｎｄ）马拉开波桥（Ｍａｒａｃａｉｂｏ）切萨皮克湾隧道桥（ＣｈｅｓａｐｅａｋｅＢａｙＢｒｉｄｇｅ－Ｔｕｎｎｅｌ）（１９６５）１９６３１９６３１９６４１９６７缓冲系统及桥墩横系梁破坏缓冲系统和桥墩严重破坏边墩被撞毁桥墩曾被撞毁两次一跨垮塌，五跨严重损坏一跨倒塌，五跨严重破坏一跨垮塌，五跨严重破坏二个墩被连续撞毁箱梁被撞垮三跨垮塌主墩严重损伤四跨倒塌，曾九次被撞三跨垮塌，二墩撞毁１３０ｍ的主跨垮塌主墩被撞毁三跨垮塌引桥桥墩撞毁梁端落水美国（１９７０）（１９７２）温哥华港铁路桥（ＶａｎｃｏｕｖｏｒＨａｒｂｏｕｒＲａｉｌｗａｙ）加拿大澳大利亚美国美国美国澳大利亚加拿大加拿大美国美国瑞典美国１９６８西门桥（ＷｅｓｔＧａｔｅ）西迪尼．兰尼尔桥（ＳｉｄｎｅｙＬａｎｉｅｒ）霍普山桥（ＭｏｕｎｔＨｏｐｅ）蓬恰特雷恩湖桥（ＰｏｎｔｃｈａｒｔｒａｉｎＬａｋｅ）１９７０１９７２１９７４１９７４塔斯曼桥（Ｔａｓｍａｎ）弗雷泽桥（ＦｒａｓｅｒＲｉｖｅｒ）格兰德海峡桥（ＧｒａｎｄＮａｒｒｏｗｓ）曼查克口桥（ＰａｓｓＭａｎｃｈａｃ）本杰明．哈里逊纪念桥（ＳａｎＦｍｎｃｉｓｃ０—Ｏｌｌｌｄ∞ｄＢａｙ）１９７５１９７５１９７５１９７６１９７７廷斯塔特桥（Ｔｉｎｇｓｔａｄ）旧金山一奥克兰湾桥（ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ－ＯａｋｌａｎｄＢａｙ）１９７７１９７７第二海峡铁路桥（ＳｅｃｏｎｄＮａｒｒｏｗｓ钢筋混凝土竖直升降开启桥加拿大１９７９Ｒａｉｌｗａｙ）的边跨（８５ｍ）落水。修理时间５个月伯拉德湾桥（ＢｕｒｒａｒｄＩｎｌａ）空中通道桥（ＳｕｎｓｈｉｎｅＳｋｙｗａｙ）加拿大美国１９７９１９８０边墩撞毁主墩撞毁，三跨垮塌２第１章绪论续表桥名国名瑞典美国被撞年份１９８０破坏情况拱座撞毁，钢管拱倒塌主墩被撞毁桥梁撞垮，四节列车落水，死亡人数达２４０多人阿尔摩桥（Ａｌｍｏ）密苏里河第５９号桥（Ｎｏ．５９Ｂ，，Ｍｉｓｓｏｕｒｉ１Ｌ）１９８３伏尔加河铁路桥苏联１９８４船舶撞击桥梁可能导致的损失可以归纳为直接损失和间接损失，详细分类见表１．２表１．２船舶撞击桥梁可能导致的损失‘”１损失分类桥梁拥有者损失细节描述①桥梁损坏部件的抢修费用；②桥梁维修或更换费用；如果是收费通行的桥梁，则在维修或更换期间收益的损失：③由事故带来的更多的维修或更换要求的附加费用。桥梁使用者损失①丧失生命：②车辆和货物的损失；③对每一个死难人员用一定数额的费用代管。则死难人员的损失可用经济损失的形式表示。①失去生命：②抢救船只的费用；③船只维修或更换的费用；④船舶拥有者损失在维修期的收益损失；⑤装载在船上的货物损失。⑥桥梁拥有者和使用者的索赔费用；⑦安全保险费的增长①公路和铁路的不方便费用，其取决于桥梁的战略重要性，即选对工业、贸易和社会造成的间接后果择路线的可行性、桥上交通的密集度和类型等等；②桥梁或船只的破坏阻塞了一条重要航道，使港口中断使用的费用；③在重要时间内由于交通运输破坏引起的商贸和公益方面的损失环境破坏①清除费用；②自然恢复费用；③长期生态破坏。对于桥梁拥有者来说，关心的是桥梁的损失；对于船舶拥有者来说，关心的是船舶的损失；相关的工商业公司则关心由于交通中断（或受阻）造成的业务损失；而对于政府来说，除了关心以上各项损失之外，还关心人员伤亡和环境及社会等更大方面的影响．由于上述原因，世界各国对船撞桥问题越来越重视，尤其是在修建有大吨位通航船舶的桥梁结构（如跨越大河和跨越海峡的桥梁结构）时。１．１．２防撞保护系统的必要性对大量被撞垮的桥梁调查得知，几乎所有的桥梁均未设置防撞保护系统；３第１章绪论即使少数有防护系统的桥梁，也因设计防护能力不足而未能抵抗住船舶的撞击。从概念上讲，当撞击力大于桥墩的承载能力时，桥梁的抗冲击能力既不能由桥墩提供，也不能靠撞击桥墩的船舶提供，这是因为：①桥墩的刚度总是较大的，不可能产生较大的塑性变形来缓解撞击动能；②为了桥梁上部结构的安全，不允许桥墩有较大的位移；③肇事船只的船头刚度不论多小，变形量也只能由船头钢板的压扁长度提供，故不可能产生较大的变形，由此缓解的撞击动能与总的撞击动能相比是较小的。由此可见，桥梁不设防护系统时，船舶将直接与墩身接触。由于二者的刚度均较大，变形量较小，不能缓解撞击动能，因而将产生极大的撞击力，造成船毁桥塌事件。所以，桥梁的抗冲击能力一般只能由防撞保护系统提供，以缓冲船舶的撞击力，使桥梁和船舶的损失程度尽可能缩小。目前我国的规范尚没有桥梁防护系统设计的明确条文。美国铁路工程师协会的“防撞保护系统设计规范”（１９７９年）中规定：“设置防撞保护系统的目的，是使其保护的铁路桥梁及桥墩免遭船舶突然撞击而可能产生的破坏。设计这类防护系统以改变撞击力的方向，或吸收撞击能量，使撞击动能消散，或限制及降低由船舶转移到桥墩上的撞击能量，使桥墩不被破坏。”１．１．３工程背景东海大桥是上海洋山深水港工程的三大重要配套项目之一，是港区与陆地交通和港区水、电、通讯的生命线。大桥连接远离陆域３２．５公里的外海孤岛，东海大桥规模浩大、自然条件差、技术难度高、建设周期短、建设经验少，是目前我国第一座真正意义的超大型跨外海桥梁，也是世界上罕见的特大型跨外海桥梁。大桥起自上海南汇芦潮港，跨越自然水深约一８～一１０ｍ（理论基准面）的宽阔海域，于浙江省嵊泗崎岖列岛的小乌龟岛接入拟建洋山港区；大桥按６车道设计，考虑桥上管线布置，桥梁标准宽为３１．５ｍ；大桥设５０００吨级主通航孔和１０００吨级、５００吨级３００吨级辅通航孔各一处。主通航孔为４００ｍ跨径的双塔单索面斜拉桥，通航净空高度４０．Ｏｍ，按５０００吨级船舶单孔双向航道设计。根４第ｌ章绪论据交通部要求，对５０００吨级主通航孔按１００００吨级船舶进行防撞设计；辅通航孔采用１４０ｍ跨预应力混凝土连续梁桥，均为双孔单ｆ句航道。１０００吨级辅通航孔通航净空高度２５．０ｍ；３００、５００吨级通航孔通航净高均按１７．５ｍ计。非通航孔采用预应力混凝土连续箱梁，跨度６０、７０ｍ．大桥桥墩采用高桩承台结构，桩基主要为钢管桩、ＰＨＣ管桩、后张法预应力混凝土管桩。东海大桥跨越宽阔的海域，其间航运繁忙，比较重要的有申甫客班轮航线（内航路）、芦潮港至嵘泅车客渡航线（陆岛交通）以及沿北岸的小型船舶通航区。随着洋山港的建设，内航路还将通过１０００～５０００吨级集装箱船。由规划中的内河入海通道（金汇港）入海并通航于桥区海域的３００～１０００吨级江海轮也将大大增加。大桥建成后，水面增加很多桥墩，通航条件受到限制，通航孔位置又与现有习惯性航路不尽一致，通航孔内航道与水流流向夹角较大，客观上增加了船舶航行困难，容易发生船舶撞桥事故，造成人员伤亡、船舶破损，也严重危及桥梁本身的安全。对于客轮，由于海上救护困难，更应保障船舶安全，避免人员伤亡事故。由于主、辅通航孔下面有中日海底光缆和马迹山港海底动力电缆，在海缆线两侧各二公里范围内是严禁锚泊及渔捞作业的，因此一旦通航船舶操作失误或船机失控，无法通过抛锚减速，增加了撞击桥墩的可能性和危险性．桥墩基础采用高桩承台结构形式，遭受船舶撞击时，较易破坏桩基承台结构，会对上部桥梁不利的影响；因此必须设置防撞保护系统，避免船舶直接撞击桥墩结构。１．２国内外桥梁防撞理论与防撞设施研究现状国际上关于船撞桥问题的系统研究始于２０世纪８０年代初。ＩＡＢＳＥ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｓｓｏｃｉａｔｉＯｌｌｏｆＢｒｉｄｇｅａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）于１９８３年召开了一次国际会议讨论此问题。１９９１年ＩＡＢＳＥ发表了《交通船只与桥梁结构的相互影响》（综述与指南）。１９９３年ＩＡＢＳＥ又出版了“船舶碰撞桥梁”专册。ＡＡＳＨＴＯ子１９９１年出版了《船舶碰撞公路桥梁设计指南》。１９９７年欧洲统一规范（Ｅｕｒｏｃｏｄｅ）第一卷（Ｅｕｒｏｃｏｄｅ１）第２．７分册开始试用，试用期为３年。此分册规定了冲击与爆炸事故设计荷载的确定方法。我国在公路桥梁设计规范中也５第１章绪论对船舶撞桥的设计荷载进行了规定。上述规范（或指南）的概要对比见表１－３。表中ｍＤｗｒ表示船舶的吨位；ｖ表示船舶的速度：ｋ表示等效刚度；ｍ表示等效质量。桥梁船撞设计的目的是避免结构灾难。但中国规范与美、欧规范（或指南）相比，在考虑问题的深度和方法上有很大差距。中国规范将桥的船撞力处理为偶然荷载，将动力作用等效为一个水平静力作用，从设计实践看，设计船撞力值对设计结果的影响很小。总的来看，中国规范的设计思想和设计策略不明确，对船撞问题的重视程度不够。欧、美规范（指南）在细节和形式上略有差别，但基本设计思想和设计策略相同。从设计思想上看欧、美规范都将船撞桥处理为风险事件，即事故，要求在设计中，将事故作用与永久的和可变的载荷一起进行考虑。所选择的设计情况应是足够的严重且多样，以包括具有合理的发生概率的所有情况，美国的船撞桥设计指南明确规定了设计的目标风险概率（见表１．３）。欧洲规范未对一个事故作用规定任何年概率，但参照了ＩＳＯ的ＤＰｌ０２５２（“由于人类活动导致的事故作用”）中的相应条款，目标设计概率约为Ｐ＝－１０。４。表１．３中、美、欧规范（指南）船撞桥条款的简要比较１１封项目中国公路桥梁规范ＡｓｓＨｌＤ指南欧洲统一规范直接的风险与概率分风险与概率分析，目设计思想不明确析、年目标失效概率ＰＩ＿Ｏ．００１（普通桥梁）Ｐｒ＝０．０００１（重要桥梁）设计策略不明确根据内河航道等级选设计船撞力用（撞击力在Ｏ．７～１．６ＭＮ范围内取值１防止事故发生保护主要构件不失效：直接动力分析；或０．９８（ｍｏｗ＇ｒ）１。（ｖ／１６）；防止事故发生保护主要构件不失效：直接动力分析或标失效概率约为ｌ矿（隐含）ｖ√丽从设计策略上看，欧、美规范都对桥梁结构的重要性迸行了分类，如美国的设计指南将桥梁结构区分为重要桥梁和普通桥梁。同时对桥梁各部件的重要性也进行了区分，允许由事故作用引起的局部失效、倘若它不引起桥梁结构的整体失效的话。对于局部失效和整体失效的这一区分是强制性的，以便区分常６第１章绪论规设计和风险事件作用（事故作用）设计的本质不同。局部失效（在大多数情况下，这等同于部件失效，但它不引起整体失效）意味着超静定性效应和材料性能与几何形状的非线性效应在减轻事故作用的设计中可以起重要的作用，特别是对于大能量吸收装置的设计。更为基本的设计策略是减小事故发生的风险。首先要考虑减小风险事件发生概率的各种措施，包括在发生事故情况时的应急计划，其后才是各种具体的防撞设计。碰撞的力学理论可能是相当复杂的。碰撞体的初始动能可以转换成为建筑结构与碰撞体结构单元的其它形式的动能和弹——塑性变形或者断裂。撞击位置与角度的细小改变可能对撞击后果造成实质性改变。但是若严格考虑船撞桥问题的细节，就可能使工程师无法完成这样的设计，除非进行专门研究。因此欧洲和英国在制定规范和指南时，根据一些理论和试验研究结果，提出了十分简化的设计船撞力的确定方法。ＡＳＳＨＴ０１４７３规范为船舶或驳船头部与桥梁相撞时其当量静态撞击力的计算提供了如下经验关系，Ｐｓ＝０．９８（ｍＤＷＴ）“２（ｖ／１６）（１．１）式中：Ｐｓ为当量静态撞击力，ＭＮ。欧洲规范假定桥梁结构是刚性且不可移动的，碰撞体（船舶）用一个准弹性单自由度系统来模拟，见图１．２。在这种简化情况下，最大的相互作用力Ｆ按下式计算：Ｆ＝ｖ４－磊（１．２）在欧洲规范中，当量设计船撞力按式（１．２）计算。对于内陆航道船舶、质量应取所在组的中间值，速度取为３ｍ．ｓ－‘，ｋ＝５ＭＮ．ｓ～；对于远洋船舶，速度取３ｍ．ｓ一，ｋ＝１５ＭＮ．ｓ－Ｉ。，弹簧：ｖ届ｉ图１．２碰撞体的弹簧模型当桥梁和船舶有相撞的可能性时，需要设计防撞设施．从桥梁结构的安全考虑，防撞设施可按两种情况设计。当桥梁结构整体具有足够的抗船撞能力，第１章绪论这时防撞设施可以是局部的。此时可以设计一个防撞体系以防止桥梁局部破坏。此种情况下，防撞设计可以按两个思路设计。一是只保护桥，防护体系的抗力大于舱的压碎力，船首将被压碎而冲击能将基本上为舱所吸收，如我国广东省洛溪桥的围堰防撞设旌。见图１．３。另一种设计思路是在保护桥的同时，尽可能地减小船舶的破坏，如在我国黄石长江大桥所使用的飘浮式防撞装置。防护装置可以是橡胶产品，也可以是钢构件。冲击能量通过橡胶或钢构件的压缩、弯曲、剪切变形或者三种变形的结合被吸收掉。图Ｉ．３洛溪桥围堰防撞当桥梁的整体抗船撞能力不足或由于特殊要求不允许船和桥相撞时，需采用更强大的防撞体系，较常用的是防护墩和防护岛。护墩桩一般用打入钢板桩构成圆形格舱，内填石块或混凝土，并盖以混凝土顶盖。护墩桩也可以用预制构件做成，亦可全部在场外预制然后浮运至最终位置。打入桩有时要加入到格舱内作组合设计。护墩桩的设计程序通常是以设计冲击荷载所发生能量变化的估计值作为基础的。为了设计的效果，建议护墩桩最大的变形量限制在小于格舱直径的一半。在设计荷载条件下，允许格舱经受大的塑性变形和部分坍毁。环绕桥墩的人工岛或桥墩前的人工沙洲提供了高效的防止船撞保护。但应对修建防护岛之前和之后的航道及水流的变化进行研究。香港汀九桥就采用了防护岛来保护塔免遭船舶的撞击。防护岛通常用沙或石作芯，并用厚的块石铺砌外层加以保护，以防波浪、第１章绪论水流和冰的作用。岛的几何尺寸应按卞列准则制定：①通过岛传给墩的船撞力不得超过桥墩和桥墩基础的横向承载能力：②岛的尺寸应使船在碰撞时其伸入岛内的尺寸不会导致船和桥墩的任何部位有实际接触。第二条规定对子空船或压舱船和驳船特别关键，因为它们能在岛的斜坡上滑行并在停止之前走行很长一段距离。主塔．ｘ芷７３·３０ｚ一｜王尘竺”＼．０１６４．３（▲一ｌ一±ｏ．ｏｏＩ一ｉ——、－‘：●／－一ＲａｍｂｌＩ１２７．ＯＯｌ一４４８．００Ｉ心。，道一矿／Ｙ一旧７．叩４７５瑚１７７附，图１．４汀九桥的防护岛（单位：ｍ）迄今为止，国内外己经有许多大型桥梁设计了防船撞设施。概要情况见表１．４表１．４防撞设计使用情况大桥名称青马桥汀九桥大海带东桥奥兰松桥诺曼地桥明石海峡桥糸尿冯向理公路桥达姆岬桥新悉尼莱尼欧桥３９６５３．４通航跨度，ｍ１３７７４４８＋４７５１６２４４９０８５６１９９ｌ高度，ｍ６２．１７６．４６５．０５７．Ｏ５０．Ｏ６５．Ｏ船舶最大尺寸（载重）／ｔ撞击力ＭＮ设施人工岛２２００００２５００００１８００００１３００００６７３５５０人工岛人工岛人工岛围堰缓冲垫７０００桩群桩群人工岛３８１５６．４９第１章绪论续表大桥名称（港城）弗莱特哈待曼桥奉浦大桥黄石长江大桥洛溪桥１８０３４．０３Ｘ１２５２８．Ｏ３０００通航跨度／ｍ高度／ｍ船舶最大尺寸（载重）／ｔ撞击力ＩＶＩＮ设施人工岛３８５４１．０２７（横向）９（顺向）钢、橡胶浮式橡胶护舷浮式橡胶护舷围堰５０００３２０００船撞桥问题在国外从２０世纪８０年代初开始得到认真的研究，经过近２０年的努力，欧洲和美国等国家己经制定了专门的设计规范或指南。国内，随着改革开放带来的经济腾飞，交通事业蓬勃发展，沿海港口建桥日渐增多，跨越大江大河及海湾的特大型桥粱不断兴建。鉴于此种情况，国内目前对船舶与桥梁撞击的研究已提到议事日程但未取得实质性进展。尽管《铁路桥涵设计规节》与《公路桥涵设计规范》均列有船撞力计算的近似公式与相应等级船撞力的参数数值，但它仅适用内河航道，对跨海大桥船撞力的计算并不适用，因此参照国内外有关的研究成果并结合船舶碰撞理论对跨海大桥船舶与桥墩的碰撞进行分析、研究非常必要。１．３本课题研究的内容（１）分析船舶碰撞理论的研究和发展查阅国内外有关船舶的碰撞理论，分析研究规律和发展趋势，总结现有规范、计算理论及计算公式的适用条件，提出适合跨海大桥撞击力计算的计算公式或方法。（２）桥墩防撞设施研究及其应用分析研究防撞分类及特性，收集国内外桥梁防撞设施实例并分析其工作原理及防护特点，然后提出设计或选择跨海大桥防撞设施时应注意的内容。（３）跨海大桥桥墩撞击力计算１０第１章绪论东海大桥在进行充分的调研、资料收集的基础上，并考虑建设单位对桥址区域航道的具体要求及该段航道船舶通航的特点，结合桥位上、下游港口的布局及桥区各级船舶通舶密度及船舶操纵性，确定桥墩防撞设计船型。选择合理的航速、水流速度，参考类似工程的船舶撞击力、防撞专题研究及防撞研究所列举的各类计算方法，运用船舶碰撞动力学理论，分析推算船舶与桥墩的撞击力。（４）跨海大桥桥墩防撞系统研究在计算船舶撞击力的基础上，参照国内、外大型桥梁防撞设施的具体做法，并结合东海大桥工程的实际情况进行多方案的比选，最好确定较为合理的防撞措施。