橋梁撞擊問題2019年度研究進展

劉占輝，呼瑞杰，姚昌榮，李永樂，李亞東

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

橋梁是“跨越障礙的通道”。橋梁的建設與人類社會發展息息相關，從“橫木為梁”、“結藤成索”、“壘石為拱”3種古代基本橋式的誕生，逐漸發展演變到現代橋梁的造型多樣、超長大跨，其跨越對象為大江大河、深溝峽谷、海峽灘涂、既有線路等，對應的就有跨河橋、跨谷橋、跨海橋、跨線橋等。據中國2019年橋博會公布數據顯示，在長江干流上已建成的各類長江大橋就達115座。這些橋梁構成了當地交通系統的關鍵環節，并進一步推動著社會和經濟的發展。

對于跨河橋、跨海橋，一般有通航的要求。無論是大跨纜索承重橋梁的橋塔結構還是梁橋、拱橋等的墩臺對河流和海洋環境都有一定程度的影響，同時，通航船只和漂流物對橋梁的撞擊作用也是跨河、跨海橋面臨的一大威脅。而山區修建的跨谷橋與平原和淺丘地區的橋梁相比，通常具有“兩高一大”(橋面高、橋墩高，橋梁跨徑大)的顯著特征[1]。跨谷橋梁施工和運營階段都有可能會面臨地震、崩塌滾石、泥石流、滑坡等多種災害的侵擾，其造成破壞的事故并不少見，崩塌落石、泥石流等對橋梁的撞擊問題值得重視。跨線橋遭受汽車撞擊的事故時有發生，損失一般不大；跨鐵路線橋梁如若列車脫軌，其撞擊后果不堪設想。

橋梁撞擊問題是既有和在建橋梁工程長期面臨的問題；大跨橋梁等復雜結構的災變和防控問題也被列入了2006年國務院頒布的《2006—2020年國家中長期科學和技術發展綱要規劃》中。2019年國家自然科學基金在“橋梁撞擊與防護方面”批準資助的項目有4項，2019年仍在執行期的有7項。橋梁撞擊及防治是國家發展需求，也是近年來的研究熱點。

2020年作為“十三五”科技創新規劃的收官之年，也是面向“十四五”部署科技重點任務的關鍵之年。“明鏡所以照形，古事所以知今”，筆者主要回顧了2019年橋梁撞擊事件及科學研究現狀，對目前分析熱點進行歸納總結，展望撞擊災變和防控的研究趨勢。

1 橋梁船撞事故及船橋碰撞研究進展

跨越水上航線的橋梁結構(如跨河橋、跨海橋等)船撞事故頻發，其導致的橋梁損傷、倒塌危害巨大；船撞風險在橋梁結構規劃、設計以及運營全壽命過程中不可忽視。1980年，美國陽光大橋船撞事故之后，橋梁界開始對船撞問題高度重視。美國交通部門統計數字顯示：大型橋梁通航運營期間，約1/10會因船撞而垮塌，如不加以重視，甚至會達到50%以上[2]。在中國，船撞橋事故也頻繁發生。僅以武漢長江大橋、南京長江大橋和重慶白沙沱長江大橋這3座橋為例，自建成以來，橋梁船撞事故就分別發生了70起、30起和100起以上。據不完全統計，僅發生在中國長江、珠江、黑龍江三大水系干流上的船撞橋事件就達到300起以上[3]。2019年發生了多起橋梁船撞事故：1月，廣深高速的東洲河橋B2～B3通航孔被一艘貨船船頭傳送帶的支撐柱碰撞，導致橋上部承重梁體嚴重受損；4月6日，巴西帕拉州首府貝倫一座橫跨莫茹河(Moju)的橋梁遭貨船撞擊坍塌；4月20日凌晨，中國四大古橋之一的潮州廣濟橋遭貨船碰撞，多處受損；7月10日，中國湖南衡陽衡東縣洋塘河壩水電站橋被3艘失控貨船輪番撞擊；7月16日，中國廣西貴港平南大橋拱肋被“粵云138”砂石船撞擊，船舶駕駛臺與大橋橋拱碰撞，破損嚴重。在橋梁的非通航孔跨，由于船舶操作失誤也會有發生船撞事故的風險。如2008年3月27日，貨船撞上在建的金塘大橋非通航孔橋箱梁，被撞落后壓在肇事貨船的駕駛臺上。另外，隨著民用航空器使用越來越普遍，偶爾也有飛機撞橋事件發生，如2016年7月20日，幸福通用航空一水上B-10FW飛機在由上海金山—舟山航線起飛過程中撞上大橋發生事故。

