水上大橋船撞風險分析與防撞設施優化設計

中圖分類號：U445.7+2；TQ342+.792 文獻標志碼：A文章編號：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，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境變化的適配短板。某跨河大橋作為區域關鍵通道，主墩船撞失效概率超標140倍， 3000～5000t 級船舶構成主要威脅，現狀抗撞性能缺口顯著。早期設計未充分預判船舶噸位增長趨勢，服役后結構性能自然衰減進一步加劇風險。在此背景下，通過精準量化風險、創新防撞設施設計，構建科學防控體系，不僅可填補該橋安全短板，更能為同類橋梁提供風險防控范式，對保障交通網絡持續穩定運營具有重要實踐意義。

1 工程概況

1.1 橋梁結構參數

某水上大橋2015年建成通車，總長 1638.24m 主橋采用 79m+2×145m+95m 預應力混凝土變截面懸澆連續剛構，結構整體剛度沿跨徑呈漸變分布，適應通航孔大跨度需求1。睦洲岸引橋為 16×20m 預應力混凝土簡支空心板與 4×30m 連續T梁組合，大鰲島引橋為 4×30m 連續T梁與 31×20m 簡支空心板，引橋結構兼顧經濟性與受力合理性。通航孔按內河I級航道標準設計，采用雙孔單向通航布置，凈寬 130m 、上底寬 96m 、凈高 22m 、側高 8m ，設計最高通航水位 4.2m 主橋橋墩為變截面薄壁墩，承臺采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑 2.5m ，樁長嵌人巖層?8m ，確保豎向承載與水平抗推穩定性。

1.2 通航環境特征

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

1.3 橋墩暴露性評估

20#～24#墩處于船舶可達區域，為風險評估核心對象，不同水位下橋墩暴露性差異顯著。洪水期（水位 4.2m 時，21#～23#主墩可受 10 000t 級船舶撞擊，20#過渡墩可受5000t級船舶撞擊，24#過渡墩僅受3000t級以下船舶影響3]。中水期（水位 3.8m ））時，21#～23#主墩仍暴露于10000t級船舶風險， 20# 過渡墩僅承受3000t級以下船舶作用，24#墩無撞擊風險。枯水期（水位 3.2m， 時，21#～23#主墩受 5000t 級以下船舶撞擊，20#過渡墩僅受1000t級以下船舶影響。

2 船撞風險分析

2.1 風險評估模型構建

多折線航道模型用于刻畫航道曲線形態，操作中先建立整體坐標系X-O-Y定位航道、障礙物及橋墩空間位置，再依航道走勢劃分折線段，各段內設置局部坐標系 X_i-O_i-Y_i ，以此簡化不同航段的碰撞概率測算。船舶偏航角限定在 [-π/2，π/2] 區間，此范圍內需通過積分偏航角概率密度函數獲取幾何碰撞概率[4]。

2.2 碰撞概率計算

各橋墩幾何碰撞概率懸殊顯著：22#墩達 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構特征的雙重作用。主墩（21#～23#）緊鄰通航孔中心線，距航道中線普遍 ?30m ，船舶偏航后緩沖距離不足，短距內即可能觸及橋墩。其墩身尺寸龐大，截面寬度達 7.0m ，船舶航跡交匯的物理概率相應增加。反觀過渡墩（20#、24#），距航道中線 ? 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計，單個航道寬度 120m ，主墩恰好處于通航孔內側邊緣，船舶進出通航孔時航線調整易產生偏航，進一步推高碰撞風險。22#墩因位于通航孔下游側，受下行船舶偏航影響更甚，概率高于21#墩。23#墩雖屬主墩，但距航道中線稍遠，概率相對降低，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 結構失效風險量化