第１章绪论１．４技术路线图１．５论文研究的技术路线１２第２章船舶碰撞理论的研究和发展第２章船舶碰撞理论的研究２．Ｉ影响船舶与桥梁撞击力的因素在船舶与桥梁的碰撞过程中，确定船舶对桥梁的撞击力是很复杂的，这是因为碰撞事故除与碰撞环境——风浪、气候、水流等因素有关外，还与船舶及桥梁结构本身的特性等因素有关。与船舶特性有关的因素有：船舶类型、船舶尺寸、行进速度、装载情况以及船艏、船壳和甲板室的强度和刚度等。与桥梁结构有关的因素有：桥梁构件的尺寸、形状、材料、质量和抗力特性等。另外，还与碰撞力的偏心率以及驾驶员的反应等因素有关。通常，可将在正常航道区域内通行的船舶分为两种基本类型，即驳船和轮船；驳船包括拖拉船，吃水较浅，由其拖拉能力确定；轮船吃水较深，由其载重吨位ＤＷＴ确定。驳船、轮船的的构造示意如图２．１。一Ｌ脚蛐—乍｛～【ｅ檄／．·——√．…ｒ：／：。／图２．１驳船、轮船构造示意与计算船舶撞击力有关的参数定义如下：（１）总载重吨位（ＤｗＤ第２章船舶碰撞理论的研究和发展总载重吨位表示船的载重能力，即船在满载情况下的最大重童，单位以ｔ计。ＤＷＴ等于船在满载时的排水量与轻载压舱时的排水量之差。（２）排水量吨位（Ｗ）排水量吨位表示船的总重，其大小取决于装载情况，单位以ｔ计。ｗ等于船在特定吃水下漂浮的船所排出的水的重量。（３）船舶撞击速度（ｖ）船舶撞击速度是指船舶与桥梁结构物相撞时的行船速度。撞击速度的分布与桥梁的尺寸、航道宽度及船舶总长等因素有关，其大小由船舶的航行速度、桥下航行中线距桥梁构件的距离以及船舶总长确定。美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》规定，在航道范围内的桥梁构件，其受撞击速度ＶＴ为船舶的航行速度、离开航道边缘，撞击速度呈线性减小，距航道中心线３倍船身长度处，达到最小的撞击速度Ｖｍｉｎ，其值可取年平均水流速度，撞击速度的分布见图２．２所示：萋弼翟霸距航遘中心线距离硒图２．２船舶撞击速度分解示意图２．２中：ｖ——撞击速度（ｍ／ｓ）；ｖＴ航道内船舶航行速度（ｍ／ｓ）；Ｖｍｊｎ一最小撞击速度（ｎｌ／ｓ）；ｘｏ一航道边缘距桥下航行中心线距离（ｍ）；１４Ｘ．一桥梁构件距桥下航行中心线距离（ｍ）；ＸＸＩ＿航道距桥下航行中心线距离（ｍ）；ＸＬ＝３ＬＯＡ，ＬＯＡ为船身长第２章船舶碰撞理论的研究和发展度（ｍ）。（４）船舶撞击能量船舶碰撞桥梁问题的实质，可归结到船体结构吸收碰撞能量的能力。一般地，通过计算被撞船舶或桥梁结构的位移、变形或压碎所消耗的部分，来确定船舶撞击的后果。在美国的＜公路桥梁船舶撞击指导性规范》中，定义动能按下式计算：ＫＦ＝百ＣＨＷＶ２（２．１）式中：Ｋ。——船舶撞击动能（ｋｉｐ．∞；Ｗ—一船舶排水量（Ｏ；ｖ二一船舶撞击速度（ｍ／ｓ）；ｃ。——水动力质重系数。水动力系数ｃ０表示碰撞船体周围的流体的影响，ｃ０与水深、船下净高、距碰撞物距离、船形、船速、船舶位置，航行方向、桥梁刚度以及防护系统、水下船身清洁度等因素有关。当船底净高Ｉ＞０．５倍吃水深度时，ＣＨ＝１．０５：当船底净高≤Ｏ．１倍吃水深度时，ｃＨ＝１．２５；船身净高在上述数值之间时，Ｃ。可用内插方法求得。２．２船舶对桥墩的撞击力物体的碰撞遵守动量守恒定律和能量守恒定律。船舶碰撞桥墩时的撞击分析要涉及到许多因素，诸如船舶类型、航行速度、撞击角度、航道水深、流速及潮汐变化、桥墩及基础的稳定性等，大量的碰撞实例调查和模型试验表明，问题的焦点集中在船舶的撞击动能船舶与桥墩或防护系统的形变势能即吸收能量的能力等几个方面。２．２．１船舶碰撞理论研究（１）米诺斯基理论【１】米诺斯基理论发表于１９７５年，得到了国际桥染工程界和各国学者的公认，１５第２章船舶碰撞理论的研究和发展奠定了船舶撞击桥梁理论的分析基础。米诺斯基理论的分析基础是能量守恒定律，即船舶在碰撞前后，整个碰撞系统的能量守恒：Ｕ（ｍ』＋所口＋ｄ。）＝Ⅲ』×巧－Ｉ－ｍ口×％（２．２）式中：所。、％——撞击船舶碰撞时的质量（蚝）、速度（ＩＩｌ／ｓ）；研。、■——被撞船舶碰撞时的质量（蚝）、速度（１１１／ｓ）；Ｉ『－一两艘船相撞后沿撞击方向运动的速度（ｍ／ｓ）：ｄｍ——因流体的影响被撞船舶增加的附加质量（ｋｇ）。一般情况下，两船相撞并非为直角碰撞，但忽略平行于被撞船舶中线的速度分量％ＣＯＳｏ（ａ为撞击角度）引起的误差不大，故在分析中可以仅考虑垂直于被撞船舶中线的速度分量％ｓｉｎａ的影响。碰撞前后系统的动能差即为在碰撞过程中耗散的动能Ｅ。，为：乓ｌ＝｛所ｊ（％ｓｉｎａ）２＋÷（聊口＋所√＋以）ｕ２＝Ｋｉｎ口（％ｓｉｎａ）２二二二（２．３）式中：Ｋ：—旦ｄ兰＿为碰撞系统的能量吸收系数，可由图２．３查得。由图２．３可见Ｋ与流体有效附加质量ｄｍ和相撞船舶得质量比Ｒ：生有关；ｍ』｜｜‘｜Ｉｔｊ｜．｛．＼篷‘肇警ｌ、‘埝ｊ＼吣迤＆吸能系效ｚ图２．３碰撞能量吸收系数Ｋ与流体有效附加质量血和１６第２章船舶碰撞理论的研究和发展相撞船舶的质量比Ｒ的关系曲线碰撞过程中能量得损耗与碰撞系统的阻抗系数Ｂ有关，阻抗系数定义为：岛＝∑昂“ｔ，＋∑只上。‘厚度（ｍ）；（２．４）式中：矗，￡，、ｆ，——撞击船舶第Ｎ个构件的破坏深度（ｍ）、破坏长度（ｍ）、，－、￡．、ｆ。——被撞船舶第１１个构件的破坏深度（ｍ）、破坏长度（ｍ）、厚度（ｍ）。米诺斯基教授通过实验及实例计算，得到著名的Ｒ，一Ｅ，关系曲线，见图２．４所示。即在高速碰撞时，Ｒ，与Ｅ，成线性关系，而在低速碰撞的范围内，没有收效规律，破坏状况要比按撞击速度分析时更为严重。在高速碰撞下，有如下关系：Ｅｒ＝４１５．５Ｒｒ＋１２１９００ｔ一节２（２．５）节为速度单位，１节＝０．５１４ｍ／ｓ。４０害声球世警２０每妊蠕螭甚ＩＯ０被吸收的螗量蜀；御∞吨—节１）图２．４米诺斯基提出的Ｒｒ＿——＆关系曲线米诺斯基理论是针对船舶相撞而提出的，可以用来计算碰撞过程中吸收能量和相应的阻扰系数，求出最大的穿透深度，还可以用于在设计中验证设计船１７第２章船舶碰撞理论的研究和发展速的安全性。（２）沃辛碰撞理论在米诺斯基碰撞理论的基础上，联邦德国沃辛（ＧＷｏｓｉｎ）教授在１９７６年至１９７９年期闻作了一系列试验和研究，发展和充实了米诺斯基理论，并将其应用于船舶对桥墩的撞击分析之中。根据沃辛理论，船舶航行时的动能为露：丢。下Ｍｌ＋ＡＭ×Ｍ１‰２ｉ。—砑＿×ｘｖｏｖ０２（２．６）ｔｚ白）式中：Ⅵ广－一船舶撞击桥墩时的初速度；Ｍｌ——船舶质量；△Ｍ一流体动力附加质量：Ｍ。＋△Ｍ肘ｔ船体质量的扩大系数；由试验获知，船体纵向运动时质量扩大系数取１．０５，横向运动时质量扩大系数取１．５。船舶撞击桥墩后，撞击动能的一部分被船体结构转换为耗散能损失。于是，船舶撞击桥墩的实际动能为：式中；△ｋ实际撞击动能：ＥＥ△Ｅ＝ＥＬｖ－－Ｅｋ．ｈ＝ｎＥｋｖ（２．７）Ｅｋ一船舶撞墩之前的动能；ｋＪｒ一船舶撞墩之后的残余动能；１卜——撞击动能的折减系数。ｋｈ取决于船舶撞墩后的残余速度，实际上是很难精确获取的。极端情况下，比如船艏正撞（撞击方向与船轴线一致），直至停止，则Ｅｋ．ｈ－－－－０ｎ＝１．０△Ｅ＝ＥＥ．Ｖ通过模型试验，沃辛教授发现：平均撞击力基本保持为一常数，为实际撞击能量（系统耗散能量）与碰撞系数破损长度之比。最大撞击力发生在碰撞发生后的Ｏ．１～Ｏ．２ｓ之间，其值约为Ｐｍ的二倍。散装货船对刚性桥墩的最大有效撞击力的试验公式如下：Ｐｍ“＝０．ＳＳｑＤＷＴ土５０％（２．８）第２章船舶碰撞理论的研究和发展Ｐｍｍ；Ｐ—Ｐｍ－－丁式中：Ｐｍ＿一平均撞击力（ＭＮ）；ＡＥ（２．９）（２．１０）沃辛公式计算值的变化范围达１００％，这对于工程计算显然是太大了。（３）汉斯一德鲁彻理论汉斯（Ｈｅｉｎｓ）和德鲁彻（Ｄｍｃｈｅｒ）研究的目标为船舶与桥墩或防护系统的碰撞，他们对沃辛理论进行了简化，假定船体的变形处于材料的弹性变形状态，同时将非线性的弹性或刚性的防撞构件用弹性常数表示，撞击过程中损失的能量主要表现为船体变形吸收的能量、防护系统或墩身吸引的能量。船舶的撞击动能仍然为：Ｅ＝百１●Ｐ。ｘ＿最大有效撞击力（ＭＮ）；ＤＷＴ－船舶载重量（ｔ）；西一碰撞系统破损长度（ｍ）。ＭＶ２２．１１）应该由防护系统吸收的能量为Ｅｆ＝ＣＸＥｆ２．１２）Ｃ为防护系统的吸能系数，与船舶的碰撞部位、几何形状、船体刚度、桥墩结构类型、水文气象条件、流体动力质量等有关。系数ｃ由四个变系数组成，它们是：碰撞偏心率ｃＥ、刚度系数Ｃｓ、形状系数Ｃｃ、流体动力系数ＣＨ，表达式如下：Ｃ＝ＣＥＸＣｓＸＣｃＸＣＨ（２．１３）汉斯和德鲁彻还提出了基于能量交换原理的理论公式（简称ＨＤ公式），假定桥墩或桩群支承在若干弹簧上，弹簧的常数Ｋ与碰撞时被撞结构的反应状况等价，弹簧的质量等价于船舶质量的２倍：１９第２章船舶碰撞理论的研究和发展ＹＩ。＝Ｖ√＾ａⅢｘ＝Ｖｏ＾ＰＭ＝ＫＹｍ“‰。＝Ⅱ／（２＾）（２．１４）＾＝ｘ／ｋ／（２Ｍ）式中：Ｙ二。一桥墩或防护结构的最大位移Ｋ．一桥墩或防护系统的弹簧常数Ｖｒ船舶的撞击初速度Ｐ。。ｒ一船舶的最大撞击力ａ。。，一船舶的最大加速度ｋ。—撞击持续时问ＨＤ公式忽略了桥墩的质量，较适用于大型船舶撞击质量较小（相对于船舶）的防撞墩的情况，同时其线性假定不能适用于撞击速度较大的情形。（４）能量交换原型１１能量交换原理的实质是假设桥墩成群桩支承在若干弹簧上，并保持平衡状态。弹簧的弹性常数Ｋ与碰撞时被撞结构的反应状况等价，弹簧的质量与船舶的质量等价，通过研究后得到如下方程：ｙ盥＝％／ｘＱ。＝％＾，．眦＝Ｋｙ－蛆ｔｍ＝ｘ／２Ｘ（２．１５）式中：Ｙｍａｘ一桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移㈤；Ｖｂ船舶的撞击初速度（ｍ／ｓ）；卜弹簧系数Ｋ与弹簧质量Ｍ之比，＾＝√刍；Ｍ一弹簧的质量（与船舶质量等价）（ｋｇ）；Ｍ＝２Ｗ／ｇ；Ｗ——船舶的质Ｋ．一弹簧的弹性系数，（与被撞结构的反应状况等价）（ｍ／Ｎ）；童；广重力加速度。Ｑ一——船舶的最大加速度（ｍ／ｓ２）：２０第２章船舶碰撞理论的研究和发展弹簧的弹性系数定义为单位荷载作用下结构的变形。Ｐｍａｘ一船舶的最大撞击力（ｋＮ）；．Ｉ．ｍａｘ一撞击的持续时间（ｓ）。Ｋ：上△ｐ（２．１６）垆盖×（脚）式中：△ｐ——被撞结构的挠曲变形（ｍ）；（２．１７）Ｉｐ－－一被撞结构的惯性矩（ｎ１４）；Ｄ×Ｆ．＿一荷载分布系数。Ｅ一被撞结构的弹性模量（Ｎ，ｍ２）；Ｉ，．一被撞结构的悬臂长度（ｍ）；２．２．２各国规范、方法及经验公式０）‘公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧＤ６０－２００４）ｔ４６ｌ在现行的《公路桥涵设计通用规范》中，将船舶对桥墩的撞击力列入偶然荷载中，规范规定一般应使用实测资料，当无实测资料时，可按表２．１、２．２表中的数据采用：２１第２章船舶碰撞理论的研究和发展表２．１内河船舶撞击作用标准值Ｍ横桥向撞击作用内河航道等级船舶吨级ＤＷＴ（ｔ）（１ｄ呵）３０００１４００顺桥向撞击作用（１州）１１００２０００ｌＯｏｏ１１００８００９０ｌｏ６５０４５０３５０２００四五／、５００５５０４００３００１００２５０１５０七５０１２５表２．２海轮撞击作用标准值【拍】船舶吨级ＤＷＴ（ｔ）横桥向撞击作用１９６００２５４００３１０００３５８００５０７００６２１００７１７００８０２００３０００５０００７５００１００００２００００３００００４００００５００００（Ｉｄ叮）顺桥向撞击作用９８００１２７００１５５００１７９００２５３５０３１０５０３５８５０４０１００（１甜）表２．１、２．２中数值是采用“静力法”，并在一定基本假设的基础上得到的，即假定船舶撞击墩台的有效动能全部转化为静力功。设船舶的质量为ｍ，碰撞前行驶速度为ｖ，纵向轴线与桥墩面的夹角ａ，，见图２．５所示，则碰撞前船舶的动能Ｅ为：Ｅ＝１ｔ＿＿ｍＶ２＝｛卅（矿×ｓｉｎａ）２＋去ｍ（矿×ｃｏｓａ）２二二二（２．１８）由于平行于桥墩面的速度分量对最终分析结果的影响不大，故忽略平行于桥墩面的速度分量从而上式变化为；１Ｅｏ＝寺ｍ（Ｖｘｓｉｎａ）２ｆ２．１９）第２章船舶碰撞理论的研究和发展２．５船舶碰撞示意图碰撞瞬间，船身以角速度绕撞击点Ａ旋转，此时的动能：Ｅ＝ＥｏＯ（２．２０）式中：Ｐ——动能折减系数。碰撞后沿速度ｖ方向的变形为△，由功能互等原理，并设Ｙ２－Ｐ，则船舶撞击力为：一×ｖ×ｓｉｎ口再式中：Ｆ—一船舶撞击力（Ｎ）；（２．２１）卜动能折减系数，取Ｙ＝ｏ．４；ｖ．—一船舶行驶速度，取Ｖ＝２ｍ／ｓ；Ａ——撞击角，取＝２００；Ｍ一船舶质量（ｔ）；Ｃ．一弹性变形系数，即单位力作用下产生的变形，一般顺桥轴方向ｃ＝０．００５ｍ／ｔｆ，横桥轴方向ｃ＝０．００３ｍ／ｔｆ．根据我国航运部门规定的内河航道的通航等级：一级航道３０００ｔ：二级航道２０００ｔ：三级航道１０００ｔ；四级航道５００ｔ；五级航道３００１；六级航道５０～１００ｔ；由公式即可得到船舶对桥墩的撞击力，由此估算的撞击力假定作用在通航水位线上的宽度或长度的中点。（２）《铁路桥涵设计基本规范》（ＴＢｌ０００２．１．９９）【蜘在《铁路桥涵设计基本规范》中，将船舶对墩台的撞击力列入特殊荷载的计算中，其计算方法也是采用“静力法”，即假定船舶作用于墩台的有效动能全部转化为碰撞力所做的静力功。设船舶的质量为ｍ，行驶速度为、‘纵轴与墩台面的夹角为ａ，见图２．６所示，第２章船舶碰撞理论的研究和发展则碰撞前的动能Ｅ为：Ｅ＝三ｍ矿２＝三肌（矿×ｓｉｎａ）２＋一１２ａＳＯ２，ｃ×矿（ｍ２）２忽略平行于墩台面的速度ｖ×ＣＯＳａ的影响，则动能可简化为２．６船舶碰撞不意图Ｅ＝去ｍ（矿ｘｓｉｎａ）２在撞击瞬间，船身以角速度。绕撞击点旋转，此时的动能：（２．ｚ３）吾即２＝导㈣２）。２碰撞过程中的有效动能Ｅ：（２．２４）Ｅ＝１２ｍ（ｇ×ｓｉｎ口）２一（ｍＲ２）ｍ２＝丢ｍ矿×ｓｉｎ口×ｐ式中：ｐ为动能折减系数。（２．２５）碰撞后沿速度Ｖ方向的变形为△，并设Ｃｌ为船舶的弹性变形系数，ｃ２为墩台的弹性变形系数，根据碰撞前后功能互等原理，并设Ｙ＝，峰，则可得：Ｙｇｎｖ×ｖ×咖叫去式中：Ｖ二一船舶撞击速度（ｍ／ｓ）；ｗ—一船舶重量；ｃｌ＋ｃ２＝Ｏ．００５ｍｌｋＮ；∞回ｃｌ、Ｃｒ船墩的弹性变形系数（ｍ／ｋＮ或ｍ／ｉｆ）。当无实测资料时，可取卜动能折减系数，当正向撞击时取Ｙ＝ｏ．３，当斜向撞击时，Ｙ；ｏ．２。第２章船舶碰撞理论的研究和发展由此计算的撞击力的作用点，应视具体情况确定，若无资料时，假定作用在通航水位的高度。（３）采用“美国公路桥梁设计规范”（ＡＡｓＨＴ０１９９４）有关船舶撞击力的公式Ｐｓ＝１．２Ｘ１０５ＸＶ×ＳＱＲＴ（Ｄ帅（２．２７）式中：Ｐ乎一船舶撞击力（Ｎ）：ＤｗＴ＿一船只载重吨位（ｔ）；ｖ—一船只撞击速度（ｍ／ｓ）。（４）修正的Ｗｏｉｓｏｎ公式三三Ｐ蝌＝０．８８ｘ（ＤＷＴ）２（Ｖ／８）３（２．２８）式中：Ｖ—一航速（州ｓ）；Ｐｍａｘ－一最大碰撞力。（５）美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》（ＡＡＳＨＴＯ）美国的《公路桥梁船舶撞击指导性规范》是为减小通航水流处船舶的损坏，由知名的有关专家一同编写的指导性规程，供桥梁设计工作者在设计中参照执行，在该规范中，对船舶对桥梁的撞击力作了如下的规定：货船、大型轮船等船舶等效静态冲击力按下式计算（即修正Ｗｏｉｓｏｎ公式）：ｌ式中：Ｐｒ静态等效冲击力（１斟）：ＤＷＴ－一船舶排水量（１甜）。Ｐｓ＝０．９８×（Ｄｇｒｆ）２（ｖ／ｓ）（２．２９）ｖ二一船舶碰撞时的速度（ｍ／ｓ）；船舶撞击的动载分析可以用静载分析代替，但这种情况下的静载分析应通过模型试验或结构分析，取得撞击力和破坏长度之间的关系后进行。船舶对桥梁上部结构的碰撞分析包括以下内容：船舶对上部结构的撞击力Ｐ肼％＝Ｒｓｎ×Ｂ式中：Ｒ。——上部结构被撞高度与船首高度之比；（２．３０）船舶的甲板室对上部结构的撞击力‰‰＝ＲａｎＸＢＰ乎一船舶静载撞击力Ｏ洲）。（２．３１）第２章船舶碰撞理论的研究和发展式中：Ｒ。——碰撞折减系数；当船舶＞１０００００Ｄ、ⅣＴ时，Ｒ∞＝Ｏ．１：当船ｆｌｆｌ＜１０００００Ｄｗ时，Ｒｗ＝ｏ．２＿【而ＤＷ而＇Ｔ】ｏ．１桅杆对上部结构的撞击力己，只ｒ＝Ｏ．１ｅｏ．２．２．３国内外近年来取得一些研究成果（１）１９９１年用于丹麦大带桥工程得经验公式（ＩＡＢｓＥ推荐的计算公式）：当Ｅ≥ｒ’６时：Ｉ．