橋梁船撞規范或標準目前有美國道路工程師協會(AASHTO)于1991年編寫的《公路橋梁船撞設計指南》(該指南于2009年進行了修訂)，其專門針對美國內河橋梁提出了基于風險的船撞設計技術標準和設計方法。1996年美國鐵路工程協會(AREMA)出版了《防撞保護系統設計規范》。歐洲用于指導橋梁船撞設計的規范是1997年出版的歐洲統一規范中的Eurocode 1.2.7分冊。中國《公路橋涵設計通用規范》(JTG D 60—2015)和《鐵路橋涵設計規范》(TB 10002—2017)對船撞有所涉及；中國第一部專門的船撞設計指南是地方標準《重慶市三峽庫區跨江橋梁船撞設計指南》(DBJ/T 50-106—2010)。中國公路學會2018年發布了《公路橋梁防船撞裝置技術指南》，以此來規范公路橋梁防船撞裝置的技術要求，提升橋梁防船撞產品的質量水平。

(1)

式中：F(z)為水位概率密度。其他符號具體含義參見文獻[4]，此處不再贅述。

Song等[5]提出了一種簡化的橋梁沖擊荷載時程分析模型，以預測橋梁在船舶撞擊下的動態響應。其簡化模型通過一種用拋物線表達式修正的半正弦波函數來捕捉沖擊力時程的上述特征，函數的形式為

(0≤t≤T)

(2)

該模型的有效性在兩個橋梁模型的案例分析中得到了驗證。宋彥臣等[6]還以一座連續梁橋為例進行了接觸碰撞反應與撞擊力時程反應分析，并將修正半波正弦荷載模型的響應求解誤差分為3類，并討論了這3種誤差對結構響應的影響大小。

橋梁下部結構(包括橋墩和橋塔)應有足夠的防撞能力，這方面引起了足夠的重視，但上部結構的撞擊卻往往被忽略。Sha等[12]建立了船艏結構和橋梁的高保真有限元模型，研究了船艏沖擊作用下橋主梁的結構響應；并提出了一種簡單而有效的加固方法——“雙層橫隔梁端部”，有效地提高了鋼主梁的橫向抗沖擊性能，并很好地控制了成本和施工工作量的增加。

橋梁船撞風險評估方面：羅嘉敏等[13]調查廣深高速公路某次船撞橋梁上部結構事故原因時，結合人工接觸式檢查結果，確定損傷實際狀況，之后采用靜載試驗實測車輛荷載下的結果，總結梁體變形、關鍵截面應變和主梁裂縫等指標的分布規律，評估船舶撞擊的影響，然后提出維修建議。李志榮等[14]從分析危險源與船撞橋事故的關系出發，提出人、船、橋、環境、管理等5類船撞橋危險源；結合DPSIR模型中各指標間的制約關系，從驅動力、壓力、狀態、影響、響應等5方面篩選出12個評價指標，建立船撞橋風險評價指標體系，并對其進行風險評價。劉靜文[15]以武漢天興洲大橋為工程背景，建立ANSYS全橋模型，研究了在相同船舶撞擊下不同碰撞角度對橋梁橫向位移響應的影響；得到了塔頂對碰撞較為敏感、通過增大碰撞角能有效降低橋梁船損風險的結論。

Chen等[16]從海事安全管理的宏觀角度，對船舶碰撞事故定量風險分析進行了系統回顧和分析，探究了主要利益相關者及其在風險分析中的偏好，并對藤井和Shiobara(1971年)及Macduff(1974年)提出的框架下的風險分析方法進行了研究。在因果概率分析中，統計分析、故障樹分析和貝葉斯網絡模型被選為主要的方法類別。