橋墩總失效概率測算為 1.41×10^-2 ，較L2水準設計值 1×10^-4 高出140倍，風險態勢嚴峻。失效概率分布呈現高度集中特征，3座主墩合計占比達 98.7% ，其中22#墩單墩失效概率 7.00×10^-3 ，成為風險防控的核心對象。從船舶噸位維度分析， 3000～5000t 級船舶貢獻 62% 的失效風險，此區間船舶撞擊力多處于 30～50MN ，與主墩現狀抗撞力36.72MN接近，極易突破結構承載極限[。 5000t 級以上船舶因通航頻率較低，風險占比 18%3000t 級以下船舶撞擊力不足20MN，風險占比僅 20% ，如表2所示。

抗撞性能量化對比顯示，主墩現狀抗撞力較L2水準要求的48.30MN存在 24.0% 缺口，這種差距源于兩方面：一是早期設計未充分預判船舶噸位增長趨勢，抗撞力基準值偏低。二是服役過程中混凝王強度自然衰減，實際承載能力較初始設計值下降約 5% 。這種風險分布與性能缺口的量化結果，為后續防撞設施的針對性設計提供了明確閾值依據[]

表2不同噸位船舶失效風險貢獻占比Tab.2_Contribution percentageoffailureriskbyship tonnage

3 防撞設施優化設計

3.1 防撞方案比選

防撞方案比選需立足防撞效能、耐久性與經濟性三維維度，結合橋梁所處通航環境與結構特征綜合研判。全鋼質設施以Q235鋼材為主體，通過加勁肋增強結構剛度，撞擊力消減幅度維持在 20% ～25% 。但其金屬特性導致易受水環境侵蝕，橋墩所處水域年平均濕度 79% ，水位變動區間 3.2～4.2m ，鋼材銹蝕速率加快，每5年需進行一次除銹與防腐涂裝，長期經濟性欠佳。

全復合材料設施采用玻璃纖維增強樹脂為核心材料，憑借非金屬特性實現優良的耐腐蝕性，無需頻繁防腐維護。但其抗沖擊性能偏弱，受撞后材料易發生脆性斷裂， 1000t 級船舶以 4.09m/s 速度撞擊時，設施碎裂概率達 35% ，可能引發船舶二次撞擊橋墩的風險。材料力學性能隨服役時間衰減明顯，使用壽命受限，難以適配橋梁長期運營需求[9]。

鋼-復合材料組合設施采取分層設計策略，內層采用Q235鋼殼（壁厚 20mm 提供承載骨架，外層包覆玻璃纖維增強樹脂復合材料抵御腐蝕，中間層設置橡膠阻尼元件（硬度60ShoreA）吸收撞擊能量，三重結構協同作用使撞擊力消減幅度提升至30%～40% 。外層復合材料使防腐周期延長至10年，較全鋼質設施減少 50% 維護頻次。內層鋼材保障結構剛度，避免全復合材料的脆性破壞問題[1]。全壽命周期成本較全鋼質方案降低 25% ，在防撞效能與經濟性間形成最優平衡，適配主墩高風險區域的防護需求，如表3所示。

表3防撞方案性能對比表

Tab.3 Anti-collision scheme performance comparison tabl

3.2 新型防撞設施設計

主墩防撞設施采用浮動式柔性鋼套箱設計，針對 30.3～42.5m 水位變幅特點，總高設定為 6.3m 直徑 3.5m ，通過三層復合結構實現防護效能疊加。內層選用Q235鋼殼，壁厚 20mm ，憑借其 235MPa 屈服強度形成承載骨架，抵御船舶撞擊的瞬時沖擊力[11]。中層包覆玻璃纖維增強樹脂復合材料，拉伸強度 ≥250MPa ，彎曲強度 ≥250MPa ，可隔絕水體侵蝕，解決鋼材易銹蝕難題，適應橋區年平均濕度79% 的高濕環境。外層布設橡膠阻尼元件，硬度60ShoreA，通過塑性變形吸收撞擊能量，延長力的作用時間。

