水上大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析與防撞設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.7+2；TQ342+.792 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）10-0152-04

Ship collision risk analysis and anti-collision facilities optimization design of water bridge

BAI Diao （Nancheng Maintenance Center，Guangzhou Road Maintenance Center，Guangzhou 5114Oo，China）

Abstract：Inthefieldof safeoperationof river-crossing bridges，thepreventionandcontrolof vessl colisionrisks areof great significance toensure traffic lifeline and public safety.This study focuses on the vessel colisionrisk analysis andanti-colisionfacilityoptimizationofariver-crossng bridge.Byanalyzingthe bridge structure parameters，navigation environment characteristics and pier exposure，the risk asessment model construction，collsion probability calculation and structural failure risk quantification are systematically expounded.The results show that thelayered design effctof stel-compositecomposite anti-collsion facilities optimization isobviously improved， and the matching valueof risk distribution and protection scheme is clarified.Itcan provideoperable risk preventionandcontrolreference for bridge engineering practitioners，help thedevelopmentofanti-collision technologyof river-crossing bridges，and promote and realize the goal of safe operation of bridges.

Key Words：river-crossing bridge;vesselcollision risk;failure probability;anti-collision facilities

船舶碰撞橋梁事故頻發(fā)，如廣東“6·15”九江大橋垮塌事件，直接暴露既有橋梁抗撞能力與通航環(huán)境變化的適配短板。某跨河大橋作為區(qū)域關(guān)鍵通道，主墩船撞失效概率超標(biāo)140倍， 3000～5000t 級(jí)船舶構(gòu)成主要威脅，現(xiàn)狀抗撞性能缺口顯著。早期設(shè)計(jì)未充分預(yù)判船舶噸位增長(zhǎng)趨勢(shì)，服役后結(jié)構(gòu)性能自然衰減進(jìn)一步加劇風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，通過(guò)精準(zhǔn)量化風(fēng)險(xiǎn)、創(chuàng)新防撞設(shè)施設(shè)計(jì)，構(gòu)建科學(xué)防控體系，不僅可填補(bǔ)該橋安全短板，更能為同類(lèi)橋梁提供風(fēng)險(xiǎn)防控范式，對(duì)保障交通網(wǎng)絡(luò)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有重要實(shí)踐意義。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

某水上大橋2015年建成通車(chē)，總長(zhǎng) 1638.24m 主橋采用 79m+2×145m+95m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面懸澆連續(xù)剛構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體剛度沿跨徑呈漸變分布，適應(yīng)通航孔大跨度需求1。睦洲岸引橋?yàn)?16×20m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板與 4×30m 連續(xù)T梁組合，大鰲島引橋?yàn)?4×30m 連續(xù)T梁與 31×20m 簡(jiǎn)支空心板，引橋結(jié)構(gòu)兼顧經(jīng)濟(jì)性與受力合理性。通航孔按內(nèi)河I級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用雙孔單向通航布置，凈寬 130m 、上底寬 96m 、凈高 22m 、側(cè)高 8m ，設(shè)計(jì)最高通航水位 4.2m 主橋橋墩為變截面薄壁墩，承臺(tái)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑 2.5m ，樁長(zhǎng)嵌人巖層?8m ，確保豎向承載與水平抗推穩(wěn)定性。

1.2 通航環(huán)境特征

橋區(qū)航道船舶涵蓋 500t 至 10000t 級(jí)，按載重噸（DWT）區(qū)間劃分為：500t級(jí) （DWTlt;1000t），1000t 級(jí)（ 1 000t?DWT?1 500t） ?2000t 級(jí)（ 1500tlt; DWT?2500t， ） ，3000t 級(jí) 2500t

1.3 橋墩暴露性評(píng)估

20#～24#墩處于船舶可達(dá)區(qū)域，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估核心對(duì)象，不同水位下橋墩暴露性差異顯著。洪水期（水位 4.2m 時(shí)，21#～23#主墩可受 10 000t 級(jí)船舶撞擊，20#過(guò)渡墩可受5000t級(jí)船舶撞擊，24#過(guò)渡墩僅受3000t級(jí)以下船舶影響3]。中水期（水位 3.8m ））時(shí)，21#～23#主墩仍暴露于10000t級(jí)船舶風(fēng)險(xiǎn)， 20# 過(guò)渡墩僅承受3000t級(jí)以下船舶作用，24#墩無(wú)撞擊風(fēng)險(xiǎn)。枯水期（水位 3.2m， 時(shí)，21#～23#主墩受 5000t 級(jí)以下船舶撞擊，20#過(guò)渡墩僅受1000t級(jí)以下船舶影響。