Ｒ。。＝Ｐｏ［Ｅ×Ｌ２＋（５．０一工）×ｒ’６】ｉ（２．３３）当Ｅ＜ｒ。６时：三２‰＝以５．０ｘＥｘＬ式中：‰——最大船艏碰撞力（ＭＮ）；（２．３４）Ｐｏ一参考碰撞荷载（２１０ＭＮ））Ｉ一（Ｌｐｐ／２７５）㈥；式中：Ｉｐ卜船长（ｍ）；Ｅ＝（点０／１４２５）（ＭＮ．ｍ）；（２．３５）点０——船的动能（ＭＮ．ｍ）（２）北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和渡轮的碰撞力：１式中：Ｐ．静态等效碰撞力（ＭＮ）。！Ｐ＝０．５（ＤＷＴ）２（２．３６）（３）用于美国佛罗里达州日照桥船舶撞击力的计算公式如下：三三ｆｌ哪＝Ｏ．８８（ＤＷＴ）２（ｒ／ｓ）３×（Ｄ。／Ｄ。）３（２．３７）式中：Ｐｍａｘ一船舶最大有效碰撞力ｖ二一船舶的碰撞速度（Ｉｎ／ｓ）；Ｄａｃ卜一船舶碰撞时的排水量（ｋｇ）；Ｄｍａｘ—一船舶满载时的排水量（ｋｇ）；（４）索尔等人根据沃辛理论，给出散装船的船舶撞击力计算公式：第２章船舶碰撞理论的研究和发展Ｐ嘲＝Ｏ．８８（ｖｇ，ｒ）２４－５０％（２．３８）式中：Ｐｍａｘ一船舶最大有效碰撞力。（５）沃辛等人根据米诺斯基的关系式，给出平均碰撞力计算公式：２ｅｏ＝矿３×ｒ／１１００（２．３９）式中：Ｐｏ一船舶平均撞击力（１∞；ｖ—一船舶行驶速度（Ⅱ幽）；Ｉ，一船长（ｍ）。（６）挪威公共道路局规定其公共道路系统桥梁和浮桥的碰撞荷载如下：三Ｐ＝３．５（ＤＷＴ）３（２．４０）式中：Ｐ＿静态等效碰撞力（ＭＮ）；ＤｗＴ＿船舶载重量（ｔ）。２．２．４国内外部分桥梁设计中船舶撞击力采用值另外，还有一些桥梁在船舶撞击力的设计中，通过实验模型研究或结构分析，直接给出撞击力，如：１９７７．１９７８年，对丹麦大带桥工程中的船舶撞击力进行了详尽的研究，得到２５００００ＤＷＴ的满载油轮以１６节的速度航行时，平均撞击力位于２５０．７００ＭＮ之间；英吉利海峡上的欧洲大陆桥／隧的船舶撞击力设计，是按２７００００ＤＷＴ油轮推导的，得到等效静撞力为５００ＭＮ；奥尔哈逊采用米诺斯基的碰撞能盘公式，计算出４０４００ＤＷＴ船舶的碰撞荷载为１４５ＭＮ。跨越泰晤士河的英国Ｄａｚｆｏｒｔ桥，设计中假设６５００ＤＷＴ的船以５ｍ／ｓ的速度航行时，撞击荷载为３５０ＭＮ。丹麦哥本哈根的一艘１０６００ＤｗＴ的船以８ｍ／ｓ的速度航行时，其碰撞力为７０－３５０ＭＮ。我国的黄石长江公路大桥、铜陵长江公路大桥等大桥采用５０００ＤＷＴ级通航标准，相应的桥梁侧向撞击力按２７ＭＮ考虑，顺桥向按１３．５ＭＮ考虑。第２章船舶碰撞理论的研究和发展２．３小结跨海大桥确定船舶对桥梁的撞击力是很复杂的，这是因为碰撞事故除与碰撞环境——风浪、气候、水流等因素有关外，还与船舶及桥梁结构本身的特性等因素有关。另外，还与碰撞力的偏心率以及驾驶员的反应等因素有关。跨海大桥撞击力理论建立在动量守恒定律和能量守恒定律上。船舶与桥墩撞击分析要涉及到许多因素，诸如船舶类型、航行速度、撞击角度、航道水深、流速及潮汐变化、桥墩及基础的稳定性等。大量的碰撞实例调查和模型试验表明，问题的焦点集中在船舶的撞击动能、船舶与桥墩或防护系统的形变势能等几个方面。船舶对桥墩的撞击力的理论研究方面主要有米诺斯基理论、沃辛碰撞理论、汉斯一德鲁彻理论、能量交换原理。另外我国的《公路桥涵设计通用规范》、‘铁路桥涵设计基本规范》以及国外的经验及规范都有相应的船桥撞击力的计算方法等。船撞力的计算方法汇总如下表：表２．２船舶撞击力计算公式汇总表计算方法名称计算公式公路桥涵设计通用规范…ｘｖ×如口再Ｙ＝ｏ．４，ｏ＝Ｏ．００３ｍ／ｔｆ铁路桥梁设计规范～×ｖ×如口√磊ｙ＝０．２，ｃｌ＋Ｃ２＝Ｏ．００５ｍ／ｆｔ三Ｐｍ，＝ｏ．８８（Ｄ＿ｒｒ）２±５０％沃辛碰撞理论只＝圭匕汉斯一德鲁彻理论Ｐ∞＝ＫＹｍⅡ第２章船舶碰撞理论的研究和发展续表计算方法名称计算公式当Ｅ≥ｒ６时：１丹麦大带桥（１９９１年）‰＝ｅｏ［ＥＸＬ２＋（５．０一工）×ｒ６】ｉ当Ｅ＜∥’６时：ｌ‰；ｅｏ［Ｓ．ＯｘＥｘ三】２北欧道路管理局关国佛罗里达日照桥美国公路桥粱设计规范修正的Ｗｏｉｓｏｎ公式！Ｐ＝Ｏ．５（ＤＷＴ）２三三Ｐ眦＝Ｏ．８８（ＤＷＴ）２（ｒｌＳ）３ｘ（％／Ｄ咄）３三三三Ｐｓ＝１．２×１０５ＸＶＸＳＱＲＴ（ＤＷＴ）Ｐ砥＝Ｏ．８８ｘ（Ｄ胛）２（Ｖ／８）３三美国指导性规范挪威公共道路局沃辛公式Ｐｓ＝Ｏ．９８ｘ（Ｄｇ＇ｒ）２（矿／８）Ｐ＝３．５（Ｄ时）３２三只＝ｙ３×ｒ／１１００由上表可以看出，对于船舶与桥梁撞击力的计算，各国学者通过实验模型分析或结构分析计算，总结而得的方法不尽相同。这些试验或计算公式的结果之间出入也很大．通过以上分析所知，中国铁道部《铁路桥涵设计规范》与交通部‘公路桥涵设计通用规范》中船撞力的计算公式仅适用于中国内河航道，对海船来说，计算数值明显偏小。汉斯一德鲁彻公式因为其线性假定只适用于撞击能量较小的情况，沃辛公式修正公式因其版本较多无法取舍。ＩＡＢＳＥ推荐公式在大型船舶时与模拟计算结果相接近，美国‘公桥规》ＡＡＳＨＴＯ公式在应用于中小型船舶时结果与模拟结果相接近。第３章桥墩防撞设施研究及应用第３章桥墩防撞设施的研究与应用３．１各种防护设施的分类和评价世界上有多种类型的桥墩防撞设施，但其基本原理都是基于能量吸收、动量缓冲而设计的，每种防撞设施都有其特点和使用条件。按冲撞能量吸收方式和设置场所的不同，各种防撞设施的分类如下：３．１．１按船舶冲撞能量吸收方法分类根据船舶碰撞时的冲撞能量的吸收方法分为：弹性变形型即因弹性变形吸收冲撞能量；抗压变形型即因压缩压屈、弯曲破坏等来吸收冲撞能量；变位型即利用重力或浮力产生的还原力吸收冲撞能量等三种类型。３．１．２按设置场所分类根据桥墩防撞设施设置的场所分为：直接构造即设施与桥墩相连安装；和间接构造即距离桥墩安装等两种方式。根据以上分类，各种方式的防撞设施如表３．１所示翻。表３．１各类防撞设施表弹性变形型——缓冲材料方式、绳索方式防撞设施间接方式直接方式抗压变形型——缓冲工事方式变位型一重力方式弹性变形型一桩方式抗压变形型——沉箱方式、人工岛方式变位型一浮体系泊索方式防撞设施一般要求满足以下性能：（１）．对船舶的冲撞能量有优良的吸收性能：（２）．防护设施的规模要尽可能小，使之对船舶航行水域的影响不大；第３章桥墩防撞设施研究及应用（３）．设施的制作、设置、施工、维护以及管理既经济又简便。各种防撞设施的特性如表３．２所示。表３．２各种防撞设施的特性表［２】防撞设施能量吸收性能好Ｘ×设置水域小ｏｏｏＯ△△××规模小ｏ安装容易ｏＯ△×维护管理容易ｏｏ××缓冲材料方式绳索方式缓冲工事方式重力方式桩方式沉箱方式人工岛方式浮体系泊索方式△△×ｏｏ×△△×ｏＸ×△×ｏｏｏｏ△△△表中“△”——表示一般“ｏ”——表示好“×”——表示差３．２各种防撞设施的特征３．２．１直接构造弹性变形型直接构造弹性变形型，有缓冲材料方式和绳索方式等。构件在弹性领域内变形，不需更换，可利用船舶的系泊用材料等既成品。１．缓冲材料方式缓冲材料方式是将圆型、弓型、槽型和空气型等的护舷材料安装在桥墩周围，如图３．１所示。这些缓冲材料的变形量和其反力特性的关系由图３．２所示．圆型的变形量大致与其反力成正比例，空气式的在变形初期反力相对较小，而槽型、弓型的在变形初期反力相对较大。因而相同规模的缓冲材料，在变形量一定时槽型与弓型对能量的吸收差别很大。在这些缓冲材料中，目前使用的最大容量由表３．３所示。与圆型、弓型相比，槽型和空气型的容量大得多。这些缓冲材料在船舶靠岸发生冲撞时，防撞能力较好。但是，在船舶具有相当速度而３１第３章桥墩防撞设施研究及应用发生冲撞时，仅用这种方式不太理想。不过，在许多大规模防撞设施的周围，很多仍使用各种缓冲材料以缓和小型船舶冲撞或者大型船舶的初期冲撞。口赐＠矽圆形弓形槽形空气型图３．１各种缓冲材料型图３．２各种缓冲材料的变形量和其反力关系表３．３各种缓冲材料的尺寸和特性型式圆形弓型槽型空气型尺寸外径１．６ｍ×内径０．７５ｍ深度１．Ｏｍ×宽０．６５５ｍ深度３ｍＸ直径３ｍ长度９ｍＸ直径４．５ｍ反力ｋＮ４６０５５０吸收能ｆ２４５ｋＮ．ｍ２４５ｋＮ．ｍ９０３ｋＮ．ｍ６０８ｋＮ．ｉｎ５０００～６０００３８６０２．绳索方式绳索方式是将钢丝绳在桥墩附近水面水平地展铺，当船舶冲撞时，由钢丝绳的弹性变形吸收冲撞能量。如图３．３所示。这种方式对于吸收大型船舶冲撞所产生的大冲撞能量不理想，作为小型船舶冲撞的防护设施或者安装在大规模防撞设施周围作为第１次能量吸收的效果较好。第３章桥墩防撞设施研究及应用图３．３绳索方式防撞设施３．浮筏式无损防撞设施根据《公路桥涵设计规范》船撞力的计算公式，利用动能缓冲的原理而发展出的采用高吸能率的钢丝绳做成的柔性防撞圈所组成的柔性防撞结构，在船舶撞上初始便会后退，使船舶沿防撞结构的接触点滑动而不会卡住船头，使相撞能大部分保留在船上，防撞设施被撞后能迅速恢复，多次使用不需修理，实现桥梁、船舶及防撞设施三不坏。３．２．２直接构造抗压变形型这种形式的防撞设施有缓冲工事方式，固定或浮式套箱防撞设旋等。它是在防撞构件的塑性变形范围内，通过其塑性变形吸收船舶的冲撞能量。１．缓冲工事防撞设施缓冲工事的变形即破坏性要考虑弯曲变形和抗压变形。一般是利用前者的变形制作梁构造的缓冲工事，利用后者的变形制作成多孔构造、析架构造、空心管构造的缓冲工事。梁构造由于类似于安装在道路上的隔离栏栅，因此，它比其他构造要简单和吸收能量小；并且随冲撞方向的不同其性能也会有较大改变。该形式的装置要求安装在距桥墩有足够距离的地方，在安装的同时要解决该装置支撑点的构造等问题。多孔构造是通过板的抗压变形吸收能量。其优点是即使冲撞方向变化，其能童吸收性能也不会发生大的变化。缺点是制作时间长，因其为薄板构造，易被腐蚀。对于这种构造，刚体船首的侵入量和反力的关系如图３．４所示。根据图第３章桥墩防撞设施研究及应用３．４中的反力曲线形状可知，在薄板隔栅中填塞的硬质聚胺脂模板复合材料与其他曲线差别很大。冲撞船舶多种多样，船首的强度也各不相同，因此，研究制造出使变形量和反力的关系成直线变化的复合材料，才更适合于这种缓冲工事。图３．４刚体船首侵入量和反力关系空心管构造是将各种形状空心管排列成蜂窝状安装在桥墩周围。图３．５示出了４种断面形状不同的空心管的变形盘和载荷的关系。其中，六角形空心管的缓冲效率明显高些。壹形搴ａ／／，‘“）（ａ）静态塑性特征曲线第３章桥墩防撞设施研究及应用ｑ；上１，Ｍ·ａ１７、＼①１００＾甙Ｖ丁８０’尸ｒ芦Ｉ＠静餐量嶷６０４００①—吭角形②…·圆形‘⑨一椭圆形２０１、｝？广、一、４０６０８０变形事ａ／ｈ（％）（ｂ）缓冲效率和变形率的关系图３．５空心管构造缓冲效果２．浮式消能防撞设施在主墩周围安装套箱或浮箱，利用钢结构和橡胶进行消能。设旌主要由钢结构及橡胶件组成，浮式消能防撞设施可在浮力作用下，沿桥墩上下移动，刚结构的主体由甲板、平台、底板、纵横舱壁、内围壁、外围壁等组成。由内外围壁形成多个水密舱室，可作为压载水舱，内围壁上设置的橡胶件可改善防撞设计与桥墩承台的接触性能。其特点是：①对桥墩外形光滑度、几何尺寸误差要求较高，②能适应水位变化，保护桥墩的范围较大。③潮水涨落过程中，设施与承台接触部位容易磨损，维护量大。④在水位较低时，浮箱在承台上搁浅，承台需承受额外的压力。因此采用该种防撞设施对桥墩外形，承台高度都有要求。３．固定套箱消能防撞设施防撞设施安装在承台上，由桥墩承台支承，不随水位变化移动，防撞设施主要由钢板和型材以及橡胶件制成，对钢结构进行防腐处理。钢结构主体由板架和栅架结构组成。内围壁上设置的橡胶件可改善防撞设计与桥墩承台的接触性能。在考虑船体破损、防撞设施穿透情况下，船体不触及桥墩。该设施有如下特点：①为了安装防撞设施，需要在承台周围安装预埋件。第３章桥墩防撞设施研究及应用②为了适应水位变化，保护桥墩，需要加大套箱高度。３．２．３直接构造变位型直接构造变位型是利用摩擦阻力或重力产生复原力的方式，它具有极大的能量吸收能力。但是，该设施规模大，冲撞时的反力大，所以对于小吨位船舶的缓冲效果不太好。在此着重介绍重力式防撞设施。重力式防撞设施是由重物及其支撑结构组成的一种防撞设计，通过重物的移动，将船舶的撞击能量转化为重物的势能、重物周围的水动能。此种防撞设施规模较大，宜设在较开阔的水域，抵抗中型船舶的撞击，另外该设施需要重物的支撑结构，维护管理较复杂，碰撞损坏后维修较困难。如澳大利亚的Ｔａｓｍａｎ桥即是采用的这种防撞设施。３．２．４间接构造弹性变形型间接构造弹性变形型主要有护墩桩方式。该种方式防撞设施均不与桥墩接触，其特点是利用其弹性变形吸收船舶的冲撞能量，但是其吸收能力较差，可利用其改变船舶的冲撞角度或冲撞速度，以缓解对桥墩的冲撞。集群式护墩桩由斜桩或竖直桩组成，桩的顶部用缓冲梁互相联接。主要通过群桩联合变形而缓冲消能，为适应更大变形量的需要，还可将几个单桩合成一个桩群。桩径可根据撞击力的大小而选择，整个防护系统可根据需要沿顺桥方向或横桥向延伸，布设非常方便，同时受到撞击破坏的只是少数单元，有利于撤换和修复。如挪威的Ｔｒｏｍｓ桥即采用此种防撞设施。３．２．５间接构造抗压变形型这种方式不论船舶从哪个方向冲撞，即使是大规模的冲撞也具有很好的防撞效果。但是，这种方式也存在占水域范围大、随水深度加大防撞设施规模和造价急剧增大等缺点。其种类主要有沉箱方式和防护岛方式（人工岛方式）等。１．沉箱方式沉箱方式是在水深不大、底泥较好时效果良好的一种方式。沉箱由装满砂砾的圆筒钢板桩和项板构成，大致构造如图３．６所示。第３章桥墩防撞设施研究及应用正面瞳图３．６沉箱防撞设施的一般形式２．人工岛方式人工岛能向桥梁提供良好的防撞能力，一般与桥墩基础一起建造，在坚实的岩石上可由砂、石块砌筑而成，顶部一般在水面以下，有很平缓的斜坡，船舶撞击时以使船舶搁浅。它施工简便，造价较低，几乎不用维修，撞击后的修复也很简便，特别使用于大型船舶的高能量碰撞。但这种系统由于多采用自然边坡，占用航道位置较多，会压缩过水断面，增加流速，加剧河床的冲刷。在地质条件较差的桥位不宜采用。如法国的Ｖｅｆｄｏｒ桥。撞击标准：８００００吨船舶以１５ｍ／ｓ速度撞击。挪威的Ｂｒｃｖｉｋ桥。香港的青马大桥。均是采用此种防撞设施。３．钢围堰方案在桥墩施工结束后，利用原施工平台，用于作为防撞的支承结构，进行改建，利用钢围堰结构保护桥可减少防撞项目的投资，为了达到有效的防撞消能目的，采取如下措施：①钢围堰采取防腐措施（采用防腐漆，防腐锌块或铝块），延长钢围堰使用寿命。②在钢围堰周围布置缓冲构件，保护碰撞船舶和钢围堰。③最终传递到桥墩承台或桩基的碰撞力应进行有效控制。３．２．６间接构造变位型该种方式有浮体系泊索方式，它是将浮体和链条或钢丝绳、较链相互连接而成。这种方式是通过浮体之间张紧的绳和链条挡拉住冲撞船。冲撞能量的吸收方法是利用浮体从平衡状态到被拉动所产生的还原力、在海底面沉降移动时产生的摩擦力、系泊索的弹力和变形力等等。第３章桥墩防撞设施研究及应用这种方式的防撞设施优点在于即使在水深较大的水域，造价也相对很低，它以较小还原力、较大变形量来吸收冲撞船的能量。这种设施的最大缺点是，在绳索挡拉冲撞船的同时还会有向船首下部沉降的危险。如图３．７中ａ、ｂ所示，挡拉绳对于球形状船首的挡拉效果很好，而对于ｃ、ｄ中的船首形状则不太适合。另外船首如果比较尖锐，则水中部分揽索易被切断，该设施的链条装置和端部的铰链机构等因长期在腐蚀条件中漂浮，所以，还必须定期检查，；；≥ｂｏｄ图３．７浮体系泊索方式防撞设施钢索与船首的关系３．３国外桥梁防撞设施实例３．３．１缓冲材料方式１．濑户大桥（日本）１９８１年９月至１９８３年５月期间作为试验在濑户大桥５＃桥墩周围设里了橡胶制空气式缓冲材料和钢制缓冲材料，如图３．８所示。空气式缓冲材料是６个直径为４．５ｍ，长１２．Ｏｍ和６个直径为４．５ｍ、长９．Ｏｍ，的缓冲件。缓冲件之间在其断面中心处用链条连接，各级冲件安装有不绕轴旋转的垂重链（由３２ｍｍ，４链）。３８第３章桥墩防撞设施研究及应用平匿田正槐腰Ｉ５２．５ｍＩｌ雌翻。＼。—一２０ｎ量Ｉ．＋钿：、．１．Ｐ∑籀扩图３．８濑户大桥５＃桥墩防撞设施试验结果为：各缓冲件内压下降０．００４～０．０１７Ｍｐａ，其他连接钩环、系泊用链、垂直用链均有不同程度的腐蚀。２．岩黑岛桥（日本）岩黑岛桥２撑桥墩的角部设计装置了槽型缓冲材料防撞设施，如图３．９所示，这种防撞设施能吸收的最大冲撞规模为２００ｔ的船，航速为２．８ｍ／ｓ；ｌＯＯｔ的船，航速为３．４ｍ／ｓ。