套箱與橋墩間設置導向架連接，導向間隙控制在 50mm 內，允許豎向位移 ±1.5m ，確保高水位 （42.5m ））時覆蓋墩身水面以上 2m 撞擊風險區，低水位 （30.3m） 1時仍能防護水面附近關鍵截面。這種設計既延續了鋼覆復合材料的協同優勢，又通過柔性連接規避了水位驟變對結構的附加應力[12]。

過渡墩防撞設施采用 1.8m 直徑獨立防撞墩，樁基礎為4根 Φ1.8m 鋼管混凝土樁，鋼管壁厚 24mm 內填C30混凝土（軸心抗壓強度 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 8000kN. 墩身迎撞面設計為半圓形，曲率半徑 1.15m ，與船舶舷側弧度適配，可通過接觸面切線分力撥轉航向，減少正撞概率[13]。

結構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，間距 10cm ，凈保護層 4.5cm ，兼顧抗裂與耐久性。這種獨立式設計借鑒了分離式防撞理念，通過犧牲防撞墩自身變形保護主體橋墩，與主墩防護形成梯度防控體系，如圖1所示。

3.3 防護效果驗證

防護效果驗證依托LS-DYNA有限元平臺開展，通過精細化建模復現船舶撞擊全過程，模型構建嚴格遵循結構實際參數與材料特性，模擬碰撞界面力傳遞特性[14]

圖1獨立防撞墩與舊橋墩平立面對比圖Fig.1Comparisonof the independentanti-collisionpierandtheoldpier‘sverticalplane

3.3.1 針對主墩防護效果

選取5000t級船舶（排水量 _11333t） 以 5.69m/s 速度正撞工況。無防撞設施時，撞擊力峰值達 55.8MN 。加裝鋼-復合材料套箱后，外層阻尼元件率先形變吸能，中層復合材料夾層逐步傳遞力流，內層鋼殼最終承載，撞擊力峰值降至39.0MN，消減 30.1% 。撞擊時間從0.8s延長至1.5s，能量吸收效率提升87.5% ，力時程曲線峰值后延且波動平緩，表明設施通過多級形變實現動能轉化[15]。

3.3.2 過渡墩驗證選取

1000t 級船舶（排水量 1210t） 以 4.09m/s 速度撞擊工況。無設施時撞擊力 10.39MN ，加裝獨立防撞墩后降至8.64MN，消減 16.8% 。防撞墩最大位移0.39m ，出現在撞擊后 0.8s_?0 樁基最大應力 272MPa 低于Q235鋼 345MPa 的屈服強度，結構處于彈性階段，未發生塑性破壞。墩身截面抗彎驗算顯示，等效屈服彎矩富余度達 45.7% ，抗剪承載力富余度144% ，滿足JX1性能指標中結構保持彈性的要求。

3.3.3 綜合驗證結果

主墩防撞設施使有效抗撞力提升至 53.00MN 超過L2水準要求的 48.30MN. 過渡墩抗撞力達10.00MN ，較現狀 10.44MN 略有降低但余量充足。兩種設施變形量均控制在 0.4m 內，未侵人通航凈空，對航道影響可控。這種“峰值消減 + 時間延長 + 結構彈性\"的協同效應，證實鋼-復合材料組合設計能有效彌補主墩抗撞性能缺口，獨立防撞墩可滿足過渡墩防護需求，形成分級防控體系[16]。

4結語

某大橋主墩船撞風險突出，總失效概率達 1.41× 10^-2"遠超L2水準， 3000～5000t 級船舶貢獻 62% 風險。優化設計的鋼-復合材料組合防撞設施，使主墩撞擊力消減 30.1% ，抗撞力提升至 53.00MN ，滿足L2水準。過渡墩獨立防撞墩消減撞擊力 16.8% ，結構保持彈性。兩種設施形成分級防控體系，變形與應力可控，對航道影響輕微。

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（本欄目責任編輯：張玉平）