2 船撞風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

多折線(xiàn)航道模型用于刻畫(huà)航道曲線(xiàn)形態(tài)，操作中先建立整體坐標(biāo)系X-O-Y定位航道、障礙物及橋墩空間位置，再依航道走勢(shì)劃分折線(xiàn)段，各段內(nèi)設(shè)置局部坐標(biāo)系 X_i-O_i-Y_i ，以此簡(jiǎn)化不同航段的碰撞概率測(cè)算。船舶偏航角限定在 [-π/2，π/2] 區(qū)間，此范圍內(nèi)需通過(guò)積分偏航角概率密度函數(shù)獲取幾何碰撞概率[4]。

2.2 碰撞概率計(jì)算

各橋墩幾何碰撞概率懸殊顯著：22#墩達(dá) 2.86× 10^-4 ，21#墩為 2.18×10^-4 ，23#墩 6.50×10^-5 ，20#墩 1.39× 10^-6 ，24#墩僅 1.68×10^-8 。這種梯度分布源于空間位置與結(jié)構(gòu)特征的雙重作用。主墩（21#～23#）緊鄰?fù)ê娇字行木€(xiàn)，距航道中線(xiàn)普遍 ?30m ，船舶偏航后緩沖距離不足，短距內(nèi)即可能觸及橋墩。其墩身尺寸龐大，截面寬度達(dá) 7.0m ，船舶航跡交匯的物理概率相應(yīng)增加。反觀(guān)過(guò)渡墩（20#、24#），距航道中線(xiàn) ? 50m ，船舶需更大幅度偏航方能形成碰撞軌跡，且墩身截面窄小，降低了交匯可能[5]。

通航孔采用雙孔單向設(shè)計(jì)，單個(gè)航道寬度 120m ，主墩恰好處于通航孔內(nèi)側(cè)邊緣，船舶進(jìn)出通航孔時(shí)航線(xiàn)調(diào)整易產(chǎn)生偏航，進(jìn)一步推高碰撞風(fēng)險(xiǎn)。22#墩因位于通航孔下游側(cè)，受下行船舶偏航影響更甚，概率高于21#墩。23#墩雖屬主墩，但距航道中線(xiàn)稍遠(yuǎn)，概率相對(duì)降低，如表1所示。

表1各橋墩幾何碰撞概率及影響因素

Tab.1 Geometriccollisionprobability of piers andinfluencingfactors

2.3 結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)量化

橋墩總失效概率測(cè)算為 1.41×10^-2 ，較L2水準(zhǔn)設(shè)計(jì)值 1×10^-4 高出140倍，風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)嚴(yán)峻。失效概率分布呈現(xiàn)高度集中特征，3座主墩合計(jì)占比達(dá) 98.7% ，其中22#墩單墩失效概率 7.00×10^-3 ，成為風(fēng)險(xiǎn)防控的核心對(duì)象。從船舶噸位維度分析， 3000～5000t 級(jí)船舶貢獻(xiàn) 62% 的失效風(fēng)險(xiǎn)，此區(qū)間船舶撞擊力多處于 30～50MN ，與主墩現(xiàn)狀抗撞力36.72MN接近，極易突破結(jié)構(gòu)承載極限[。 5000t 級(jí)以上船舶因通航頻率較低，風(fēng)險(xiǎn)占比 18%3000t 級(jí)以下船舶撞擊力不足20MN，風(fēng)險(xiǎn)占比僅 20% ，如表2所示。

抗撞性能量化對(duì)比顯示，主墩現(xiàn)狀抗撞力較L2水準(zhǔn)要求的48.30MN存在 24.0% 缺口，這種差距源于兩方面：一是早期設(shè)計(jì)未充分預(yù)判船舶噸位增長(zhǎng)趨勢(shì)，抗撞力基準(zhǔn)值偏低。二是服役過(guò)程中混凝王強(qiáng)度自然衰減，實(shí)際承載能力較初始設(shè)計(jì)值下降約 5% 。這種風(fēng)險(xiǎn)分布與性能缺口的量化結(jié)果，為后續(xù)防撞設(shè)施的針對(duì)性設(shè)計(jì)提供了明確閾值依據(jù)[]

表2不同噸位船舶失效風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)占比Tab.2_Contribution percentageoffailureriskbyship tonnage