陳瓊等[18]提出的智能化橋梁管理系統主要包含3個方面：主動安全防護系統、復合防撞及報警系統、可追溯式監控系統，通過主被動結合的方式可實現對船撞橋事故的全方位、多角度管控，為橋梁防撞提供了有益的思路。

在橋梁防船撞設施方面：船舶撞擊是航道橋墩的潛在危險。為避免船舶與橋墩直接接觸，目前，橋梁設計中廣泛采用不同類型的防護結構，以防船舶撞擊。馬志敏等[19]基于ANSYS軟件分析了某大橋鋼管防撞墩結構的15個不同撞擊點在船撞工況荷載作用下的應力分布情況，并提出了新的防撞墩結構。其通過減小系桿跨度、增加節點剛度和撞擊點系桿數量等方式改進防撞墩性能的措施值得借鑒。王紀鋒等[20]以京港澳高速沙河大橋某兩個橋墩進行防撞能力評估，并針對500 t級船舶撞擊下橋墩自身抗撞能力不足的問題，添加了自浮式鋼覆復合材料防撞設施，船舶撞擊力削減了26%，基本滿足橋梁設防要求。Wang等[21]采用有限元模擬方法，對廣東湛江海灣大橋采用的柔性浮式防撞裝置進行了有效性評價。

圖1 速度為1 m/s時正面碰撞沖擊力時程 [22]Fig.1 The time history of the impact forces for head-on collision with a velocity of 1 m/s[22]

陳國虞等[25]在柔性耗能防撞裝置的選型、研發及相關試驗技術上取得了明顯的進步并已應用到能通行5萬t級船舶的湛江海灣大橋、象山港跨海大橋等實際工程中。

船舶撞擊橋梁上部結構是船撞橋梁事故的種類之一。在上部結構防撞限高架的設計、施工和選型方面，徐光中[26]對川槎大橋通航孔水上防撞限高架進行了剛性和柔性方案比選、設計及施工方法介紹，屬于中國首例水上鋼結構限高防撞工程。鄭宏鴻[27]結合實際工程案例，總結了防止超高船舶撞擊橋梁上部結構的“軟措施”，并對上部結構設置的“鋼桁架”和“固定拉索”這兩種水上限高架進行受力分析和計算，給出了其適用范圍。林光峰[28]以對某連續箱梁橋上部結構被船舶撞擊事故調查為出發點，提出3種防船撞技術措施并進行了比選，確定了具體的對策。這些分析計算均可為橋梁工程上部結構防撞提供經驗和參考。

船撞橋問題屬于典型的交叉學科，船撞橋事故的發生涉及人、船舶、通航條件和環境、管理等多個方面。為了從根源上解決這一安全隱患，除了規范航道管理，謹慎通行以外，橋梁設計過程中還要采用合理的船舶撞擊力設防標準，加強結構設計，加設防撞裝置和主被動監測防控系統，因地制宜、多管齊下才能切實維護好通航水域的橋梁安全和橋區水域的水上交通安全[29]。

2 崩塌落石對橋梁的撞擊

位于山區的橋梁易受落石碰撞的影響，這可能危及這些橋梁上的高速列車或汽車的行駛安全。何思明等[30]為了減輕落石對橋梁的危害，研制了一種新型的柔性、耗能的橋墩防撞裝置。在沖擊過程中考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等影響，數值模擬結果表明，該防護結構能有效緩沖落石沖擊，顯著提高橋墩抗沖擊能力。張迅等[31]利用有限元程序LS-DYNA對落石與橋墩碰撞進行了數值模擬，研究了落石速度、落石直徑、落石位置和列車速度對沖擊力、墩頂位移和列車運行安全指標的影響。樊偉等[32]開展了UHPC墩柱和普通鋼筋混凝土墩柱的落錘沖擊試驗，并在此基礎上，建立一種簡化分析方法，用于分析受壓墩柱的沖擊響應和破壞形態。成永剛[33]在公眾號文章中對崩塌落石常用防治技術的主要特點和適用范圍進行了簡要匯總，還根據崩塌機制分析，對川藏高速公路陡崖坡腳特大橋提出了具體防治措施[34]。