第３章桥墩防撞设施研究及应用图３．９岩黑岛桥２＃桥墩防撞设施３．３．２绳索方式柜石岛桥（日本）该桥与岩黑岛桥２撑桥墩相同，在桥２＃桥墩的墩角处装置了槽型缓冲材料，其他处在航道侧的３个边倒采用了绳索方式防撞设施，如图３．１０所示，大致以水面附近为中心上下排列着１７根刚丝绳体（２０ｒａｍ）。收道＿－童曩１中材＊图３．１０柜石岛桥２＃桥墩防撞设施４０第３章桥墩防撞设施研究及应用３．３．３缓冲工事方式１．础ｄ蚰ｏｎｄ—Ｓ觚Ｒａｆａｃｉ桥（美国）该桥在易撞桥墩周围设置的缓冲工事为木制桁架构造如图３．１１所示该工事涉及水面上下范围为－）－４．５ｍ～１．５ｍ。冲击至岩层图３．１１木制桁架构造缓冲工事１９５１年８月５日，美国海军一艘排水量为１４５０ｔ的舰只由于舵故障而冲撞该缓冲工事。其结果是，受冲撞部分的缓冲工事完全被破坏，桥墩无损伤，冲撞舰只也损伤轻微。２．漱户大桥（日本）该桥５＃桥墩西面设置多孔构造钢制缓冲工事，其他面设置了空气式缓冲工事。分布在南北两侧桥墩拐角部分和其他部分。它们的断面形状如图３．１２所示。直线部断面图．８拐角部断面里］石２］石ｏ８叫口Ｎ墙Ｉ－Ｎ言：ｇ§∞耋．习２０００２０００Ｉ图３．１２漱户大桥５＃桥墩刚制缓冲工事该缓冲工事于１９８１年ｌＯ月１２日尚在建设时，为了加固５材桥墩，一艘运土船，碰撞了该墩西南向的钢制缓冲工事的角部。当时，水流与船的前进方向相反，流速为ｌｍ／ｓ。这次事故使该缓冲工事发生了宽约３ｍ，高约３ｍ，凹入约为３０ｃｍ的变形，运土船未被破坏。冲撞的运土船重为５０２ｔ，长米宽为４２．５ｒｅＸＩｌＩｎ，４１第３章桥墩防撞设施研究及应用体积为６００ｍ３，顶推船为１１５ｔ，长Ｘ宽为２３．７３×７ｍ功率为３３０ｋＷＸ２。可以从缓冲工事的变形量推算出其吸收能量为２８４．３ｋＪ，因复合材料的压坏所吸收能最为７７．９６ｋＪ，因侧面板的变形所吸收能量为２０６．３３ｋＪ。此外，还可以从缓冲工事的变形能里推算出冲撞速度，船舶的对地速度为１．１７ｍ／ｓ，对水速度为１．８ｍ／ｓ。３．３．４重力式方式Ｔａｓｍａｎ桥（澳大利亚）该桥于１９６４年建成，桥长１０２５ｍ，最大跨径９４ｍ．在主航道宽为７３ｍ的两侧１４＃和１５＃桥墩处设置有重力式防护设施，如图３．１３所示。它是从桩顶把预应力混凝土构造物通过销栓连接沉吊而成。当船舶冲撞它时，它便作水平移动而吸收船舶的冲撞能量，该沉吊的混凝土构造物重量尚不可知，其可移动距离为２．４４ｍ．当排水量为２００００ｔ，速度为４．０６３ｍ／ｓ，角度为５０的船舶冲撞该防撞设旌时，该船的冲撞能量Ｅ可计算为：Ｅ＝０．０５６１ＡＶ２ｓｉｎ５＝１９４１７．１７ｋＪ（３．１）式中：△——排水量ｔ；Ｖ二一速度，ｍ／ｓ；从该值还可推算出破构造物的重ｔ约为８１０ｔ。图３．１３Ｔａｓｍａｎ重力式防撞设施３．３．５桩方式１．Ｔｒｏｍ桥（挪威）Ｔｒｏｍ桥全长１０１６ｍ，主跨径为８０ｍ，航道宽为６０ｍ肪撞设旅于１９５９年设置，为护舷物方式，如图３．１４所示。第３章桥墩防撞设施研究及应用主桩图３．１４护舷物方式防撞设施１９６１年１１月，一艘载重量为１００００ｔ的货轮冲撞东侧护舷物，使大部分水平板和混凝土桩被撞坏沉入海底，于是在１９７５年，又设置了环状护舷物式防撞设施。如图３．１５所示，它在钢桩上配置了钢筋混凝土，钢筋混凝土包围着主跨墩的４根桩柱。主桩Ｉ图３．１５护舷物方式防撞设捕１９７５年７月，一艘游船撞上该环状护舷物。船侧以及４个船舱裂纹，安装在护胶物上的木材被压溃，可是，硅和钢制护舷物本体无损。由此可见，如果第３章桥墩防撞设施研究及应用没有设置该防护设施，该桥被冲撞的后果将不堪设想。２．Ｔａｓｍａｎ桥（澳大利亚）Ｔａｓｍａｎ大桥的防撞设旋曾提出有多种方式，仅桩方式就有以下两种。其一，由垂直的预应力混凝土桩和缓冲梁构成，如图３．１６所示桩的下端固定在岩基上。冲撞船的能量（假设为３００ＭＪ）通过固定在桩上下的塑性铰链的旋转而被吸收。直径为３ｍ的桩，当上端变形量为５ｍ时，可计算其能量接收量为１８．３ＭＪ．这种设施在发生较大塑性变形后需要更换。其二，由水面的Ｖ型防撞梁、抗压桩、抗拉桩构成，如图３．１６所示。各防撞梁用钢筋增强，是在４３０ＭＰａ的屈服强度和在破坏的情况下，至少能够延长２２％的一种梁。防撞梁的最大荷载Ｐｍａｘ为１５．８ＭＮ，最大延长量Ｓｍａｘ为８．８ｍ．当防撞梁为２根时，内功Ａｉ可以下式计算：Ａｉ＝２ＸＰｍａｘＸＳｍａｘ＝２７８ＭＪ（３．２）这个值很接近冲撞能量的设计值３００ＭＪ．．上／＼．１嘉ｉ’１．㈧．ｌ∞Ｉ埋冲鬃Ｅｉ＂Ｈ－．；．ｉ；！Ｉ．ｉｉ桥正槐田！ｊ·－‘２７ｍ一＿－－●２７ｒｉｂ．．疆应力桩岩层艟冲桨卜———一ｓｓｍ————一缓冲粟平Ｊｉｌｌ图３．１６桩方式防撞设施第３章桥墩防撞设施研究及应用＾＾＾／＼／、＾＾／、＾广＝１］ｌｌ一桥、＾愿万泠／、＾，＼／＼／＼，ｔ二ｒ断面＾一＾图３．１７桩方式防撞设施３．３．６沉箱方式Ｉ．Ｏｕｔｅｒ桥（美国）该桥桥跨为９０ｍ＋１１５ｍ＋２３０ｍ＋１１５ｍ＋９０ｍ，桥墩尺寸为３６．５ｒｅＸ１８．０ｍ。距桥墩一定距离处设置有防撞沉箱。沉箱是在直径为１３．５ｍ的刚圆筒沉箱中装满砂，顶部装有厚度为１．５ｍ的ＲＣ板。该沉箱设计抗撞能力为４００００ｔ的船，，速度为１．５４ｍ／ｓ该沉箱设置状况如图３．１８所示。１９６３年，一艘排水量为１２２００ｔ的加拿大船冲撞沉箱后，又与航道面的桥墩相碰，冲撞船的侧外板多块受损。桥墩只有几块小的混凝土片被撞下，防撞沉箱部分破坏。．ｊ一一一·：■ｒＯ一１０．５．———１Ｉｒ———————ｆ’’—一１３．５ｍＩ尘！二一２３．ＯＩ图３．１８沉箱方式防撞设施第３章桥墩防撞设施研究及应用２．ＳｕｎｓｈｉｎｅＳｋｙｗａｙ桥（美国）位于佛罗里达州坦帕湾附近，相距３６ｍ架设有２座全长为６７２７ｍ的桥，分为东桥（１９５４年建成）和西桥（１９７１年建成）。主跨航道宽为２４０ｍ，可航高度为４２ｍ。１９８０年５月９日，一艘散装货船（１９７３４ｔ）冲撞西桥，造成桥墩的４根桩完全破坏。其结果是３９０ｍ的跨倒塌，死亡３５人。此后计划重建该桥，同时也提出了几个防撞设施方案。其中之一为滑动式沉箱方式防撞设施，如图３．１９所示。其设置状况、沉箱直径和冲撞船停止距离的关系，如图３．２０所示。沉篇图３．１９滑动式沉箱方式防撞设施图３．２０滑动式沉箱方式防撞设施３．３．７人工岛方式Ｂｒｅｖｉｋ桥（挪威）该桥长度为６７７ｍ，主跨为２７２ｍ．主跨两侧的侧跨为８５ｍ。在桥上游峡湾深处有一港口，从那儿出港的船舶冲撞南侧桥墩的危险性极高，通行船只最大可达３５０００ｔ。在南侧桥墩处设置了填土区域，如图３．２１所示。虽然在吸收冲撞能组的同时，航行深度也受到了一定限制，但是，至今为止已有多次在接近事故发生时船舶却在离桥墩２０ｍ以上的地方搁浅。第３章桥墩防撞设施研究及应用图３．２１人工岛方式防撞设施３．３．８浮体系泊索方式１．Ｔａｎｔｏ桥（意大利）Ｔａｒａｎｔｏ桥根跨有２个宽为１５２ｍ的主航道，在水深为１２ｍ处有一６桩桥墩。该墩设置有铅缓冲物防撞设施，如图３．２２所示，该设施设计抗冲撞能力为排水量１５０００ｔ、速度３．１ｍ／ｓ。水面上的般体挡拉装置由具有浮力的绳索构成，船舶冲撞能盘由ｌ根揽索连接着５个（每个长度为５ｍ）铅缓冲物吸收，该缓冲物为钢制圆筒，内部装满铅，通过其中的活塞运动吸收冲撞能量。图３＋２２铅缓冲料式防撞设施２．本州四国连络桥（日本）本州四国连络桥的防撞设施于１９７３年提出方案为沉降滑动方式，如图３．２３所示，该设施是针对大型船舶冲撞而提出。当船冲撞时，浮在水面的降碍揽索第３章桥墩防撞设施研究及应用和沉降链张紧、浮体下沉，当沉降块克服静摩擦力时，沉降滑动开始。桥墩图３．２３沉降滑动方式防撞设施３．４国内特大桥梁防撞设施介绍３．４．１虎门大桥辅航道防撞设施嘲虎门大桥辅航道上的３跨连续刚构桥跨径组成为（１５０＋２７０＋１５０ｙｍ，其西面与西引桥相连；东面与穿过上、下横档岛之间的中引桥相连，分别离上、下横档岛５００ｍ、６０ｍ。辅航道通航净高４０ｍ，宽１６０ｍ。为了避免来往船舶撞击辅航道上的１９号、２０号２个主墩，在１９号、２０号２个主墩的上下游各５５ｍ处分别修筑沉井作为防撞岛，共计４个沉井。防撞岛采用二级防撞体，设计最大船撞击力为３０ＭＮ。第ｌ级为沉井上部的钢筋混凝土部分，容许防撞能力为１０ＭＮ，能够保证在一般船撞击力条件下不破坏，当船撞击力较大时，钢筋混凝土部分破坏而吸收一大部分撞击能力，剩余的撞击能量由下级钢围堰承受。沉井是对２７０ｍ连续刚构桥的永久性防护措施。４个沉井均处于水深流急的江中，采用圆形双鐾钢围堰施工。钢围堰外径２５ｍ，Ｐｑ径２２ｍ，井壁厚度为１．５ｍ，刃脚高１．５Ｉｎ，内设８道隔舱板，把沉井均分为８４８第３章桥墩防撞设施研究及应用个隔仓，除１９—１号沉井刃脚为平刃脚外，其它３个沉井的刃脚为高低刃脚，高差为１．５ｍ。沉井总高为２９．５ｍ，底层是高２６ｍ，重４２０ｔ的钢结构，内为片石压浆混凝土，其余３．５ｍ均为钢筋混凝土结构。其中，１个沉井内为５．５ｍ高封底片石压浆混凝土结构。沉井混凝土总量为５４００ｍ３。沉井施工采用了多项先进的独具特色的施工技术，包括采用在沉井内搭设平台锚碇系统，大型双璧钢围堰块件制作、拼接，井壁混凝土和封底混凝土进行片石压浆施工，不仅节省了投资，而且争取了时间。３．４．２洛溪大桥防撞方案硼洛溪大桥位于广州市南郊，它跨越沥洛水道，江面宽４６１ｍ，是跨越珠江出海主航道上第一座特大型桥梁。下部结构设计中的一个主要问题就是船舶的撞击，主墩由于连续刚构结构受力要求必须采用双柱式柔性墩，防撞能力很弱，而航运又要求通过５０００吨并兼顾７０００吨海轮，船舶的撞击力较大，为有效而又经济地解决船舶的撞，作了下列一些方案进行比较：１．在主墩上、下游设置大直径的防撞桩排，由于船舶撞击力在１００００．２００００ＫＮ之间，就是采用直径５ｍ的防撞桩也不能有效地防止船舶对主墩的撞击，且这一方案对船的横向撞击无法避免。２．加大承台尺寸和强度，同时增加桩数并采用双向斜桩，利用承台和桩基来承受船舶的撞击，此方案在一定程度上可确保主墩的安全，但承台必须露出水面影响美观，其次双向斜桩施工难度较大，经济造价高等因素未被采用。３．人工岛防撞结构，此结构为了不增加桩基的附加重量，同时避免撞击对桩基的影响，采用了Ｙ形的双层钢围堰与桩基及承台的分离结构方案，双层钢围堰不与桩基层承台连接，从而避免日后双层围堰下沉时增加桩的附加荷载。由此双层钢围堰下沉到设计标高后不用水下混凝土封底，不仅节约了材料而且减少了施工难度。上直径为２８ｍ下直径为２３ｍ的Ｙ形双层钢围堰下沉到计标高后，为了减少船舶对双层钢围堰的冲击力，同时也减轻船舶的破坏程度，此外为了便于人工岛在经受船舶撞击破坏后的修复，将双层钢围堰两壁内浇注混凝土，围堰内回填砂土形成人工岛，采用二次撞击构思进行设计。由于双层钢围堰总高度仅２０ｍ，高度并不大，有利于双层钢围堰的施工，同第３章桥墩防撞设施研究及应用时能确保桥梁的安全，造价又较低，加之双层钢围堰到达标高后，桩基和承台的水下施工条件改变为水上施工。缩短了周期，节约了大型承台施工的围水设备，减少了施工难度。３．４．３“液体稳压柔性消能”桥墩防撞设施实验研究“１试验模型如图３．２４所示。防撞设施迎水面和两侧面外层为钢带滑道，次层为１２０根胶管组成的３２４ｍｍＸ３２４ｍｍ的方带。迎水面第３层为“一”字形钢浮箱。第４层是由１４（只）ｘ７（排）充水胶囊组成的方阵。第５层为“Ｔ”字形钢浮箱，它与桥墩之间用橡胶板隔离。液压系统作为船头动力，其速度和推力可任意调整，供排水系统用于模拟江水流态。圈圆圈圈ｌ图３．２４沉降滑动方式防撞设施系统ＩＩ藩橐系统ＩＩ．墨墨Ｊ｜墨鎏Ｉ图３．２５、图３．２６是船头撞击力为３．８４ＫＮ，分别以充水胶囊和胶管作为消能物时，钢浮箱在木同撞击工况下的受为曲线．图３．２６为胶囊、胶管受力曲线．表３．４为３．８４ｋＮ撞击力作用下分别以胶囊和胶管作为消能物时，Ａ，Ｂ两桥墩最大受力，以及胶囊、胶管的消力能力。由表３．４可知，充水胶囊最大消力能力至少为第３章桥墩防撞设施研究及应用３０％，胶管消力能力至少为２０％。由图３．２６知，胶囊从开始加压到压力升至最大值所用的时间比胶管所用的时间短很多，且当外力超过胶囊整定内压力时，胶囊开始释放储水并产生位移，即消能。而胶管在外力不断上升时，其受力也不断上升，即消能能力比胶囊筹。试验中，往两钢浮箱中注入不同的水量，可调整设施整体吃水深度和平衡。而人为地注水使钢浮箱严重失衡但始终不会倾翻沉没。同时各水密仓既无外漏也无内漏，人为地破坏一个水密仓让其变形破裂并灌水。也不会殃及邻仓。撞击过程结束，充水胶囊补水后，设施整体自动恢复正浮位置。表３．４试验力作用下桥墩与胶囊、胶管受力情况表桥墩最大受力撞击Ａ墩工况胶囊效能中心正撞偏心正撞偏心ｌｏｏ１．４８１．４７１．０５１．１９１．３２１．１８３４／３０１．５８消力值＾酣Ｂ墩胶囊效能力１．１２消力比率胶管效胶囊／胶管能力０．９３２９／２４胶管效能１．５２胶囊效能１．１４胶管效能１．３９１．４１．６５０．７８１．１９１．６６１．ｏｏ４３／２６斜撞偏心２２０１．４７１．７３０．９９Ｌ３２１．３８０．７９３６，２０斜撞至乏。孑偏心ｌｏ’斜擅、＞乞式：墨豸芬塌心送正￥啬ｊ儡心舱‘斜～偏心ｌｏ’斜擅、夕∥慵心正擅、／／—Ｊ＿＿＿一‘·）后铜浮箱受力‘ｂ）前铜浮箱受力图３．２５胶囊作消能物时钢浮箱的受力曲线５１第３章桥墩防撞设施研究及应用【－）后锯卑麓受力‘ｂ）村钢浮箱受力图３．２６胶管作消能物时钢浮箱的受力曲线Ｚ＿论。图３．２７胶囊、胶管受力曲线通过上述试验，得出以下给论：１．经胶囊、胶管吸能后可使传到二肢墩上的力至少分别减小３０％和２０％；２．随着水位涨落、设施能台由升降，且完全正浮；３．防撞设施只要整体未遭重创，撞后即能自行恢复正浮状态；４．设施现场安装、联结稳定可靠，装拆简便迅捷，维护简单方便，成本低；５．设施整体平衡可以方便迅速调整；任意局部破坏或失衡不会导致整体失衡或沉没；６．液体稳压柔性消能方案合理，满足船桥相撞后，桥墩不会受破坏，船舶也不会有大的损伤，防撞设施能自行恢复正常工作状态且安装、维护、检修方便简单等设计要求。３．５小结随着我国经济的发展，在河川、航道上建桥的情况很多，对于桥墩防撞设施第３章桥墩防撞设施研究及应用的研究相对落后，防撞设施的设置实例也比较少，对跨海大桥防撞设施的研究更是一片空白。国内外桥梁界经过多年的研究应用，产生了多种类型的桥墩防撞设施，其基本原理都是基于能量吸收、动量缓冲而设计的，每种防撞设施都有其特点和使用条件。具体来说防撞设施可分为两大类，一为间接式，其特点为：在桥墩之外另设防撞设施，桥墩不直接受力，如桩群方式、重力方式、薄壳筑沙围堰方式、人工岛方式、锚系浮体方式等，一般用于水浅、地质情况较好的场合。二为直接式，其特点为：力经过缓冲后直接作用在桥墩上，如护舷方式、绳索变形方式、缓冲材料设施方式、缓冲设施工程方式及固定或浮式套箱防撞设施等，一般使用在航道较窄、水较深的场合，通常建造费用较省，土建工程量不大。对跨海大桥的桥墩防撞系统的设计或选取应该注意以下几点：（１）海上构筑物生存条件较恶劣，波浪、潮差、潮流流速均较大。（２）海底表层若有较厚的软土层，持力层埋藏较深，不适宜采用重力式或围堰等水平抗力大的结构型式。（３）海水中抗腐蚀性能要求高。（４）海上施工比较困难，防护设施应采用便于安装施工和便于快速修复的结构型式。第４章东海大桥桥墩防撞力计算第４章东海大桥桥墩的防撞力计算４．１通航船型和防撞设计船型４．１．１通航船型及通航净空尺度（１）通航情况大桥区海域，自然水深５～８ｍ，无规划的深水航道。目前海上行船均属习惯航路，主要有申甬客班轮航线（内航路，已停航），芦潮港至嵊泗车客渡航线（陆岛交通）以及沿北岸的小型船舶通航区。内航路天然水深能满足５０００吨级船舶航行的要求，是目前桥区水域通航船舶等级最高的航线，属中型船舶航线，客货轮正常通航最大等级在３０００～５０００吨级，乘潮也能通过万吨级船舶。陆岛交通线是指芦潮港至嵊泗列岛的车客渡航线，目前的车客渡船总载重吨在１０００吨左右。沿北岸小型船舶主要是在５００吨级以下江海货船及渔船类，无明确航路。（２）通航代表船型经调研，目前桥区水域最大通航船舶等级为５０００吨级，通航船舶包括客轮、客货两用轮、集装箱船、油轮、多用途与散杂货船和渔船等，其代表船型尺度见表４．１～４．５。表４．１集装箱船型尺度表船舶吨位ＤＷＴ船型尺度总长（ｍ）１１９．３２１０５９ｌ６２．４空载高度型宽㈥１８１６１４．