3 防撞設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 防撞方案比選

防撞方案比選需立足防撞效能、耐久性與經(jīng)濟(jì)性三維維度，結(jié)合橋梁所處通航環(huán)境與結(jié)構(gòu)特征綜合研判。全鋼質(zhì)設(shè)施以Q235鋼材為主體，通過(guò)加勁肋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，撞擊力消減幅度維持在 20% ～25% 。但其金屬特性導(dǎo)致易受水環(huán)境侵蝕，橋墩所處水域年平均濕度 79% ，水位變動(dòng)區(qū)間 3.2～4.2m ，鋼材銹蝕速率加快，每5年需進(jìn)行一次除銹與防腐涂裝，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性欠佳。

全復(fù)合材料設(shè)施采用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂為核心材料，憑借非金屬特性實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的耐腐蝕性，無(wú)需頻繁防腐維護(hù)。但其抗沖擊性能偏弱，受撞后材料易發(fā)生脆性斷裂， 1000t 級(jí)船舶以 4.09m/s 速度撞擊時(shí)，設(shè)施碎裂概率達(dá) 35% ，可能引發(fā)船舶二次撞擊橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。材料力學(xué)性能隨服役時(shí)間衰減明顯，使用壽命受限，難以適配橋梁長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)需求[9]。

鋼-復(fù)合材料組合設(shè)施采取分層設(shè)計(jì)策略，內(nèi)層采用Q235鋼殼（壁厚 20mm 提供承載骨架，外層包覆玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料抵御腐蝕，中間層設(shè)置橡膠阻尼元件（硬度60ShoreA）吸收撞擊能量，三重結(jié)構(gòu)協(xié)同作用使撞擊力消減幅度提升至30%～40% 。外層復(fù)合材料使防腐周期延長(zhǎng)至10年，較全鋼質(zhì)設(shè)施減少 50% 維護(hù)頻次。內(nèi)層鋼材保障結(jié)構(gòu)剛度，避免全復(fù)合材料的脆性破壞問(wèn)題[1]。全壽命周期成本較全鋼質(zhì)方案降低 25% ，在防撞效能與經(jīng)濟(jì)性間形成最優(yōu)平衡，適配主墩高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的防護(hù)需求，如表3所示。

表3防撞方案性能對(duì)比表

Tab.3 Anti-collision scheme performance comparison tabl

3.2 新型防撞設(shè)施設(shè)計(jì)

主墩防撞設(shè)施采用浮動(dòng)式柔性鋼套箱設(shè)計(jì)，針對(duì) 30.3～42.5m 水位變幅特點(diǎn)，總高設(shè)定為 6.3m 直徑 3.5m ，通過(guò)三層復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防護(hù)效能疊加。內(nèi)層選用Q235鋼殼，壁厚 20mm ，憑借其 235MPa 屈服強(qiáng)度形成承載骨架，抵御船舶撞擊的瞬時(shí)沖擊力[11]。中層包覆玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度 ≥250MPa ，彎曲強(qiáng)度 ≥250MPa ，可隔絕水體侵蝕，解決鋼材易銹蝕難題，適應(yīng)橋區(qū)年平均濕度79% 的高濕環(huán)境。外層布設(shè)橡膠阻尼元件，硬度60ShoreA，通過(guò)塑性變形吸收撞擊能量，延長(zhǎng)力的作用時(shí)間。

套箱與橋墩間設(shè)置導(dǎo)向架連接，導(dǎo)向間隙控制在 50mm 內(nèi)，允許豎向位移 ±1.5m ，確保高水位 （42.5m ））時(shí)覆蓋墩身水面以上 2m 撞擊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，低水位 （30.3m） 1時(shí)仍能防護(hù)水面附近關(guān)鍵截面。這種設(shè)計(jì)既延續(xù)了鋼覆復(fù)合材料的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，又通過(guò)柔性連接規(guī)避了水位驟變對(duì)結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力[12]。

過(guò)渡墩防撞設(shè)施采用 1.8m 直徑獨(dú)立防撞墩，樁基礎(chǔ)為4根 Φ1.8m 鋼管混凝土樁，鋼管壁厚 24mm 內(nèi)填C30混凝土（軸心抗壓強(qiáng)度 30MPa ），樁底嵌入巖層1倍樁徑（ 1.8m ，形成端承受力體系，抗拔承載力達(dá) 8000kN. 墩身迎撞面設(shè)計(jì)為半圓形，曲率半徑 1.15m ，與船舶舷側(cè)弧度適配，可通過(guò)接觸面切線(xiàn)分力撥轉(zhuǎn)航向，減少正撞概率[13]。