通常情況下，橋隧相接地段橋面危巖落石防護有剛性和柔性的明洞、棚洞等。唐建輝等[35-36]以大跨度拱形明洞為研究對象，基于ANSYS/LS-DYNA軟件分析了落石質量、沖擊速度和回填土厚度等對拱形明洞的沖擊影響，提出了計算落石沖擊力、沖擊壓應力的方法，并做了模型試驗來探明其作用力傳遞機理。王玉鎖等[37]提出了落石沖擊下有回填土拱形明洞結構方面的概率可靠度設計方法，并授權申請了發明專利。柏雪松[38]對現有落石沖擊力計算公式進行總結，對比分析各個公式之間的異同；系統地分析了落石質量、下落高度、沖擊角度以及形狀對沖擊效應的影響；進一步探討了墊層厚度、材料對棚洞抗沖擊性能的影響。

圖2 7 000 kJ能級足尺沖擊試驗Fig.2 Full scale impact test of 7 000 kJ energy level

以往針對落石沖擊的研究主要包括崩塌落石運動特性、落石運動路徑計算與威脅區域預測(包括對橋墩的沖擊破壞以及對行車安全性的影響等)、落石沖擊特性與沖擊力計算表達式、崩塌落石災害風險評估與防治決策、崩塌落石災害的工程防治措施、崩塌落石災害防治工程監測與維護等方面，篇幅有限，不再贅述。在艱險山區的高速鐵路或公路的修建過程中，如在以上幾方面結合具體橋梁工程實例開展系統崩塌落石影響研究，將會為山區重大橋梁(如川藏公路、鐵路等)的設計與施工提供重要依據。

3 車輛對橋梁的撞擊

因城市快速擴張、城市交通迅猛發展、立交跨線橋梁增多，汽車撞擊問題突出。按車輛高度劃分，可分為超高車輛撞擊和非超高車輛撞擊。非超高車輛的撞擊部位大多是橋墩，如2019年5月15日，104國道東郭段上跨甬金高速一輛集裝箱車撞擊到橋墩，導致東郭立交橋立柱、防震擋塊多處開裂，見圖3。超高車輛的撞擊部位大多是梁跨結構，撞擊導致其垮塌或局部破損。如2019年5月7日，在德國漢諾威，一輛裝載有挖掘機的平板掛車撞傷了A352公路的一座跨線橋，造成了約30萬歐元損失。2019年5月18日，一輛大貨車因載物超高，碰撞杭州市慶春東路口鋼結構人行過街天橋，導致其東南側垮塌。2019年7月28日，四川綿陽二環路八角人行天橋被超高貨車撞擊，造成梁體破損、位移，橋面鋪裝破裂、墩臺基礎裂縫等病害。

圖3 東郭立交橋車撞事故(百度圖片)Fig.3 Collision accident of Dongguo overpass

目前，針對車輛撞擊橋墩和橋跨結構的研究也不少。陳林等[47]基于LS-DYNA軟件對車輛與典型鋼筋混凝土橋墩的碰撞進行了非線性有限元模擬，重點考察了不同邊界條件和箍筋直徑的橋墩在車輛撞擊作用下的動力響應及損傷特征，特別是鋼筋混凝土橋墩的典型破壞形態。

Do等[48]建立了中型貨車與大型掛車碰撞下全橋立柱的有限元模型，探討鋼筋混凝土橋柱在車輛碰撞下的沖擊行為；分析了3種不同荷載條件下柱參數對沖擊力時程和柱響應的影響，并基于對前人研究的理解和中型卡車數值分析結果，將卡車撞擊RCB柱的沖擊力時程理想化為4個階段，如圖4 所示。此外，根據沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的剪切機理，還確定了車輛碰撞作用于柱的最大沖擊力；將RCB柱的響應和失效分為彎曲響應和剪切響應兩類，定義了柱的最大動剪承載力，為工程人員預測RCB柱的沖擊性能提供了指導。

圖4 中型貨車沖擊力時程的簡化模型[48]Fig.4 A simplified model of the impact force time histories from the medium truck [48]