７１０．５吃水㈤５．８５．８Ｏｎ）２８．Ｏ～３２．７２３．８～３０．５备注５０００（３００ＴＥＵ）４０００（１００～２００ＴＥＵ）３０００（１００～１５０＇ｒＥｕ）１０００（３０～１００ＴＥＵ）规划船型４．６２．７１５．Ｏ～２１．８第４章东海大桥桥墩防撞力计算表４．２客货船型尺度总吨（０申甬结客货船申椒号蓬莱号梅岭号普陀山号浙江８１５芦～泗线金山～镇海线２３５客高速船２９１客高速船２３５２９１２７．８３１．５１０．３９．４２．Ｏ２．１１６．６１５．３２２３９１０９４４０７ｌ１８８４３２７４９．９８９．６２．６７２８６６４６５０７８６９．６２６０．５１４．Ｏ１３．２ｌＯ。６３．４３．４２．８５船名载客量（客位）１２００船型尺度总长（ｍ）１０８．２ｌ空载船高吃水（ｍ）３．８型宽（ｍ）１７．６（ｍ）～２６．０～２３．６２２．３２３．３２８．１３２２．６４１６．８备注沈～申线沈～芦线车客渡车客渡４１４８５．１１３．６３．７２２．５表４．３多用途、散杂货船型尺度表船舶吨位ＤＷＴ船型尺度空载高度吃水（ｍ）５．Ｏ５．Ｏ５．６４．０５．Ｏ５．４４．２总长㈤１２０１０９１０６．９９９．２９２８６６３．３２６２．８５５３．５６５９．７４型宽㈤１８１９１７．６１５．８１５１５１０．８１１．６８．８９．６（ｍ）备注５０００ＤＷＴ杂货船５０００ＤＷＴ江海直达货船５０００ＤＷＴ货船３０００ＤＷＴ江海直达货船３０００ＤＷＴ多用途船３０００ＤＷＴ货船１０００ＤＷＴ沿海货船１０００ＤＷＴ江海直达货船５００ＤＷＴ沿海货船５００ＤＷＴ杂货船２６．７～３４．５２２．６～２６．６１９．０～２１．４３．６３．４９．５～１２．８３．６第４章东海大桥桥墩防撞力计算表４．４油品类船型尺度表船舶吨位ＤＷＴ船型尺度总长（ｍ）１０７．４２空载高度吃水（ｍ）６．３６型宽（ｍ）１５（ｍ）２３．３～３３．１２７．２～３３．４备注大庆２１４～２１９＃化运１～３５０００ＤＷＴ原油油轮４０００ＤＷＴ江海直达化学船３３００ｔ成品油船３５００ｍ３液化气船１０００ＤＷＴ油船１１００ｔ成品油船１１４．８１７５．Ｏ９１．５１０５６９６７．１１４１４．８１０１ｌ５．５５．１４．０１９．Ｏ～２０．２３．８表４．５渔船类船型尺度类型一般渔船冷加工类渔船渔政船总吨１０００吨以下１０００～５０００吨５０００吨以下船长㈤６～７０６０～１１０船宽（ｍ）４～１２口乞＿水（ｍ）４．５ｍ以下４．０ｍ以下空载船高（ｍ）１０～２４２２～３２１２～１８除民用船舶外，需通过桥区的尚有海军舰艇，其代表船型为３０００吨级登陆舰。（３）通航孔布置及净空尺度大桥全线布置５０００吨级主通航孔和１０００吨级、５００吨级、３００吨级辅通航孔各一处；其中５０００吨级通航孔的通航净空已部分满足１００００吨级船舶在一定水深条件的航行要求，根据交通部交水发［２００２１３４号“关于上海洋山深水港芦洋跨海大桥通航净空尺度和技术要求的批复”，其桥墩应按通航１００００吨级船舶标准进行防撞设计。各通航孔代表船型及净空尺度见表４．６。第４章东海大桥桥墩防撞力计算表４．６航孔代表船型及净空尺度代表船型通航孔船舶等级船长（ｎ１）１７３１２０７０６０净空尺度空载水线以上高度（ｍ）３９．５３１．５２０．５１２．５ｌｏｏ５６２５１７．５船宽（ｍ）２８１８１２９．６满载吃水（ｍ）８．２５．８４．２３．１净空宽度（ｍ）３００净空高∞Ｗ１）１００００度㈤４０５０００吨级通航孔５０００１０００吨级通航孔５００吨级通航孔１０００５００４．１．２防撞设计船型防撞设计船型不完全等同于通航代表船型。对设计船型的选择，美国《公路桥梁撞击设计指导规范和评述》提出三种方法：方法１相对简单、保守，适应于航行情况比较简单的航道，这种方法将桥梁分为重要桥梁和一般桥梁，对于重要桥梁，取大于设计船型的船舶数量为５％或大于设计船型的船舶数量为５０艘。方法２通过概率分析确定设计船型，对于重要桥梁取桥梁损坏的年频率小于或等于１／１００００，桥梁损坏的年频率是指所有可能受船舶撞击的桥梁构件受撞击损坏的年频率之和；方法３是效益分析法，这种方法适用于仅考虑风险准则是否恰当的情况。东海大桥桥墩数量多达几百座，一些中小型船舶的航行情况更无法预见，因此不能通过分析计算确定整座大桥的损坏年频率，效益分析也无从提起。通过桥区的通航代表船型现阶段并不多，它将随着洋山港的建成而逐渐增加，但要预测大桥使用年限（１００年）内的情况也是困难的。本次设计中防撞设计船型等级按通航船型的最大等级考虑，即：５０００吨级通航孔按１００００吨级考虑、１０００吨级通航孔按１０００吨级考虑，５００吨级、３００吨级通航孔按５００吨级考虑。第４章东海大桥桥墩防撞力计算４．２设计碰撞速度４．２．１水流条件桥区最大涨潮流速为１．４～１．８６ｍ／ｓ，流向２５７。～２９８。，最大落潮流速为１．５９～１．８０ｍ／ｓ，流向９３。～１１９。。４．２．２船舶操纵性能船舶与水流应保持一定的相对速度，才能保证舵效。桥区水流流速较大，且流向与航线方向夹角较大，这给船舶操纵带来了不利的影响。因此应对过桥船舶，特别是在顺流航行时进行严格的监控，以避免船舶与桥墩的碰撞。发生碰撞事故的原因较多、较复杂，其中人为因素是最主要的原因。大型船舶通信、导航等设备比较完善，船员素质也较高，因此采取监控、导航措施是可行的。小型船舶的设备和设备保养大多不尽如人意（尤其是三无船舶），船员素质和技术水平参差不齐，因此碰撞的概率相对较高。在台风、大潮汐等恶劣天气条件下，船舶（尤其是小型船舶）容易失控，故船舶应尽量避免在恶劣气候条件下通过大桥。在繁忙的内河航道中，正常航速一般不会很大，过桥时减速较容易，但在宽阔的海上航行，船舶的航速比较大，更应该对过桥航速提出严格的限制和管理。４．２．３桥区控制航速站在航运部门的立场上，希望过桥控制航速大一点，以保证舵效，有资料称：“下水方向的船速，当通过桥梁时，宜为水流流速的３倍左右，以便于控制航向，不致于随波逐流，撞击桥梁。”但从桥墩的安全性看，又希望控制航速小一点，特别是当桥的跨度与有效通航宽度接近时，由于桥墩边缘贴近设计航道边缘，当船长意识到有撞击危险的可能时，采取措旌的余地已经很少。据调查，在受限制的水域，船只在狭窄的航道内须以３～４ｍ／ｓ减速航行。对于双向航道，当航道净宽≤３．５～５．ＯＬＤ时，或对于单向航道，当通航孔净宽第４章东海大桥桥墩防撞力计算≤１．６Ｌｏ时（Ｌｏ为设计船型总长）即为受限制的水域。东海大桥主通航孔按５０００吨级双向航道考虑，净宽３００ｍ，小于３．５ＬＤ＝３．５Ｘ１２０＝４２０ｍ；辅通航孔净宽１００ｍ，小于１．６Ｌｖ＝１．６Ｘ７０＝１１２ｍ；因此取限制通航速度为４ｍ／ｓ（约８节），相当于流速的２．５倍左右。４．２．４设计碰撞速度船舶碰撞桥墩，按二种方式考虑，一种是航行中由于误操作、或气候恶劣等原因碰撞桥墩，另一种是船舶在大桥上游完全失控，漂流而下撞击桥墩，因此应分别进行计算。（１）船舶航行时碰撞桥墩根据《美国公路桥梁设计规范》阻～ＳＨＴＯ度，二者之间按直线过渡。１９９４）的规定，设计撞击速度取值如下：航道边缘处取限制通航速度，距航道边缘３倍船长处取年平均水流速东海大桥主、辅通航孔的桥墩边缘接近航道边缘，因此取设计碰撞速度为４ｍ／ｓ。（２）船舶漂流撞击桥墩水流流速１．４～１．８６ｍ／ｓ，考虑到船舶漂流时可能有风的影响，取漂流流速为２．０ｍ］ｓ作为设计碰撞速度。这种情况下的速度较前一种情况小，但由于碰撞时有可能横向撞击桥墩，因此具有较大的附加水体质量。４．３船舶撞击力计算４．３．１碰撞模拟计算根据船舶与船舶的碰撞机理，用三维船舶运动瞬态方程组模拟船舶的碰撞，并编制了三维碰撞分析程序。可模拟两艘船的碰撞过程，从计算可知，船舶运动能转变为结构变形能和附连小质量动能。碰撞力在撞击开始后迅速增大，在某一瞬时达到其最大值后下降。碰撞力曲线并非单调升值曲线，可能出现波动，这是由船舶碰撞区的结构非线性特点所决定。碰撞过程一般在几秒钟内完成。从系列的比较计算表明，碰撞船艏部结构对碰撞力有重大影响，强结构船艏引第４章东海大桥桥墩防撞力计算起较大的碰撞力和碰撞深度，并且显而易见是船速越高，碰撞力和损伤深度越大，但不呈线性关系，将船与船碰撞的计算方法推广应用于船与桥墩相撞时的动力分析。因桥墩为钢筋硷结构，加之上部结构的影响，目前还未建立桥梁和桥墩完整的计算模型，不能得到该桥桥墩的力——变形曲线，参照以往同类型桥梁设计的经验，按桥墩刚度系数１０：ＭＮ／ｍ。１０３ＭＮ／ｍ和１０４ＭＮ／ｍ三种情况分别计算，从计算结果可看到各碰撞参数值有一定的差别。考虑本桥属于大型桥梁，选用刚度系数１０３ＭＮ／ｍ的一组数值较为合适。对不同等级的船舶采用４ｎＹｓ的碰撞速度时，所得到的模拟计算结果如下表：表４．７模拟计算最大碰撞力ｌ船舶吨位（ｔ）ｌ模拟计算最大碰ｌ撞力（ＭＳ）１００００５６．３５０００４４．７１０００５００３００８．３１渔政船４．７７渔船２．３５１５．１８１０．７３４．３．２规范、经验公式计算船舶对桥墩的碰撞力（１）我国《公路桥涵设计通用规范》０ＴＯＤ６０－２００４）基于动量公式给出了船只和漂流物的撞击力估算公式：Ｐ：—Ｗｘ—ＶｇＸＴ（４．１）式中：Ｐ——撞击力蚪）；ｗ—一漂流物重力（ｋＮ）；ｖ—一水流速度（ｍ／ｓ）；Ｔ＿撞击时间（ｓ），无资料时取１秒。这是最简单的公式，但要获取确切的撞击时间是困难的。对于１００００ｔ级船舶：卜重力加速度９．８１（ｍ／ｓ２）；对于５０００ｔ级船舶：９．８ＸｌＰ一１００ｘ９．Ｓｘ４９．８×ｌ４００００（蝌）尸：—５０００ｘ—９．８ｘ４：２００００（蝌）（２】铁路规范（ＴＢｌ０００２．１．９９）［４５１第４章东海大桥桥墩防撞力计算Ｐ＝，×Ｖｘｓｉｎ（ＺＸ√％＋ｃ２）（４．２）式中：—ｒ＿一动能折减系数（ＩＩｌ／ｓ忱），当正向撞击时取Ｏ．３，斜向撞击时取０．２；ｖ—一船只撞击速度（ｍ／ｓ），采用航运部门提供的数据；任一船只驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况确定，如有困难可采用２０。；Ｃ１、ｃ广船只的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数，缺乏资料时可定ｃｌ＋Ｃ２－－－－０．０００５ｍ／ｋＮ。Ｗ—一船只重（ｋＮ）；对于１００００ｔ级船舶：Ｐ：０．３×４．／．１０黑．ｓ．：１６８００（蝌）Ｙ０．０００５对于５０００ｔ级船舶：Ｐ：ｏ．３×４Ｙ０．０００５８．黑５１，）斟（：１１８７９（３）沃辛碰撞理论【１１关于撞击力，沃辛教授根据大量的实验，得到有关平均撞击力、最大撞击力的计算公式：只：竺在碰撞发生后的０．１～Ｏ．２ｓ之间，其值约为Ｐｍ的二倍，即＇（４．３）平均撞击力在碰撞试验中基本保持一常数，同时，最大碰撞力Ｐｍａｘ发生只＊÷Ｐ蜥根据研究，散装货船对刚性桥墩的最大有效撞击力的试验公式为：（４．４）‰＝Ｏ．８８ｘ√Ｄ阡Ｔ士５０％式中：Ｐｎ卜—．平均撞击力（ＭＮ）；（４．５）Ｐｍａｘ—一最大有效撞击力（Ｍ№；ＤｗＴ＿船舶载重量（ｔ）；伍一碰撞系统破损长度（ｎ１）。对于１００００ｔ级船舶：６１第４章东海大桥桥墩防撞力计算只＝０．５×ｏ．８８ｘ４１００００＝４４０００（１武）对于５０００ｔ级船舶：只＝０．５ｘＯ．８８×４５０００＝３１１１２（１（Ｎ）（４）１９９１年用于丹麦大带桥工程得经验公式（ＩＡＢＳＥ推荐的计算公式）：当Ｅ≥ｒ６时：Ｉｊ‰＝只陋×ｒ＋（５．ｏ－Ｌ）×ｚ２６】２当Ｅ＜口。６时：ｔ（４．６）只。＝ｅｏ【５．０ｘＥｘＬ］２（４．７）式中：‰——最大船艏碰撞力（ＭＮ）；Ｐｏ一参考碰撞荷载（２１０ＭＮ）；Ｉ一（Ｌｐｐ／２７５）（ｍ）；Ｅ＝（点乙／１４２５）（ＭＮ．ｍ）；（４．８）式中：Ｉ椰广＿一船长（ｍ）；Ｅ０——船的动能（ＭＮ．ｍ）。对于１００００ｔ级船舶：ｌ‰＝ｔ＂ｏ［５。０ｘＥｘＬ】２＝１０３１４０ｋＮ对５０００ｔ级船舶：Ｉｆｏ＝ｅｏ【５．０ｘＥｘＬ】２＝７０５００ｋＮ（５）北欧公共道路管理局对在公共道路系统中的桥梁和渡轮的碰撞力【１６１：１Ｐ＝Ｏ．５（ｏｒｒｒ）２（４．９）式中：卜＿静态等效碰撞力（ＭＮ）。对于ｌＯＯＯＯｔ级船舶：ｌＰ＝ｏ．５ｘ（１００００）２＝５００００ｋＮ对于５０００ｔ级船舶：ＩＰ＝０．５×（５０００）２＝３５３５５ｋＮ（６）用于美国佛罗里达州日照桥船舶撞击力的计算公式如下：第４章东海大桥桥墩防撞力计算Ｐ蜥＝Ｏ．８８（ＤＷＴ）２（Ｖ／８）３×（％／Ｄ。）３（４．１０）式中：Ｐｍａ）【一船舶最大有效碰撞力；Ｖ—一船舶的碰撞速度（ｍ／ｓ）；Ｄｍａｘ一船舶满载时的排水量（ｋｇ）。对于１００００ｔ级船舶：‰＝０．８８（Ｄ㈣２（ｒ＇／８）３Ｘ（％／Ｄ。）３＝５５４３６（斟）对于５０００ｔ级船舶：三三三三三三Ｄａｃｔ＿一船舶碰撞时的排水量（ｋｇ）；Ｐｍ＝Ｏ．８８（Ｄｍｒ）２（Ｖ／８）３×（ｐ。／Ｄｌ。）３＝３９２１０（蝌）（７）采用“美国公路桥梁设计规范”，（ＡＡＳＨＴ０１９９４）【钥有关船舶撞击力的公式按“美国路桥规范”Ｏ蛆ＳＩＩＴＯ１９９４）ｄＰ式（３．１４．８－１）计算：Ｐｓ＝１．２Ｘ１０：＇ｖ×ＳＱＲＴ（ＤＷＴ）（４．１１）式中：Ｐ争一船舶撞击力；（Ｎ）Ｄ、聊ｒ＿一船只载重吨位；（Ｏｖ—一船只撞击速度。（ｍ／ｓ），主、辅通航孔取Ｖ＝４．０ｍ／￥，非通航孔取Ｖ＝２．０ｍ／￥。对于１００００ｔ级船舶：Ｐｓ＝１．２Ｘ１０５ＶＸＳＱＲＴ（ＤＷＴ）＝１．２Ｘ１０５Ｘ４Ｘ１０４ｉ－６６ｂ－６＝４８０００（斟）对于５０００ｔ级船舶：Ｐｓ＝１．２Ｘ１０５、ｒ＂ＸＳＱＲＴ（ＤＷＴ）＝１．２×１０ＳＸ４Ｘ√丽＝３３９４１（蝌）（８）修正的Ｗｏｉｓｏｎ公式三三Ｐ雌＝Ｏ．８８×（ＤＷＴ）２（Ｖ／８）３（４．１２）式中：Ｖ．一航速（ｍ／ｓ）；Ｐｍ娃一最大碰撞力。对于１００００ｔ级船舶：Ｐｍ＝０．８８ｘｆＯＷＴ）２（ｒ／８）３＝５５４３６（蝌）！三第４章东海大桥桥墩防撞力计算对于５０００ｔ级船舶：ｌ２‰＝Ｏ．８８×（ＤＷＴ）２（ｖ／８）３＝３９２００（蝌）（９）美国《公路桥梁船舶撞击指导性规范》（ＡＡＳＨＴＯ）美国的《公路桥梁船舶撞击指导性规范》是为减小通航水流处船舶的损坏，由知名的有关专家一同编写的指导性规程，供桥梁设计工作者在设计中参照执行，在该规范中，对船舶对桥梁的撞击力作了如下的规定：货船、大型轮船等船舶等效静态冲击力按下式计算（即修正Ｗｏｗｉｎ公式）：土式中：Ｐ卜静态等效冲击力（１斟）；ＤｗＴ－一船舶排水量（１蚪）。对于１００００ｔ级船舶：ｌＰｓ＝０．９８ｘ（ＤＷＴ）２（ｖ／８）（４．１３）Ｖ—～船舶碰撞时的速度（ｎｌ／ｓ）；Ｐｓ＝Ｏ．９８Ｘ（Ｄ∥ｒ）２（ｖ／８）＝４９０００（１ｄｑ）对于５０００ｔ级船舶：ｌＰｓ＝０．９８×（ＤＷＴ）２（ｖ／鳓＝３４６４８（ｋＮ）（１０）挪威公共道路局规定其公共道路系统桥梁和浮桥的碰撞荷载如下【１６１：ｌＰ＝３．５（ＤＷＴ）３（４．１４）式中：Ｐ一静态等效碰撞力（ＭＮ）；ＤＷＴ－船舶载重量（ｔ）。对于１００００ｔ级船舶：Ｐ＝３．５（Ｄ胛）３＝７５４０５（ｋＮ）对于５０００ｔ级船舶：ｌ！Ｐ＝３．５（ＤｒＶＴ）３＝５９８４９（ｋＮ）各公式计算结果汇总如表４．８。从以上计算分析可知：规范经验公式计算出的船撞力差异很大，由于各种规范大多是根据部分研究成果形成的经验公式计算船舶碰撞，而实际航行的船舶类型、主尺度离散性很大，桥墩形式与有很大差别，运用经验公式进行计算第４章东海大桥桥墩防撞力计算所得的结果与实际有较大差距．表４．８船舶撞击力计算汇出（单位：ｋＮ）序号ｌ２３４５６７计算方法名称公路桥涵设计通用规范铁路桥梁设计规范沃辛碰撞理论丹麦大带桥（１９９１年）北欧道路管理局美国佛罗里达日照桥美国公路桥梁设计规范修正的Ｗｏｉｓｏｎ公式美国指导性规范挪威公共道路局ｌｏｏｏｏｔ级４００００１６８００４４０００１０３１４０５００００５５４３６４８０００５５４３６４９０００７５４０５５０００ｔ级２００００１１８７９３ｌｌｌ２７０５００３５３５５３９２００３３９４１３９２００３４６４８５９８４９８９ｌＯ４．４小结跨海大桥撞击力计算之前应该充分调研通航船型，按照美国《公路桥梁撞击设计指导规范和评述》中得方法，确定防撞设计船型。船舶撞击力计算的重要参数之一为碰撞速度，影响该参数的因素很多，本章主要从水流条件、船舶操纵性能、桥区控制航速等方面分别进行论述。然后根据《美国公路桥梁设计规范》（ＡＡＳＨＴＯ１９９４）的规定，来确定跨海大桥通航孔处设计撞击速度，该规定内容为：航道边缘处取限制通航速度，距航道边缘３倍船长处取年平均水流速度，二者之间按直线过渡。