船桥碰撞问题的几点冲击动力学讨论

船桥碰撞的动力分析1船桥碰撞问题的研究现状随着世界经济的不断发展，船舶碰撞桥梁的事故时有发生。

据统计资料显示，美国在1970～1974年间，内河上共发生了811起船撞桥事故。

美国的阳光大桥、澳大利亚的塔斯曼大桥等都是在被船撞塌后重建的。

在我国，船撞桥事故也是频繁发生。

武汉长江大桥自从1957年建成以来发生了70余起船撞桥事故，其中直接经济损失超过百万元的事故就超过10起。

南京长江大桥自建桥至今已发生了约30起船撞桥事故。

重庆白沙沱大桥被船撞已达上百次之多。

东海大桥在施工期间基础就曾遭受船撞而断裂。

据不完全统计，仅发生在我国长江、珠江、黑龙江三大水系干线上的船撞桥事故就达到300起以上。

东海大桥在施工期间基础就曾遭受船撞而断裂，2007年广东九江大桥引桥被驳船撞塌是最近较为严重的事故。

严重的船撞桥事故除了引起人员伤亡和巨大的直接经济损失外，还可能阻断交通线而带来难以估量的间接经济损失和社会影响。

然而随着金融危机的爆发，国家为扩大内需更是投入了四万亿的资金，全国掀起了路桥建设的高潮。

与此同时，重大桥梁工程受船撞的威胁越来越受到关注。

这些跨江跨海的大型桥梁都具有通航密度大，下水桥墩数量多的特点，存在着较大的受船舶撞击的风险。

因此，桥梁船撞设计已成为跨通航流域桥梁的设计中不可缺少的一部分。

船撞桥分析的系统研究始于1978年。

此后美国和国际桥梁与结构工程协会等许多国家和专业学科组织通过一系列研究和举行学术研讨会取得了丰硕成果，加深了对船撞桥风险、机理、设计和防撞等方面的认识，并以设计指南、规范和专题报告、论文等形式总结了相关研究成果。

1991年，美国道路工程师协会（AASHTO）编写了美国的《公路桥梁船撞设计指南》[1]，专门针对美国的内河桥梁提出了基于风险的船撞设计技术标准和设计方法，内容涵盖了设计船舶的确定、碰撞概率分析、碰撞力的计算、船舶破损长度的计算、防撞保护系统设计等。

1994年，该指南的核心条款又写入了美国《公路桥梁设计规范》[2]。

船桥碰撞过程引发的冲击动力学论题王礼立;陈国虞;杨黎明【摘要】对船桥撞击过程引发的几个冲击动力学论题进行了分析。

研究表明：①为降低船撞力，应采用柔性（低的结构动态广义波阻抗）防撞装置；②撞击力所做的功，通过应力波传播转化为内能（变形能）与动能之和；而变形能中的不可逆部分愈高，防撞装置发挥的整体作用愈大，则愈有利于防撞装置发挥缓冲耗能作用。

并且如何让船舶尽早结束撞击并带走尽量多的剩余动能，应是防撞装置设计的关键点；③黏性耗能可缓冲撞击过程、延长撞击历时，有利于防撞装置发挥整体作用，进而为船舶在低应力下转向滑离、从而带走尽可能多的剩余动能创造条件。

因此，船撞桥防护装置的设计应该建立在如下的科学设计理念上：ⅰ低波阻抗意义上的冲击柔性，ⅱ缓冲撞击过程意义上的粘性耗能，ⅲ防撞装置能及早发挥整体作用，化撞击集中力为分布载荷，以及ⅳ让船尽早滑离而带走尽量多的剩余动能。

以钢丝绳防撞圈为主要元件的柔性耗能防撞装置是这一防撞理念的工程应用实例，其有效性已为工程实践和实船撞击试验证实。

%Some impact dynamics topics motivated by ship-bridge collision processes were analyzed here.It was shown that (1 ) in order to reduce the impact force,a flexible crashworthy device with a low structural dynamic generalized wave impedance should be applied;(2)the work done by the impact force is converted via wave propagation into the internal energy (deformation energy)and kinetic energy;the larger the irreversible part of the former,the greater the overall role played by the crashworthy device,the better the buffer role played by the crashworthy device;moreover, how to make the ship as soon as possible end the collision and carry away as much as possible theremaining kinetic energy should be a key point;(3)viscous dissipation of energy can buffer the collision process,prolong the dissipation duration, help the crashworthy device to play an overall role,and create a condition for ship to end the collision;thus,the scientific design idea of a crashworthy device should be based on (i)impact flexibility with a low structural wave impedance,(ii) viscous dissipation of energy to buffer collision process,(iii )the crashworthy device to play an integral role as soon as possible to change the concentrated impact force into weaker distributed loads,and (iv)to make the ship turn away as soon as possible and take away the remaining kinetic energy as much as possible.As an engineering application example, such a design idea was reflected in a new flexible crashworthy device consisting of hundreds of steel-wire-rope coils.Its effectiveness was verified with engineering practices and real ship collision tests.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】9页(P14-22)【关键词】船桥碰撞;冲击动力学;冲击力;能量转换;动态响应【作者】王礼立;陈国虞;杨黎明【作者单位】宁波大学机械工程和力学学院，浙江宁波 315211;上海海洋钢结构研究所，上海 201204;宁波大学机械工程和力学学院，浙江宁波 315211【正文语种】中文【中图分类】U442第一作者王礼立男，教授，博士生导师，1934年生Impact dynamics topics motivated by ship-bridge collision processKey words:ship-bridge collision; impact dynamics; impact force; energy conversion; dynami c response船桥相撞的危害性已经人所共知。