Saini等[49]調查了鋼管混凝土(CFST)橋墩在車輛碰撞下的結構響應，對存在較高車輛碰撞風險情況下使用鋼管混凝土橋墩代替常規鋼筋混凝土橋墩的可行性進行研究。Fan等[50]通過圓形鋼筋混凝土柱的沖擊試驗，提出一種基于碰撞后狀態(變形和損壞模式)的評估方法，并證明了該方法能夠預測碰撞后的殘余軸向承載力，并通過參數研究結果推導了經驗公式來估算殘余強度。

針對現行的AASHTO、CEN等設計標準將車輛碰撞所產生的沖擊力簡化為等效靜態力的方式存在的缺陷，Do等[51]采用解析研究與數值模擬相結合的方法，探討了鋼筋混凝土橋柱在車輛碰撞下的動態特性。

Chen等[52]采用替代撞擊器來模擬卡車對橋梁的碰撞試驗，一項測試對墩造成了中度損傷，一項造成了輕度損傷，試驗測試與模擬數值結果較吻合。作者還強調了制定針對卡車與撞車事故基于性能的設計準則的必要性。Auyeung等[53]提出一種基于橋梁的結構特點和碰撞車輛動能的新的損傷率指標(DRI)，它可以用來定義車輛撞擊橋墩時的預期損傷。作者在橋梁車撞研究中引入了基于性能的設計理念，允許設計者或橋梁所有者根據不同的參數選擇目標性能水平。

結構設計應考慮多種極限狀態函數，以保證結構的性能水平。在AASHTO LRFD設計規范中，考慮了4種極限狀態，包括強度、使用、疲勞和極端事件。極端事件極限狀態下有地震組合和車輛碰撞組合。由于AASHTO LRFD橋梁設計規范的本質建立在可靠性分析基礎上，因此，有必要對此類極端事件進行可靠性分析。Hosseini等[54]確定了一種車輛碰撞下橋墩基于性能的設計方法。相應地，橋墩的性能水平根據車輛碰撞時橋墩的損壞狀態進行分類。

鋼筋混凝土梁柱的沖擊特性通常采用三維實體單元的有限元模型來模擬。然而，該方法通常需要大量的時間和精力來模擬混凝土和鋼筋，并且要進行非線性接觸沖擊分析。樊偉等[55]提出了一種有效的低速度沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁柱彎曲和剪切性能的模擬方法；提出了一種基于宏單元的接觸模型，用以捕捉碰撞物體與鋼筋混凝土構件之間的相互作用行為。只要有傳統的光纖截面單元和離散宏單元，該方法就可以在任何有限元軟件中實現，而無需編碼。這一特性在評估橋梁結構在船舶和車輛碰撞下的響應和易損性的時候具有很大優勢。樊偉等[56]還開發了一種由超高性能纖維增強混凝土(UHPFRC)面板和波紋鋼管作為能量吸收構件的新型防護結構，并提出了一種多目標優化設計程序，以在車輛碰撞時找到擬保護結構的最佳配置。此外，Fan等[57]還開發了基于超高性能纖維增強混凝土(UHPFRC)的增強方法，該方法的數值和試驗結果均表明UHPFRC強化技術可為提高RC柱的抗沖擊性能提供替代解決方案。

城市中，超高車輛在橋下由于凈空不夠造成的沖擊損壞較為頻繁。Mi-kiewicz等[58]基于詳細的物體損壞評估、3D激光掃描和數值模擬，分析了某具體車撞橋事件，提出了診斷梁體內部損傷并評估修復的方法。陸新征等[59]以廣西某高速公路連續T梁橋為研究背景，針對超高車輛撞擊和地震作用兩種工況下容易發生的難于修復的落梁破壞和橋墩塑性破壞，提出了功能可恢復連續梁橋體系。楊樹志[60]以金匯斜拉橋為背景，對斜拉橋運營風險進行了評估，考慮了車輛撞擊的影響。但風險評估結果的精確度、可信度仍有待提高。

4 近場動力學思想概述

近場動力學(Peridynamics，簡稱PD)是一種非局部作用理論，其核心思想就是將連續體之間的相互作用轉變為非局部作用，將臨界伸長率作為強度破壞準則，能成功模擬材料的損傷形成及演化過程。目前，很多研究者已經做了相關理論和工程研究工作，研究具體涉及沖擊、爆炸、疲勞、熱力耦合、電化學、破冰等問題；針對的具體材料包含金屬、混凝土、復合材料、功能梯度材料等。郭居上[62]重點研究了格子模型PD理論，對不同格子優缺點進行了評估，并將其推向常規態型的格子模型中，成功模擬了金屬材料和復合材料的失效問題。沈峰等[63]對混凝土材料進行沖擊模擬，研究在一定沖擊速度下混凝土結構的損傷演化問題。