跨海大桥船舶撞击力的计算方法主要采用已有的规范、经验公式分别进行计算。另外参考杭州湾跨海大桥防撞模拟试验的研究结论对撞击力的数值进行对比分析后，确定跨海大桥通航孔处撞击力的取用值。东海大桥作为跨海大桥的工程实例其船舶撞击力的计算方法经比较后采用如下方法：墩首正撞（垂直桥梁方向）按“美国桥梁规范”（ＡＡＳＨＴＯ１９９４）中式（３．１４．８——１）计算，也就是３．３节中的（式４．１１）；第４章东海大桥桥墩防撞力计算墩侧斜撞（顺桥梁方向）按“美国桥梁规范”（从ｓＨＴＯ为５０％的墩首正撞力。１９９４）第３．１４．１４条，“垂直于航道中心线方向，施加设计撞击力的５０％”，故取侧撞力（法向力）据此理论根据不同通航等级，设计船撞力计算结果汇总见表４．９。表４．９设计船撞力计算结果汇总位置设计船型碰撞模式墩首正撞ｌＯｏｏＯＤＷＴ碰撞速度（ｍ／ｓ）４．０４．０２．０４．Ｏ４．Ｏ２．０４．Ｏ４．０２．Ｏ４．Ｏ４．０２．０２．０２．Ｏ船撞力（ｋＮ）４８０００备注设计航速墩侧斜撞墩首横撞２４０１０２４０００３４（）ｏｏ主通航孔墩首正撞５０００ＤＷＴ漂流速度设计航速墩侧斜撞墩首横撞墩首正撞１７０００２２８３０１５２００漂流速度设计航速１０００ＤＷＴ墩侧斜撞墩首横撞７６００４８３０１０７００辅通航孔墩首正撞５００ＤＷＴ漂流速度设计航速墩侧斜撞墩首横撞墩首正撞５４００２３８０２４００１２００漂流速度漂流速度非通航孔１００ＤＷＴ墩身横撞第５章东海大桥桥墩防撞方案第５章东海大桥桥墩的防撞方案５．１防撞设计的原则及要求设置防撞保护系统的目的是防止桥梁因船舶撞击超过桥墩的承受能力而遭受破坏。采用不同型式的防护系统可以阻止船舶撞击力传到桥墩，或者通过缓冲消能延长碰撞时间，减小船舶撞击力，保护桥梁安全。防护系统的设计应根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置和结构型式、通航船舶的类型和碰撞速度、桥区水文地质情况等因素进行，设计时应遵循以下原则：（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）防护设施的构造形式和几何形状须使船只损伤最小，以避免造成航道堵塞或环境污染。（３）应保证桥梁下部结构在船撞时不发生严重损伤，如应防止船艏凸出部分直接撞击塔柱或墩身。（４）防护设施不能影响航道的通航，占用航道范围尽量少。（５）根据桥墩承台的水平承载能力，可以考虑其承受由防护系统传递来的一定量残余撞击力，以使设计更经济合理。（６）在一定条件下，允许防护系统受破坏，但应考虑破坏后便于迅速修复。本工程防撞结构设计应满足以下三个条件：（１）结构可靠性…防撞结构应能够吸收或消减船舶碰撞能量，使船舶不能直接撞击桥墩，或使船舶撞击力控制在安全范围内，保证桥墩的安全．（２）环境适应性一海上构筑物生存条件较恶劣，波浪、潮差、潮流流速均较大；海水中抗腐蚀性能要求高，特别是对使用年限以百计的大桥，防护系统遭轻微破坏在所难免，增加了抗腐蚀的难度。（３）施工可行性…海上施工比较困难，防护设施应采用便于安装施工和便于快速修复的结构型式。第５章东海大桥桥墩防撞方案５．２常见防护系统及分析各种防护系统在本工程的适用情况见表５．１：表５．１常见防护系统在本工程中的适用情况序号名称适用情况不适用原因１）海底表层为淤泥和淤泥质粘土，地基垂直承载力较１人工岛钢板桩或钢筋混凝土差，不能承受人工岛巨大的自重２１桥梁跨径不支持采用体积巨大的防护系统１）施工期受波浪和流速的制约，即使采用格形板桩，流不适用速也不宜超过０．８ｍ／ｓ。波高不宜大于Ｏ．５ｍ。２）淤泥质粘土饱和、流塑、水平承载力极差，板桩围堰内回填后将产生极大的弯矩。２薄壳筑沙围堰薄板桩大直径薄壳圆筒适用１）防撞原理同板桩筑沙围堰２）能适用于软基，采用深埋式可免除基床，减少开挖方量和回填量，加快施工进度３）钢筋混凝土结构有利于海水中防腐３漂浮网状结构钢飘或浮箱不适用不太适用Ｉ）需要较大的活动范围，适用于跨径较大的地方２１对无球状凸出船艏的船舶不起作用１）在周期性波浪作用下，会频繁冲击承台产生破坏２）防撞能力有限，承台仍要承受较大的残余撞击力１）附着于承台上，不受自然条件和施工条件限制４５船型防撞承台（或钢套箱方案）部分适用２）能部分吸收撞击动能，适用于撞击能量较小和承台水平抗力较大的情况１）地基土的水平抗力较差，桩的抗弯能力有限６防撞桩（或桩群）不适用２）桩受撞击后变形位移较大，桩侧土体产生破坏，故桩的变形不可逆转，应拆除重建３）仅适用于撞击能量较小的情况１）性能可靠，可根据计算选用护舷品种、规格７缓冲材料（橡胶护舷）部分适用２）安装，维护均较方便３）承台仍要承受一定的护舷反力，适用于撞击能量较小和承台水平抗力较大的情况１）设施规模较大，需要开阔的水域８重力式不适用２）海上波浪较大，支撑结构极易疲劳损坏，且不易维修３）防撞能力有限船形防撞承台（或钢套箱方案）除了通过自身的变形、破坏吸收部分撞击能量外，还有一个突出的优点，是当碰撞船舶的船体轴线与船形防撞承台的轴第５章东海大桥桥墩防撞方案线不共线时，在两者碰撞接触的瞬间，承台的尖端可改变撞击船舶的运动方向，使船的动能较多地保留在碰撞后的船上，从而减轻桥墩受到的威胁。但是由于船形防撞承台是支承在桥墩承台上的，其支承结构既要承受其巨大的自重，又要能适应一定的活动范围，这是它的薄弱环节。橡胶护舷作为缓冲设施具有性能可靠，安装、维护方便的特点，在港口工程中积累了丰富的应用经验。桥墩保护措施的动力分析与港口的防护措施相类似，当然在某些方面还是存在明显差别的，如：撞击位置和撞击情况是不可知的，撞击是意外的（概率较低）并常会引起致命损伤。撞击事故的损伤程度与撞击能量、撞击方式和防护缓冲设施有关。撞击能量较小时，橡胶护舷系统能吸收大部分能量达到保护桥墩和船舶的目的。撞击能量较大时，橡胶护舷可以减少撞击损失的程度。当采用其他有效的（同时往往也是费用更大的）防护系统时，结合使用合适的橡胶护舷也能增加防护系统的防护能力，同时对于防护系统本身也起到一定的保护作用。大直径薄壳圆筒结构是一种较先进的港口工程结构型式，由于其结构简单、受力条件好、材料省、施工速度快和工程造价低等特点，已成功应用于许多码头、防波堤以及护岸等水工建筑物。我国于８０年代初开始引入，二十年来已积累了一定的设计和施工经验。天津大学和中交第三航务工程勘察设计院有限公司等单位联合进行了结构理论与计算方法的大量研究工作，并已编制和开发了结构计算的程序和软件。大直径薄壳圆筒结构的基本组成单元为无底的薄壳圆柱壳，其最大特点是对地基的适应性好，可象沉箱一样直接建造于基床上或硬基上，也可以象沉井一样沉入地基土体中（深埋式）。这种圆筒结构在受到水平荷载的作用下，土体将其产生一种嵌固作用，以增强其稳定性。大直径薄壳圆筒结构的特点，就其几何形态看，径高比Ｄ／Ｈｃ（Ｄ为圆筒简体外径，ｌ－ｌｃ为圆筒简体高度）较大，通常在Ｏ．４５以上。厚径比ｔ／Ｄ（ｔ为圆筒壳壁的厚度）一般小于０．０３，是一空间体系的薄壳结构。从力学特征看，为一桩壳结构的受力特点，即在壳体中以中面力为主而弯曲应力（环向的或纵向的）较小。由此可以充分发挥混凝土材料承压强度大的特点，可节省钢筋用量。此外，从薄壳圆筒结构的工作机理看，大直径圆筒结构刚度大，具有重力式结构的特征。其中筒体内的填料不只是作为一种垂直重量用于维持其稳定性，它还将协同简体结构共同承担结构的外载作用，并将所受外载直接传递给地基土体，因此筒体内的回填材料自身的物理第５章东海大桥桥墩防撞方案力学性质将直接影响到圆筒结构的受力状态和稳定性，这又是大直径薄壳圆筒结构不同于一般重力式结构（方块和沉箱结构）的特点之一。对于淤泥质海床采用插入式大直径薄壳圆筒结构可以不设基床，减少开挖方量。为此可减少施工环节，加快施工进度，大大地节省造价。大直径薄壳圆筒结构用于大桥防撞系统还没有先例，但其良好的受力条件和地基适应性表明用于防撞设施是可行的。５．３防护系统设计５．３．１本工程设计特点作为跨海大桥，由于要承受较大的风、浪、水流荷载以及汽车制动力、地震惯性力等水平荷载，桥墩本身应具备较大的水平抗力。东海大桥按六车道设计，自重和地震惯性力都很大，桥墩承台按满足以上船舶撞击力设计，但是墩柱的抗撞击能力比较差，ｔ０００ｔ级通航孔和５００ｔ级通航孔采用预应力混凝土连续梁桥结构，对撞击振动比较敏感，因此应采取合适的保护措施确保大桥安全，并尽量减少碰撞船只本身的损伤。（１）大桥按六车道设计，自重和地震惯性力都很大，桥墩承台的水平抗力较大，但墩柱比较薄弱，不能直接承受船舶撞击；辅通航孔由于采用预应力混凝土连续梁桥结构型式，对撞击振动位移比较敏感。（２）海底表层为淤泥，承载能力较差，地基土持力层埋藏较深，不适宜采用重力式或围堰等水平抗力大的结构型式。（３）海上构筑物生存条件较恶劣，波浪、潮差、潮流流速均较大。漂浮式结构需要较大的活动范围，因此本工程桥墩不宜采用附着式浮箱防护结构。（４）海水中抗腐蚀性能要求高，特别是对使用年限以百计的大桥。防护系统遭轻微破坏在所难免，增加了抗腐蚀的难度。（５）海上救护困难，通航船型中客轮较多，一旦失事，人员伤亡损失巨大，故应采取措施尽量避免船只损毁。（６）海上施工比较困难，防护设施应采用便于安装施工和便于快速修复的结构型式。第５章东海大桥桥墩防撞方案５．３．２船舶撞击能量计算（１）计算公式船舶撞击能量按“英国标准ＢＳ６３４９”《海工建筑物》第四分册第４．７．２条计算。该公式体系与汉斯一德鲁彻理论的能量计算公式具有相同的结构形式，但因各项经验参数比较齐全而在海港工程设计中得到较多应用。船舶的有效动能：Ｅ：妥ＣＭＭｙ？其中应由防护系统吸收的能量：（５．１）Ｅｆ＝妥ＣＭＭ∥？ＣＥＧＣｃ式中：Ｅｒ一应由防护系统吸收的撞击能量（ｋＮ／ｍ），（５．２）ｃｒ流体动力系数：ｏ：ｌ＋孕；Ｄ一船舶吃水（ｍ）５Ｉ，一船长（ｍ）。ＭⅡ一船舶排水量（ｔ），按日本《港口建筑构计标准设》中的公式计算：货船：ＩｏｇＭｖ＝０．１７７＋Ｏ．９９１１０９ＤＷＴ油船：ｌｏｇＭｌ）－－－－－０．２６３＋０．９６３１０９ＤＷＴＶｓ－－－－垂直于撞击接触面的法向速度（ｍ／ｓ）；Ｃｒ形状系数，对于透空式高桩承台结构，取Ｃｃ＝１．０。（２）碰撞模式曲正撞ｃＥ一偏心系数；Ｃ譬一柔性系数，取Ｃｓ＝Ｏ．９；＜二三爿ｌ图５．１正撞计算图式示意图Ｖｅ２Ｖ０Ｃｅ＝１．０第５章东海大桥桥墩防撞方案Ｃｓ＝Ｏ．９Ｃｃ＝１．０Ｅｆ＝ｏ．４５ＸＣＭＸＭＤｖ０２侧撞（斜撞）图５．２斜撞计算图式示意图设船舶的初始速度ｖｏ与承台表面的夹角为０，撞击点距船首Ｉ．Ｊ８（Ｌ为船长）Ｖａ＝ＶｏＳｉｎＣｓ＝０．９：Ｃｃ＝Ｉ．０：０；Ｑ２而Ｉ；‘５３’式中：Ｋ——船舶回转半径，取Ｋ＝Ｌ／４；印前剐３１；（３）计算结果汇总正撞时０－－－－－０。：计算结果见表５．２。Ｒ一童击点至船舶质心的距离；Ｒ＝考一专＝詈三；Ｅｌ＝０．３１（ｏ．４５ＣＭＸＭＤｘＶＢ２）＝ｏ．１３９５ＣＭＸＭＤＸ（ＶｏＸＳｉｎ０）２斜撞分别取０＝３０。时Ｖｏ＝４．Ｏｒｅ／ｓ；和０－－－－６０。时Ｖｏ＝２．５ｍ／ｓ两种情况进行计算。第５章东海大桥桥墩防撞方案表５．２计算结果汇总表有效撞击动能Ｅｄ斟．ｍ）船舶等级满载排水量ＭＤ（０水动力系数ＣＭ碰撞速度Ｖｏ（ｍ／ｓ）正撞０＝０。４．Ｏ１１０６ｌＯ０＝３０８５７０斜撞肛６０ｌＯ０００ＤＷＴ１３８４０１．１１２．５４．０５５１２０４２７０５０１０１１４５０８９０１０４０５８１０４５０５３０１００５０５０００ＤＷＴ６９６０１．１０２．５４．０１０００ＤＷＴ１４２０１．１２２．５４．Ｏ５００ＤⅥ吓７２０１．１２２．５５．３．３防撞结构形式防护系统的选择应根据各部位设计船撞力、撞击动能和承台的水平抗力、对撞击振动位移的敏感性来决定。经计算，桥墩承台正面（通航方向）的撞击能量要显著大于承台侧面的撞击能量，这种撞击模式具有破坏严重但概率低的特点，因此其防撞结构应通过自身的破坏吸收船舶撞击能量或使船舶改变方向，达到减小桥墩承台所受撞击力的目的；同时，在不发生撞击事故的情况下，应有良好的生存能力和足够长的使用年限。船舶斜向撞击承台侧面时，其法向速度较小，且船舶将发生迫转，故承台受到的撞击能量相对较小，但是其发生概率较高，因此防撞结构应尽可能减小破坏，降低维修费用。根据以上分析，在桥墩承台正面根据不同通航孔处的撞击能量和桥墩承台结构形式可采用分离式防撞墩或附着式防撞结构两种方案。桥墩承台侧面采用橡胶护舷来吸收撞击动能，降低承台受到的撞击力，同时有效隔离船舶，避免船舶撞击桥墩或承台桩基，对船舶本身也能起到一定的保护作用。橡胶护舷有固定式护舷和活动式护舷两种。固定式护舷主要采用吸能量大的鼓型护舷，其特点是安装牢固，抗水流、波浪的能力强，有较长的使用寿命。护舷外侧安装带贴面板的钢质防冲板，能降低船舶撞击点的面压和摩擦力，改善船舶的通过第５章东海大桥桥墩防撞方案性能。活动式护舷可采用国内开发生产的超大型桥墩浮护舷，其特点是安装方便、对潮差的适应性较好，但在波浪的作用下，有可能与桥墩承台发生频繁摩擦而发生本体损伤，为此，有必要进行定期检查（修理）。因此设计推荐采用固定式护舷。（１）５０００吨级通航孔桥墩防撞结构５０００吨级通航孔为跨径４００ｍ的双塔单索面斜拉桥，通航５０００ＤＷＴ船舶时作为单孔双向航道，通航１００００ＤＷＴ船舶时作为单孔单向航道。塔柱基础采用高桩承台结构，基桩为巾１５００ｍｍ钢管桩。主墩承台能承受１００００吨级船舶的撞击力（不保护时，碰撞速度为４．０ｎＹｓ），上部桥梁为漂浮式结构，对桥墩承台的振动位移适应性较好，因此保护的目的主要是避免船舶直接撞击墩柱和尽量减少船只损伤。主墩承台设计了两种防撞结构方案。５０００吨级通航孔主墩承台防撞方案一图５．３混凝土船型防撞承台与橡胶护舷混合型方案方案一：混凝土船型防撞承台与橡胶护舷混合型方案。采用预制混凝土套箱作船型防撞承台，并靠在主墩承台上，避免船舶直接撞击承台。套箱内填砂并现浇混凝土封顶，对船舶撞击可起到一定的缓冲作用。套箱下面为钢管桩支承，套箱外面用拱型橡胶护舷加钢质防冲板围护。主墩承台侧面采用Ｈ２５００ｍｍ鼓型橡胶护舷加钢质防冲板围护，能有效地吸收５０００ＤＷＴ以下船舶的撞击能量及１００００ＤＷＴ船舶的大部分撞击能量，其护舷反力要小于不设保护时船舶直接撞击承台时的撞击力。第５章东海大桥桥墩防撞方案ｅ卜铯５０００吨级通航孔主墩承台防撞方案二图５．４大直薄壳圆筒与橡胶护舷混合型方案方案二：大直径薄壳圆筒与橡胶护舷混合型方案。采用预制大直径薄壳圆筒结构作为分离式防撞墩，使桥墩承台正面不承受船舶撞击力。由于承台的宽度较大，采用三只大圆筒呈三角形布置。圆筒直径为１５ｍ，高度为３０ｍ，分两节预制，利用大型起重船在现场拼接沉放，筒内换填海砂并振冲密实，然后现浇混凝土盖板。大圆筒周围采取抛石护底措施。主墩承台侧面采４３００超大型桥墩浮护舷作为防撞设施，能有效地吸收５０００ＤＷＴ以下船舶的撞击能量及１００００ＤＷＴ船舶的大部分撞击能量，其护舷反力要小于不设保护时船舶直接撞击承台时的撞击力。方案一结构简单、施工方便，对桥墩承台的围护作用比较好。船舶的撞击能量主要通过本身的变形、破坏吸收。另外船舶撞击套箱也会发生遇转、滑移，套箱的破坏也能吸收一部分撞击能量。混凝土套箱耐海水腐蚀，平时不用维修。由于套箱是套放在桩顶上的，一旦遭受破坏，可以将其吊走，因此拆除、修复方便。方案一的缺点是主墩承台仍然要承受较大的撞击力，同时对船舶的安全也不利。方案二利用预制大直径薄壁圆筒内填海砂作为薄壳筑砂围堰隔离船舶与承台。船舶撞击圆筒时，圆筒薄壁发生破坏，船舶冲入圆筒，与简内填砂产生摩擦消耗撞击动能，能降低船舶的破坏程度，保证承台的安全．大直径薄壁圆筒结构的基本组成单元为无底的薄壁圆柱壳，其最大特点是对地基的适应性好，可象沉箱一样直接建造于基床上或硬基上，也可以象沉井一样沉入地基土体中（深第５章东海大桥桥墩防撞方案埋式）。对于淤泥质海床采用插入式大直径薄壁圆筒结构可以不设基床，减少开挖方量，为此可减少施工环节，加快施工进度。此外，大直径混凝土薄壁圆筒结构在海水中具有良好的耐久性。本方案的缺点是增加了另一种施工工艺，并对施工的要求比较高，另外，由于承台宽度比较大，不得不采用三只大圆筒，其抗撞击能力只能按单只圆筒考虑。同时由于大圆筒的阻水作用，海底的局部冲刷可能较大，需相应采取护底措施。与此相比，方案一的施工经验比较成熟，其造价低于大圆筒结构方案。两个方案的比较见表５．