收稿日期232作者简介范彬(2),助教,江苏科技大学研究生,专业方向海洋工程;2f f 63@。

第25卷　第3期2007年6月石河子大学学报(自然科学版)Journal of Shihezi University (Natural S cience )V ol.25　N o.3Jun.2007文章编号:100727383(2007)0320357204船桥碰撞中桥梁的力学机理及损伤分析范　彬,何栋梁,成彦惠(湖南城市学院,湖南益阳413000)摘要:船桥碰撞事故时,船舷对桥墩的冲击力以及由此引起桥墩、墩柱和桩基的动态变形,可以通过大型非线性动态响应分析程序MSC 2D ytran 有限元数值仿真全程再现。

以一艘4万t 载重量球鼻船艏与某长江大桥桥梁碰撞为例,演示了数值仿真计算的过程,获得并分析了船桥碰撞力、能量转换以及桩基、承台和塔柱的冲击响应的一般规律和特点,可为桥梁设计、维护和损伤评估等提供理论依据。

关键词:船舶;桥梁;碰撞;非线性有限元仿真;结构损伤中图分类号:U661.4 文献标识码:A 目前,国内外有许多经验公式和简化数值方法预报船撞力,但有关在船舶撞击下钢筋混凝上结构的桩基、承台和上部墩柱结构被撞击时动态响应的研究很少,而这对于桥梁的安全具有更直接的意义。

20世纪90年代后期,渐趋成熟的动态非线性有限元技术和计算机硬件的发展,使得这一涉及船艏钢结构动塑性崩溃与钢筋混凝上结构动态响应的问题,可以通过计算机数值方法加以分析。

E Lehm ann [1]利用LS 2DY NA 程序对球鼻艏撞击桥墩过程进行了模拟,计算中船艏结构的有限元模型由壳单元组成,桥墩被假定为刚体,利用考珀和西蒙兹准则考虑应变速率的影响。

由于计算中没有考虑船体质量和水动力效应,因此缺少其外部动力学的研究,只限于内部动力学。

本文探讨利用非线性有限元技术如何实现船舶与桥梁碰撞过程的数值仿真,并对碰撞中的碰撞力、碰撞能量转化、撞击船与桥墩的结构变形及结构损伤进行描述和力学机理分析,进而研究碰撞现象内在的规律性。

对桥区通航水域防范发生船舶碰撞桥梁事故的几点思考作者：罗中军涂鹏来源：《珠江水运》2011年第06期摘要：由于船舶撞塌桥梁事故给社会和谐与经济发展带来严重影响，引起全社会的高度关注。

如何防止船舶碰撞桥梁事故发生的研究，已成为政府部门、桥梁业主和水上交通主管部门等相关单位亟需认真研究解决的重要课题。

关键词：桥梁船舶事故碰撞防止随着国内经济的迅速发展，交通基础设施建设，特别是公路、铁路建设呈现出日新月异的变化，“一桥飞架南北”连通了江河两岸，桥梁在公路和铁路建设中起到非常关键的作用，但随着桥梁的增多，桥区通航水域船舶的航行安全也受到了很大影响。

近几年，通航水域航行船舶碰撞桥梁甚至致使桥梁倒塌的严重事故时有发生。

笔者为此就防止船舶碰撞桥梁事故的发生进行了一些分析和思考。

1. 对桥梁事故的初步分析桥梁事故可以从事故的基本原因、事故发生的阶段、事故的严重程度等多方面进行分类。

分类的基本目的是便于统计和研究事故发生的规律。

从事故学的角度看，任何事故的发生都是一个链式反应，是一个多因素共同作用的结果，但其中总有一个首要因素。

从桥梁事故发生的首要责任者的角度，可以形成对桥梁事故的基本分类，包括：设计、施工、维护、材料和外力作用等原因。

其中外力作用致使桥梁倒塌是首要原因。

下图是根据前述对桥梁事故基本原因进行分析的示意图。

可见，外部因素引起的事故约占总数60%；设计、维护、材料原因引起的事故均未超过5%。

总体看来，设计施工、维护、材料等原因都可归咎为桥梁结构及其相关系统内引起的，可通过桥梁结构系统内部优化得到控制，而对于外部等其他原因引发的事故，往往只能由桥梁结构被动适应，且控制难度较大，所以外部原因是我们本次研究的主体。