作為新興的非局部連續力學理論體系，近場動力學(PD)理論用空間積分方程代替偏微分方程，用以描述物質的受力情況，從而避免了傳統連續力學中的微分計算在遇到不連續問題時的奇異性，并且兼有分子動力學方法和無網格方法的特點，特別適用于模擬材料自發的斷裂過程。然而，因為近場動力學的數學理論內容豐富且與傳統理論差別較大，目前的相關文獻又以英文表述為主，在橋梁撞擊研究中尚未得到重視。筆者結合郭居上等[62]在復合材料研究中的一些成果和沈峰等[63]的最新論文，認為在橋梁在船舶、落石、車輛等撞擊作用下橋墩、防撞結構以及橋梁主梁等混凝土、鋼材或復合材料構件的撞擊問題分析中引入近場動力學思想，利用PD模擬裂紋自發萌生和擴展等非連續問題[64]，將有助于加深對碰撞本質的認識；也將為橋梁撞擊問題分析突破傳統思維瓶頸提供新的突破口。

5 結論

對橋梁撞擊問題2019年研究文獻進行總結、分類，并根據個人理解詳細檢視了其中幾項研究的相關成果。通過對橋梁遭受船撞、落石沖擊、車輛撞擊等方面的近期研究成果進行分析，認為以下幾方面的研究在未來的工作中需要進一步考慮：

1)已有研究成果的拓展方面：① 在單個影響因素的研究基礎上，對兩個或兩個以上因素組合作用的橋梁撞擊研究理論，值得進一步探索。如地震同時伴隨崩塌落石、泥石流等對跨谷橋梁撞擊作用的耦合效應；考慮水流作用的船橋碰撞數值模擬和試驗研究；地震、強風、波浪和船撞等極端情況同時出現時，跨海橋梁結構響應研究及安全性評估。② 在橋梁撞擊事故中人為因素和組織因素引起的因果概率分析方面，仍然缺乏數據和具有不確定性。為了得到可靠的結果，需要進一步發展考慮不確定性的概率推理方法。③ 基于有限元建模的橋梁撞擊分析計算量龐大，較高計算精度和計算效率的簡化計算模型或分析方法的提出，將對深入認識橋梁碰撞影響規律有很大幫助。

2)新材料的應用方面：高強輕質材料或者新型材料的更多應用是中國橋梁工程的發展方向，如泡沫鋁、UHPC、UHPFRC等應用于橋梁防撞及橋梁加固方面的研究已經開始，該方面的系統研究需要進一步加強。

4)新理論、新方法的發展方面：①基于性能的橋梁防撞設計理論研究將得到發展。基于性能的設計理念，是允許設計者或橋梁所有者根據結構物的重要性和用途選擇目標性能水平，由不同的性能目標提出相應的設防標準，以使結構具有預期功能。該思想是21世紀世界各國抗震理論的發展方向，應用于橋梁撞擊問題研究將推動相關理論的發展。② 依據模擬材料的損傷形成及演化過程的已有PD成果，在橋梁撞擊問題研究中引入近場動力學思想，將有助于加深對碰撞本質的認識；也將為橋梁撞擊問題分析突破傳統思維瓶頸提供新的路徑。③ 船舶橋梁碰撞評估新方法在智能橋梁防撞管理系統中的應用研究。如基于模糊邏輯的船橋碰撞預警方法的發展，在考慮各種危險源的前提下，還應考慮船舶碰撞，從而建立綜合的船撞橋風險評價指標體系，以協助保證橋梁航道區域的綜合海事安全。

綜上所述，在未來研究中，應重點考慮主被動結合來實現橋梁全方位、多角度防撞智能管控，保障橋梁運營安全；同時，應結合新的理念和分析方法深入認識橋梁撞擊問題發生和損傷演化機理，推動橋梁防撞相關理論的發展。