結(jié)構(gòu)整體阻水面積控制在 23m² ，較矩形截面減少 40% ，避免航道壅水。墩身鋼筋采用 Φ32mm HRB400級(jí)，間距 10cm ，凈保護(hù)層 4.5cm ，兼顧抗裂與耐久性。這種獨(dú)立式設(shè)計(jì)借鑒了分離式防撞理念，通過(guò)犧牲防撞墩自身變形保護(hù)主體橋墩，與主墩防護(hù)形成梯度防控體系，如圖1所示。

3.3 防護(hù)效果驗(yàn)證

防護(hù)效果驗(yàn)證依托LS-DYNA有限元平臺(tái)開(kāi)展，通過(guò)精細(xì)化建模復(fù)現(xiàn)船舶撞擊全過(guò)程，模型構(gòu)建嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)實(shí)際參數(shù)與材料特性，模擬碰撞界面力傳遞特性[14]

圖1獨(dú)立防撞墩與舊橋墩平立面對(duì)比圖Fig.1Comparisonof the independentanti-collisionpierandtheoldpier‘sverticalplane

3.3.1 針對(duì)主墩防護(hù)效果

選取5000t級(jí)船舶（排水量 _11333t） 以 5.69m/s 速度正撞工況。無(wú)防撞設(shè)施時(shí)，撞擊力峰值達(dá) 55.8MN 。加裝鋼-復(fù)合材料套箱后，外層阻尼元件率先形變吸能，中層復(fù)合材料夾層逐步傳遞力流，內(nèi)層鋼殼最終承載，撞擊力峰值降至39.0MN，消減 30.1% 。撞擊時(shí)間從0.8s延長(zhǎng)至1.5s，能量吸收效率提升87.5% ，力時(shí)程曲線(xiàn)峰值后延且波動(dòng)平緩，表明設(shè)施通過(guò)多級(jí)形變實(shí)現(xiàn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化[15]。

3.3.2 過(guò)渡墩驗(yàn)證選取

1000t 級(jí)船舶（排水量 1210t） 以 4.09m/s 速度撞擊工況。無(wú)設(shè)施時(shí)撞擊力 10.39MN ，加裝獨(dú)立防撞墩后降至8.64MN，消減 16.8% 。防撞墩最大位移0.39m ，出現(xiàn)在撞擊后 0.8s_?0 樁基最大應(yīng)力 272MPa 低于Q235鋼 345MPa 的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，未發(fā)生塑性破壞。墩身截面抗彎驗(yàn)算顯示，等效屈服彎矩富余度達(dá) 45.7% ，抗剪承載力富余度144% ，滿(mǎn)足JX1性能指標(biāo)中結(jié)構(gòu)保持彈性的要求。

3.3.3 綜合驗(yàn)證結(jié)果

主墩防撞設(shè)施使有效抗撞力提升至 53.00MN 超過(guò)L2水準(zhǔn)要求的 48.30MN. 過(guò)渡墩抗撞力達(dá)10.00MN ，較現(xiàn)狀 10.44MN 略有降低但余量充足。兩種設(shè)施變形量均控制在 0.4m 內(nèi)，未侵人通航凈空，對(duì)航道影響可控。這種“峰值消減 + 時(shí)間延長(zhǎng) + 結(jié)構(gòu)彈性\"的協(xié)同效應(yīng)，證實(shí)鋼-復(fù)合材料組合設(shè)計(jì)能有效彌補(bǔ)主墩抗撞性能缺口，獨(dú)立防撞墩可滿(mǎn)足過(guò)渡墩防護(hù)需求，形成分級(jí)防控體系[16]。

4結(jié)語(yǔ)

某大橋主墩船撞風(fēng)險(xiǎn)突出，總失效概率達(dá) 1.41× 10^-2"遠(yuǎn)超L2水準(zhǔn)， 3000～5000t 級(jí)船舶貢獻(xiàn) 62% 風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋼-復(fù)合材料組合防撞設(shè)施，使主墩撞擊力消減 30.1% ，抗撞力提升至 53.00MN ，滿(mǎn)足L2水準(zhǔn)。過(guò)渡墩獨(dú)立防撞墩消減撞擊力 16.8% ，結(jié)構(gòu)保持彈性。兩種設(shè)施形成分級(jí)防控體系，變形與應(yīng)力可控，對(duì)航道影響輕微。

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（本欄目責(zé)任編輯：張玉平）