３表５．３主通航孔主墩承台防撞方案比较项目方案一１．能使撞击船舶发生偏转，减少有效撞击动能，套箱破结构可靠性坏也能吸收部分撞击动能；２．能有效隔离船舶与桥墩；方案二１．能较好地消耗船舶撞击能量保护桥墩，降低船舶损伤程度；２．可采用外加缓冲材料或局部调整圆筒壁厚等措施避免小能量撞击时的破坏。１．对波浪、水流的影响适应性较好；２．预制混凝土圆筒在海水中耐久性较好；３．透空性差，对水流有影响，需采取护底措施防止局部冲刷。１．采用插入式大圆筒结构，对软土地基３．承台仍然要承受较大的撞击水平力。１．对波浪、水流的影响适应环境适应性性较好；２．钢管桩应采取防腐保护措施．１．对拟建工程处的地质条件适应性较好；施工可行性２．施工工艺与非通航孔基础相同，施工技术较成熟；适应性较好：２．需要较大的预制、吊运设备，施工工艺要求高；３．插入式大圆筒沉放质量控制难度较高；４．修复较困难。比较方案３．容易修复。结论推荐方案经分析比较，推荐采用方案一。（２）１０００吨级通航孔防撞结构１０００吨级通航孔为跨径１４０ｍ的预应力混凝土连续梁桥，设双孔单向航道，通航１０００ＤＷＴ船舶。主墩基础均为高桩承台结构，基桩为ｍ１５００ｒａｍ钢管桩（推荐方案）。第５章东海大桥桥墩防撞方案主墩承台设计了两种防撞结构方案。方案一：橡胶护舷方案。采用Ｈ２２５０鼓型护舷带空腹式钢质船型防冲板，能有效地吸收船舶的撞击能量，护舷的反力要远小于不保护时的撞击力。主墩承台两侧采用Ｈ１２５０鼓型橡胶护舷加钢质防冲板围护，能有效地吸收船舶的撞击能量，降低船舶撞击力。方案二：防撞桩基承台与橡胶护舷混合型方案。采用桩基承台作为分离式防撞墩，能大幅度减少或避免船舶撞击承台的风险。主墩承台两侧采用ｆｆ２４００ｍｍ超大型桥墩浮护舷作为防撞设施，能有效地吸收船舶的撞击能量，降低船舶撞击力。１０００吨级通航孔主墩承台防撞方案一图５．５橡胶护舷方案方案一中，船舶的撞击能量主要由橡胶护舷吸收，船舶的损伤较小。船型防冲板能使撞击船只发生偏转，降低有效撞击能量（即应由防撞结构吸收的能量）。船型防冲板用螺栓与鼓型护舷连接，并用弹簧链条悬挂在承台上，以减少鼓型护舷的剪切力。本方案施工和维修都比较方便，但橡胶护舷受使用寿命的限制，应定期检查（更换）．霸一建■★■并■牟ｐ■Ｌ——ｊ缎一ｌ∞Ｏ吨缀ｊ航孔主曩承台蕲撞方案二第５章东海大桥桥墩防撞方案图５．６防撞桩基承台与橡胶护舷混合型方案方案二利用三座桩基防撞承台隔离船舶与主墩承台，防撞墩桩基采用３根由１５００ｒａｍ钢管桩，墩台为现浇钢筋混凝土结构，三座防撞墩呈三角形布置，相互之间用由１２００ｍｍ钢管连接。船舶撞击时将发生偏转，从而减小承台直接承受的撞击动能。这种结构形式具有白重轻、透空性好等特点，对水流和海底地基土影响较小，同时其旖工工艺与大桥非通航孔承台的施工工艺相同，便于施工和维修。采用钢筋混凝土防撞墩，在海上的生存能力较强，平时不用养护，但其缺点是一旦发生碰撞事故，船只的损伤比较大。而两个方案的比较见表５．４。表５．４辅通航孔主墩承台防撞方案比较项目方案一１名Ｅ较好地消耗船舶撞击能量保护结构可靠性桥墩，降低船舶损伤程度；撞击动能；２．撞击船舶会有较大损伤。方案二１．能使撞击船舶发生偏转，减少有效１尉波浪、水流的影响适应性较好；环境适应性２．钢质防冲板应采取防腐保护措施。１．对波浪、水流的影响适应性较好；２．钢管桩应采取防腐保护措施。１．对拟建工程处的地质条件适应性较１．安装在承台上，不需另做基础；旃工可行性２．安装方便；３．容易修复。推荐方案好：２．施工工艺与非通航孔基础相同，旌工技术较成熟；３．修复较困难。比较方案结论经分析比较，推荐采用方案一。（３）３００吨级、５００吨级通航孔防撞结构３００吨级、５００吨级通航孔均为跨径１４０ｍ的预应力混凝土连续梁桥，设双孔单向航道，通航３００ＤＷＴ、５００ＤｗＴ船舶。主墩基础均为高桩承台结构，基桩为由１５００ｍｍ钢管桩。主墩承台设计了两种防撞结构方案。方案一：橡胶护舷方案。采用Ｈ１７００鼓型橡胶护舷带空腹式钢质船型防冲板，能有效地吸收船舶的撞击能量，护舷的反力要远小于不保护时的撞击力。主墩承台两侧采用Ｈ１０００鼓形橡胶护舷加钢质防冲板围护，能有效地吸收船舶的撞击能量，降低船舶撞第５章东海大桥桥墩防撞方案击力。方案二：防撞桩基承台与橡胶护舷混合型方案。采用桩基墩台作为分离式防撞墩，能大幅度减少或避免船舶撞击承台的风险。防撞墩桩基采用３根由１２００ｍｍ钢管桩，墩台为现浇钢筋混凝土结构，三座防撞墩呈三角形布置，相互之间用巾１０００ｍｍ钢管连接。主墩承台两侧采用巾２２００ｒａｍ超大型桥墩浮护舷作为防撞设施，能有效地吸收船舶的撞击能量，降低船舶撞击力。经分析比较，推荐采用方案一。（４）通航孔两侧边跨的防撞结构５０００吨级通航孔两侧的辅助墩和边墩承台的防撞结构分别参照１０００吨级通航孔和５００吨级通航孔主墩的防撞结构，采用橡胶护舷加钢质防冲板进行围护。１０００吨级通航孔两侧的边墩的防撞结构参照５００吨级通航孔主墩的防撞结构，采用橡胶护舷加钢质防冲板进行围护。（５）通航孔两侧非通航孔的防撞结构通航孔两侧一定范围内的过渡段的非通航孔桥墩承台能承受１００吨级船舶漂流情况（２．０ｍ／ｓ）下的撞击力，但为避免船舶直接撞击墩柱，采取加长承台并在两端设置混凝土挡墙的办法隔离撞击船舶。５．４防护范围《美国公路桥梁设计规范》（ＡＡＳＨＴＯ１９９４）３．１４．１条规定，跨越通航水道，位于设计水深不小于０．６ｍ的桥梁的所有构件，均应按船只撞击予以设计。美国佛罗里达州交通运输部（ＤＯＴｏｆＦｌｏｒｉｄａ）及桥梁检查公司组成的调查委员会指出，对于通航的长大桥梁，当它航道两侧的桥梁长度小于６００ｍ时，不需对每个桥墩防护，仅防护易遭撞击的桥墩；当它航道两侧的桥梁长度大于６００ｍ时，有必要对两侧各６００ｍ范围内的桥墩均加以保护。东海大桥长达３０多公里，桥墩５００多座，但绝大多数是非通航孔。故应根据不同范围采取不同的保护措施：５０００吨级通航孔的主墩按１００００吨级船舶设防，辅助墩按１０００吨级船舶设防，边墩按５００吨级船舶设防，边墩以外的５个非通航孔桥墩按１００吨级船舶设防（只考虑漂流撞击），故防撞范围为通航孔主墩两侧各６００ｍ。第５章东海大桥桥墩防撞方案１０００吨级通航孔的主墩按１０００吨级船舶设防，边墩按５００吨级设防，边墩以外的５个非通航孔桥墩按１００吨级船舶设防（只考虑漂流撞击），故防撞范围为通航孔两侧主墩以外各４００ｍ。５００吨级通航孔和３００吨级通航孔的主墩均按５００吨级设防，主墩以外的６个非通航孔桥墩按１００吨级船舶设防（只考虑漂流撞击），故防撞范围为通航孔两侧主墩以外各４００ｍ。禁止船只进入非通航孔，但所有位于水深０．６ｍ以上的非通航孔桥墩承台均按能够承受１００吨级船舶漂流撞击设计。５．４小结本章论述了跨海大桥防护系统的六个设计原则及必须满足的三个要求，目的是防止桥梁因船舶撞击超过桥墩的承受能力而遭受破坏。桥墩防撞保护系统可以阻止船舶撞击力传到桥墩，或者通过缓冲消能延长碰撞时间，减小船舶撞击力，保护桥梁安全。通过对东海大桥工程特点、不同等级的船舶对桥墩的撞击能量的计算以及常见的防护系统分析后，提出东海大桥５０００ｔ级通航孔拟采用预制混凝土套箱作船型防撞承台。套箱内填砂并现浇混凝土封顶，对船舶撞击可起到一定的缓冲作用。套箱下面为钢管桩支承，套箱外面用鼓型橡胶护舷加钢质防冲板围护。１０００ｔ级通航孔拟采用Ｈ２２５０鼓型护舷带空腹式钢质船型防冲板，３００ｔ、５００ｔ级通航孔拟采用Ｈ１７００鼓型护舷带空腹式钢质船型防冲板，该方案能有效地吸收船舶的撞击能量，护舷的反力要远小于不保护时的撞击力；该防撞系统有良好的经济效果。第６章结论与展望第６章结论与展望船撞桥问题在国外从２０世纪８０年代初开始得到认真的研究，经过近２０年的努力，欧洲和美国等国家己经制定了专门的设计规范或指南。在我国船撞桥问题一直未得到足够的重视，也没有专门的设计规范或指南可供工程师使用，在公路桥梁设计规范中的相应条款过于简单，设计船撞力过低。随着我国在大江、大河上修建桥梁数目的增多，以及船运事业的不断发展，特别是跨海峡桥梁的规划与建设，船撞桥问题的重要性逐渐地凸显出来，亟待我国桥梁设计工程师和研究人员深入研究并加以解决，制定我国船撞桥的专用设计规范或设计指南。船——桥相撞是一个十分复杂的碰撞动力学问题。这一问题尚未得到很好的理论和试验研究。但是研究工作己经起步，正待深入下去。在目前情况下，对于一般桥梁可参照欧、美专门规范的设计船撞力力；对于重要桥梁应立专项，应进行专门的详细研究和设计。防护系统的种类很多，但目前尚未建立这些防护结构设计的具体规则。为了建立起防护结构统一的分析和设计方法，尤其是这些结构在经历过碰撞所致的大塑性变形之后的分析和设计方法，确实还需要进行进一步的研究。本文对跨海大桥防撞设施进行了研究，主要研究结论如下：（１）跨海大桥撞击力计算理论公式采用美国‘公桥规》（ＡＡｓＨ，ＩＤ１９９４）中式（３．１４．８一１）计算，是合理的，与模拟结果相接近。（２）５０００ｔ级通航孔桥墩防撞结构采用的混凝土船型防撞承台与橡胶护舷混合型方案具有吸能量大、消波作用效果好，抗剪切能力强、海上生存能力强、施工和修复方便的优点，对其他类似跨海大桥的防撞设计有一定的借鉴意义。（３）１０００ｔ级、５００ｔ级及３００ｔ级通航孔桥墩采用橡胶护舷带空腹式钢质船型防冲板方案，该方案能有效地吸收船舶的撞击能量，护舷的反力要远小于不保护时的撞击力的特点，对其他类似跨海大桥的防撞设计也有一定的借鉴意义。必须指出，船舶碰撞只是新桥规划、设计（或旧桥加固设计）过程中考虑的诸多因素中的一个．设计时必须权衡政治、社会和经济等方面的种种需求，然后提出～个最佳的桥梁方案。大多数水路桥梁若采用船舶防撞设计都会较大８１第６章结论与展望地增加建设费用，因此在提高对船舶撞击机理的认识方面、对结构反应的认识方面及研究费用一效益比合理的防护系统方面，开展进一步的研究是很重要的。桥墩防撞需要进行综合考虑，结合航道、港口建设规划，优化桥墩位置、跨距，尽量减少船舶撞击危险，优化承台的尺寸、标高，避免船舶撞击桥墩、或桩基．尽量提高桥墩自身抗撞能力，如果桥墩防撞能力不够，对通航密度较低的或临时通航大型船舶，可以通过建立严格的管理措旌，采取引航、护航、临时保护等有效管理措施保证大桥安全；或根据情况，增加设计、安装合理的防撞设施，确保桥墩安全。由于对今后３０～５０年桥区航运情况尚难预料，建议以后建设的跨海大桥适当提高桥墩防撞标准，以适应不断发展的航运需要。通过对部分大桥的资料进行分析，可以发现在横跨航道的大桥的规划和设计中，航行安全观念和最大程度减小桥梁结构风险的愿望在日益增强。要实现此种目的的最佳办法当然是尽最大可能在选用大跨度和高桥，使最大船舶不致碰上航道上的桥墩和梁等构件。由于船舶运输的不断发展，更大、更快的船舶会给大桥所有者、大桥建造商及涉及海洋结构等各方面带来新的问题。万一做不到在航道中不设置以桥墩这种理想的境地，那就必定要对暴露的结构加以防护，以使船如碰撞致伤的危险，及油料和其它危险品外溢所致的危险减至最小。在船舶运输中通常都安排有专门的航行指引。改进航行指引可以使船舶得以规避不断增大的风险，旨在改善航行安全性的船舶航行规则及某些情况下的强制性导航便是普遍采用的方法。评估可能的碰撞所致后果的设计方法已愈来愈发展了。评估碰撞危险的模型已在许多并不特殊的情景中加以使用了。采用计算机模拟的一类方法去评估新环境中的航行条件亦已是可能的。随着东海大桥工程的竣工并投入使用，东海大桥辉煌的一页即将翻过。目前宁波杭州湾跨海大桥工程和上海长江隧桥工程的建设正在如火如茶的开展；不久的将来，大连、青岛、海南等地的跨海大桥工程也将全面启动。我希望。本研究项目的成果将为后续工程建设的深入研究起到积极的借鉴、启发作用。致谢致谢在工程硕士学习期间以及本篇论文的完成过程中，得到了许多老师、同学及同事的指导帮助，使我受益匪浅．我所获得的每一份成果，每一点进步中，都凝聚着他们的热情和智慧，对此表示衷心的感谢．感谢我的导师李国平教授在论文完成中的指导和帮助．感谢给２００２级工程硕士（建筑与土木工程专业）授课的老师们．感谢我的单位指导老师程泽坤总工程师一直以来所给予我的关心和指导；感谢我院莫景逸副总工程师，顾详奎主任工程师对我的悉心帮助，并在我完成论文期间提供了大量资料；感谢我的家人对我完成学业的支持．张峰２００７年３月参考文献参考文献【１】杨渡军．桥梁的防撞保护系统及其设计（１９９０），人民交通出版社；【２］曾克俭．桥墩防撞设施研究及其应用综述，中南公路工程，１９９６，２ｌ（４）；【３】曾克俭．桥墩防撞设施研究及其应用综述（续完），中南公路工程，１９９７，２２（１）：【４】谭之抗．广东几座特大公路桥主桥墩防撞设计介绍，９２全国桥梁结构学术大会；【５】刘德邦．“弯曲河段大型桥墩（台）防撞成因分析及对策，重庆交通学院学报，１９９７，１６（４）：【６】６蔡爱杰，刘洪波．虎门大桥辅航道防撞岛沉井施工技术，桥梁建设１９９８’４；３０（４）；【７】肖荣清等．“液体稳压柔性消能”桥墩防撞设施试验研究，武汉水利电力大学学报，１９９７，【８】陈国虞．长江中游桥墩防撞——防撞要求的分析，航海科技动态，１９９５，３；［９】９陈国虞．长江中游桥墩防撞——防撞设施的种类及其特点，航海科技动态，１９９５，４；［１０】陈国虞．长江中游桥墩防撞——钡绳柔性吸能防撞器试验研究，航海科技动态，１９９５，５；［１ｌ】陈国虞．桥墩防撞设施的选择；［１２】郑罗云。周经渊．桥梁薄壁圆形墩防撞保护装置及其设计，湖南交通科技，１９９７，２３（４）；［１３】项海帆，范立础，王君杰船撞桥设计理论的现状与需迸一步研究的问题，同济大学学报，２００２，３０（４）【１４】ＧｌｕｖｅｒＨｅｎｒｉｋ，ＯｌｓｎｅＤａｎ．Ｓｈｉｐｓｏｌｌｉｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ［Ａ］．ＰｒｏｃｓｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＳｈｉｐＣｏｌｌｉｓｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ［Ｃ】．Ｃｏｐｅｓ２ｈａｇｅｎ：ＰｕｂｌｉｓｈｅｄｂｙＡＡＢａｌｋｅｍａ，１９９８：【１５】Ｖ．Ｕ．ＭＩｎｏｒｓｋｙＡｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｈｉｐＣｏｌｌｉｓｉｏｎｔｏＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒｅｄＰｌａｎｔ，Ｊ．ＳｈｉｐＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｎｏ．１。１９５９；［１６】Ｄｅｒｕｃｈｅｒ，Ｋ．Ｎ．ＡｎａｌｙｓｉｓＳｉｎｏ－ＡｍｅｒｉｃａｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＢｒｉｄｇｅＰｉｅｒｓｆｏｒＶｅｓｓｅｌＩｍｐａｃｔ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇＢｒｉｄｇｅｏｆＯｉｌａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８２，Ｃｈｉｎａ，Ｐａｔｔｉ：ＰｒｏｔｅｔｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓ［１７】Ｄｅｒｕｃｈｅｒ．ＫＮ．ａｎｄＨｅｉｎｅｓ，Ｃ．Ｐ．ＢｒｉｄｇｅａｎｄＰｉｅｒＤｅｋｋｅｒ．Ｉｎｃ．Ｎ．Ｙ，ＮｅｗＹｏｒｋ·１９７９：ａｎｄＤｅｖｉｃｅｓ：Ｍａｒｃｅｌ［１８】粱文娟，金允龙，陈高增．船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞，第十四届全国桥梁学术会议论文集．上海；同济大学出版社，２０００【１９】ＧｅＷａｎｇ，ＨｉｄｃｏｍｉＯｈｔａｎｂｏ，ＫｉｋｕｏＡｒｉｔａＩｎｎｅｒＤｙｎａｍｉｃｓｏｆＳｉｄｅＣｏｌｌｉｓｉｏｎｔｏＢｒｉｄｇｅＰｉｐｅｒｓ．ＳｈｉｐＣｏｌｌｉｗｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｆｉｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ０１１ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＳｈｉｐＣｏｌｌｓｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ／ｃｏｌｍ－ｎｈａｇｃｎ／Ｄｅｎｍａｔｋ／１０－１３．ＭＡＹ１９９８：［２０ＪＭｃＤｅｒｍｏｔｔＪ．Ｆ．ｃｔａｌＴａｎｋｅｒＳｔｒｕｃｌｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＭｉｎｏｒＣｏｌｌｉｗｉｏｎ．ＳＮＡＭＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ．、，０１．８２．１９７４：【２１】Ｒｏｓｅｎｂｌａｔｔ＆Ｓｏｎ．Ｉｎｃ．ＴａｎｋｅｒＣ（孓Ｄ．７２．７６．１９７５ＳｔｒｕｃａｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＭｉｎｏｒＣｏｌｌｉｓｉｏｎ．ＵＳＣＧＲｅｐｏｒｔ，参考文献【２２】ＲｏｃｋｌｉｎｇＩＣＡ．ＭｅｃｈａｎｉｃｓｏｆＭｉｎｏｒＳｈｉｐＣｏｌｌｉｓｉｏｎｓ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖ０１．１Ｎｏ．３．１９８３．【２３】ＳｉｍｏｎｓｅｎＢ．Ｃ．ＴｈｅｏｒｙａｎｄＰｒｏｇｒａｍｏｎＶａｌｉｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＣｏｌｌｉｓｉｏｎＭｏｄｕｌｅ，ＪｏｉｎｔＭＩＴ－－ＩｎｄｎｓｔｒｙｏｆＩｍｐａｃｔＴａｎｋｅｒＳａｆｅｔｙ，ＲｅｐｒｏｔＮｏ．６６，Ｊｕｎｅ１９９９Ｊｏｕｒｎａｌ［２４】Ｐｅｄｅｒｓｅｎ，Ｐ．Ｔ．，ｃｔａｌＳｈｉｐＩｍｐａｃｔ：ＢｏｗＣｏｌｌｉｓｉｏｎｓ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖ０１．１３，Ｎｏ．２，１９９３．【２５】ＣｈｅｒｔＤ．ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＳｈｉｐＣｏｌｌｉｓｉｏｎＭｏｄｅｌ．ＭａｓｔｅｒｏｆＳｃｉｅｎｃｅｉｎ助ｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｈｅｓｉｓ．ＶｉｒｇｉｎｉａＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅａｎｄＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０００【２６］王自立，顾永宁．船舶碰撞动力学工程的数值仿真研究，爆炸与冲击．Ｖ０１．２１Ｊａｎ．２００１；【２７】王自立，顾永宁．撞击参数对双层舷侧结构碰撞响应的影响．船舶工程．２０００年第６期；【２８】王自立，顾永宁．应变速率敏感性对船体结构碰撞性能的影响，上海交通大学学报，Ｖ０１．３４Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２０００：【２９１宋一凡．公路桥梁动力学．北京：人民交通出版社，２０００；【３０】李国豪，项海帆，沈祖炎，范立础，石洞，黄东洲．桥梁结构稳定与振动．北京：中国铁道出版社，１９９２；【３１】Ｓａｕｌ，ＩＬＡｎｄＳｖｅｎｓｓｏｎ，Ｈ．ＭｅａｎｓｏｆＲｅｄｕｃｉｎｇＣｏｎｓｅＱｕｅｎｃｅｓＯｆｆｓｈｏｒｅｏｆｓｈｉｐＣｏｌｌｉｓｉｏｎｓｗｉｔｈＢｒｉｄｇｅａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＩＡＢＳＥＣｏｌｌｏｑｕｉｕｍＯｉｌＳｈｉｐＣｏｌｌ主ｓｉｏｎｗｉｔｈＢｒｉｄｇｅａｎｄ【３２】中华人民共和国交通部公路桥涵设计通用规范（ＦｒｏＤ６０－２００４）．北京：人民交通出版社，２００４：Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，吣ｇｅｎ，１９８３．【３３】Ｋｎｏｔｔ，Ｍ．Ａ．ａｎｄＬａｒｓｏｎ，０．ＤａｍｇａａｒｄＧｕｉｄｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｅｎｔａｒｙｆｏｒＶｅｓｓｅｌＣｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈｗａｙＢｒｉｄｇｅｓ，Ｕ．５．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＦｅｄｅｒａｌＨｉｇｈｗａｙＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｐｕｂｌ．Ｎｏ．ＦｌＩＷＡ－ＲＤ－９１－００６，Ｄｅｃ，１９９０．【３４］美Ｃ，Ｋｉｔｔｅｆ等力学·（伯克列物理教程）第一卷陈秉乾中译科学出版社１９７９［３５】张维衡等．桥墩的碰撞防护华中理工大学船海系郑州铁路局科研所１９００；【３６］李国华等．冲击法测量橡胶隔振垫的动态性能，现代振动与超声技术，航空工业出版社１９９７：【３７】陈国虞等．水中桩柱用钢强柔性冲击吸能攀试验研究交通部上海船舶运输科学研究所学报１９９５（２）；【３８】粱文娟等．船舶碰撞力和能量吸收交通部船舶运输科学研究所学报１９９２第二期【３９］梁文娟等．船舶与桥墩碰撞力计算及桥墩防撞船撞桥论文选２０００，上海海洋钢结构研究所；［４０１陈国虞．关于“船撞桥”问题的几点浅见。上海造船１９９５，（３）；【４ｌ】王康，易幼平．关于抗撞桥墩设计与计算问题；［４２】国际桥梁和结构工程协会（ＩＡＢＳＢ）航行船舶与桥梁始构的相互影响（综述与指南）１９９１－０９：［４３１鲁鄂．桥墩受船队撞击的强度核算：［４４】中华人民共和国交通部ＪＬｌ２１１－９９海港总平面设计规范。１９９９－０５．１４）［４５１中华人民共和国交通部ＪＪＪ２１１－－８７海港总体及工艺设计编制说明。１９９９；参考文献【４６】中华人民共和国交通部ＪＪＪ３１１．９７通航海轮桥梁通航标准１９９７．１２－２５；【４７】中华人民共和国铁道部ＴＢＪ２－－８５铁路工程技术规范，第二篇·桥涵·北京，中国铁道出版社，１９９４；【４８】美国各州公路和运输工作者协会（ＡＡＳＨＴＯ）美国公路桥梁设计规范，北京：人民交通出版社，１９９４；［４９】美国各州公路和运输工作者协会（ＡＡＳＨＴＯ）公路桥梁船舶撞击指导性规范；【５０】英国标准ＢＳ６３４９海工建筑物；【５１］ＤｙｎａｍｉｃＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＶｅｓｓｅｌ－Ｐｉｅｒ－ｓｏｉｌＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎＤｕｒｉｎｇＢａｒｇｅＩｍｐａｃｔＥｖｅｎｔｓＣｏｎｓｏｌａｚｉｏ，Ｇａｒｙ＆（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＦｌｏｒｉｄａ）；Ｌｅｈｒ，ＧＢｅｎｊａｍｉｎ；ＭｅＶａｙ，ＭｉｃｈａｅｌＣ．Ｓｏｕｒｃｅ：ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＲｅｃｏｒｄ，ｎ１８４９，２００３，【５２】ＤｅｓｉｇｎｏｆｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｓｈｉｐｉｍｐａｃｔＫｕｚａｎａｎｏｖｉｅ，Ｂｏｇｄａｎ，０．ｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ（Ｂｅｉｓｗｅｎｇｅｒ，ＨｏｅｈａｎｄＡｓｓｏｅ．）；Ｓａｎｃｈｅｚ，Ｍａｎｕｅｌ，＆Ｓｏｕｒｃｅ：ＪｏｕｒｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖ１１８，ｎ８，Ａｕｇ，１９９２，【５３】Ｅ、，ＡＩＵ加ＯＮＯＦＳＨＩＰ．ＢＲⅢＧＥＰⅢＲｍ但ＡＩ？ｒＡＮＤＯＦＩＳＬＡＮＤｓＡＳＰＲ（ｍｅｎＯＮ．Ｍｉｎｏｒｓｋｙ，Ｖｌａｄｉｍｉｒ（ＧｅｏｒｇｅＧＳｈａｒｐＩｎｃ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＮＹ，ＵＳＡ）Ｓｏｕｒｃｅ：ＲｅｐｏｒｔｓｏｆｔｈｅＷｏｒｋｉｎｇＣｏｍｍｉｓｓｉｏｍ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ１９８３，ＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｏｒＢｒｉｄｇｅａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｏｒｉｎ，ｖ４１．【５４】Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａａｓ％ｍｃｎｔｏｆｐｉｅｒｓｆｒｏｍｌａｔｅｒａｌｉｍｐａｃｔＢｅｌｉｖｅａｕ，Ｊｅａｎ－Ｇｕｙ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣＭｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＶｅｒｍｏｎｔ）；Ｉｎａｂａ，ＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒＳｏｕｒｃｅ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ＡｎｎｕａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ·ＣａｎａｄｉａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖ２００２，ＣＳＣＥ３０ｔｈＡｎｎｕａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ：２００２ＣｈａｌｌｅｎｇｅｓＡｈｅａｄ一４ｔｈＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳｐｅｃｉａｌｔｙＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｐｅｃｉａｌｔｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄ２ｎｄｍａｔｅｒｉａｌＳｐｅｃｉａｌｔｙＣｏｎｆ－－，４ｔｈ【５５】ＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＣＯＮＣＲＥＴＥＢＲＩＤＧＥＰＩＥＲＳＦＯＲＶＥＳＳＥＬ吣既Ｄｅｒｕｅｈｅｒ，ＩＣＮ．２００２．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，（ＳｔｅｖｅｎｓＩｍｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｉｎｇＤｅｐ，Ｈｏｂｏｋｅｎ，ＮＪ，ＵＳＡ）Ｓｏｕｒｃｅ：ＣｉｖｉｌｕｓｉｎｇｔｈｅｉｍｐａｃｔｌｏａｄｍｅｔｈｏｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒＰｒａｃｔｉｃｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｖｌ，ｎ４，ＪｕＩ－Ａｕｇ。１９８２，【５６】Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｐｉｅ８Ｇ．Ｅ．（ＮａｖａｌＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷａｒｒｅｎ。１８，ｎＬａｂ）；Ｍａｌｖａｒ，ＬＪ．Ｓｏｕｒｃｅ：ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖ３，Ｍａｙ－Ｊｕｎ，１９９４，【５７】Ｓ似ｒＩＳＴｌＣＡＬＭｏＤＥＬＳＦＯＲＤＥＢＲＩＳｍ姒ＣＴＯＮＢＲ皿ＩＧＥＰ正ＲＳⅨＡＮＡＲｍＡＲＥＡ．Ｎｏｕｈ，Ｍ．（Ｋｉｎｇ１９８７，ＶｌｐＳａｕｄＵｎｉｖ，Ｒｉｙａｄｈ，ＳａｕｄｉＡｒａｂｉａ）Ｓｏｕｒｃｅ：ｌｎｓｔｆｏｒＲｉｓｋＲｅｓｅａｒｃｈ，【５８】Ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｂａｒｇｅｉｍｐａｃｔｌｏａｄｓ０１１ｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒｓＣｏｎｓｏｌａｚｉｏ，ＧａｒｙｌＬｆＤｅｐａｒｍａｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＣｏａｓｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＨｏｒｉｄａ）；Ｃｏｗａｎ，ＤａｖｉｄｌＬ；Ｂｉｇｇｓ，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ；，Ｃｏｏｋ，ＲｏｎａｌｄＡ．；Ａｎｓｌｅｙ，Ｍａｒｃｕｓ；Ｂｏｍｒｍｏｎ，ＨｅｎｒｙＴ．Ｓｏｕｒｃｅ：ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＲｅｃｏｒｄ，ｎ１９３６，２００５，【５９】ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｓｏｆｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄＡｂｒａｈａｍｓ，ＭｉｃｈａｅｌＪ．Ｓｏｕｒｃｅ：ＧｅｏｔｅｅｈｎｉｅａｌｔｏｓｈｉｐｉｍｐａｃｔＳａｍｔａｎｉ，ＮａｒｅｓｈＪｒ．；Ｃ．（ＰａｒｓｏｎｓＢｒｉｎｅｋｅｒｈｏｆｆＱｕａｄｅ＆Ｄｏｕｇｌａｓ，Ｉｎｃ）；Ｗａｎｇ，Ｊａｗ－Ｎａｎ；Ｐｅｐｅ，ＦｒａｎｋＳｐｅｃｉａｌＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｌ，ｎ４０，１９９４，参考文献【６０］上海船舶运输科学研究所．杭州湾跨海大桥船舶撞击力及防撞专题研究报告２００１［６１】上海船舶运输科学研究所．东海大桥主通航孔主墩及防撞墩船加撞击力模型试验研究２００３个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果个人简历：张峰，男，１９７３年２月生。１９９６年７月毕业丁二同济大学（公路与城市道路）专业获学士学位。２００２年３月入同济大学读工程硕士研究生。已发表论文：［１］张峰．洋山工程中的陡坡路堤设计，港湾技术，２００６，２：６－１１［２］张峰．公路边坡防护型式的应用与研究，港湾技术，２００６，３：４０—４５研究报告；［１］高志伟，张峰．上海国际航运中心洋山深水港区小洋山中港区东海大道及高架路延伸段平面布置专题报告．２００５．１２跨海大桥桥墩防撞技术

作者：

学位授予单位：

张峰

同济大学土木工程学院

1. 尹锡军 船桥碰撞及桥墩防撞设施研究[学位论文]2009

2. 罗军 船舶撞击下高桩大变形性状及柔性护墩桩式防撞系统研究[学位论文]20083. 贺效强 潜浮式倒悬索跨海大桥的结构分析[学位论文]20084. 邓青儿 跨海大桥通航孔主墩防撞设计探讨[会议论文]-20085. 邹振东 潜浮式倒悬索跨海大桥地震反应研究[学位论文]2008

6. 许宏亮.宋华清.曾平喜.周玉娟.彭强 金塘大桥主墩防撞钢套箱设计[会议论文]-20087. 吴忠华.李锋 防止船舶碰撞金塘大桥的措施建议[期刊论文]-中国水运（上半月）2010(5)

1.陈云鹤.朱应欣.黄亚新.王立新 运河桥梁防撞设计的几个关键问题探讨[期刊论文]-现代交通技术 2010(6)

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