下面我们又对事故的基本原因进行统计分析。

由上表可见，国内船舶碰撞桥梁占桥梁事故原因16.5%，国外船舶碰撞桥梁占事故原因43.1%。

无论是国内还是国外，船舶碰撞桥梁都是事故的最主要原因，可见船舶碰撞桥梁是桥梁事故的主要类型。

碰撞防护及其影响因素研究——以船桥碰撞为例刘语涵【摘要】随着我国经济和交通业的发展,跨港区以及通航江河大型桥梁也大量增加。

同时船舶吨位、航速以及经过航道的船舶艘次快速发展和增加,受人为因素和外界环境因素的影响,船舶撞击桥梁事故频发且次数不断增长。

本文以船舶与桥梁的碰撞为例,首先对碰撞防撞设施的分类做了简介,重点分析了影响碰撞防护的相关因素,具体从撞击位置、撞击速度、增强防护装置质量、船舶刚度上的变化对防护装置的影响做了分析研究。

【期刊名称】《科学家》【年(卷),期】2017(005)003【总页数】2页(P33-34)【关键词】碰撞防护;影响;研究【作者】刘语涵【作者单位】山东省实验中学,山东济南250001【正文语种】中文【中图分类】U4对于发展中国家而言，交通运输行业的发展能有效促进一个国家的社会发展和经济增长，对国家有着巨大的影响力。

目前，世界已建设了越来越多的通航江河和跨越港区的大型桥梁，航行速度、船舶吨位以及船舶经过航道的艘次也在不断增多。

与此同时，受人为因素和外界环境因素的影响，容易造成船舶与桥梁的撞击，从而导致灾难性事故的发生。

当前，世界研究者已对碰撞防护方面的研究引起了重视，据有关统计，1960年到1993年这33年，全球因驳船或者船舶碰撞引起大型桥梁倒塌的就有26起，总体死亡人数高达321人。

就以我国长江大桥为例，根据相关部门的统计，自1957年武汉长江大桥建立以来，截至到2016年这60年中，船舶撞桥事故已高达73次，1994年武汉长江大桥仅10月就被撞击了4次。

截至2016年，我国比较严重的碰撞是2007年6月15日发生在广东九江大桥的事故，一艘采砂船与大桥桥墩相撞，导致九江大桥200m左右的桥面出现坍塌，死亡人数9人。

发生船舶碰撞事故不仅给国家经济带来了严重损失，还给人员造成了伤亡，这些都是无法估量的。

20世纪80年代日本学者岩井聪在对防撞设施做出了相对系统的分类法。

在碰撞的过程中，以碰撞力作用面来进行定义，将防护设施分为直接构造和间接构造，直接构造是直接将碰撞力作用在桥上，相反的则是间接构造，具体分类如图1所示。

船桥碰撞问题的研究摘要：简要介绍目前船桥碰撞理论的研究方法，对现阶段研究方法进行了分析，论述现有方法的优点和局限，并指出完善和丰富船桥碰撞的理论和设计方法所需要进一步开展的研究方向。

关键词：船桥碰撞；能量法；经验公式法Abstract: this article briefly introduces the ship collision theory research method of the bridge, the present study methods analysis, this paper discusses the advantages and limitations of existing methods, and points out that the perfect and rich ships of the collision of the bridge and the design methods of theory to study direction of further development.Key words: the ship collision bridge; The energy method; Experience formula method1 概述船桥碰撞事故一般都是船舶直接撞击桥墩，从而引起桥梁整体性能降低，引发桥梁坍塌等破坏现象，桥墩的抗力性能直接影响桥梁整体反应效应，船桥碰撞中桥墩动力响应的研究是不可避免的，也是后续研究工作的基础。

但是，目前对船桥碰撞理论研究不够，一方面在理论分析大多数基于传统碰撞理论，对船桥碰撞的力学模型研究不能反映实际情况（如未考虑桥墩柔度、摩擦和偏心碰撞等），另一方面，现行各国规范的设计标准并不统一，其计算出来的结果差异性较大。

因此，深入开展船桥碰撞理论方面的研究，对减少船桥碰撞事故以及引发的严重后果具有重要的理论和现实意义。

鹅公岩长江大桥船撞风险分析何佳;张雪松;段鋆【摘要】该文针对目前经常发生的船撞桥事故,依托重庆鹅公岩长江大桥并根据模型水工试验统计各种计算参数,采用目前国际上应用较多的AASHTO规范方法计算鹅公岩大桥在2010年、2020年和2050年的年碰撞概率和年倒塌概率.由计算出的年碰撞风险概率来评估鹅公岩大桥各桥墩在不同年份下的风险等级,根据各墩所处的风险等级采取相对应的防撞措施来降低大桥运营期间遭受的碰撞风险.【期刊名称】《重庆建筑》【年(卷),期】2017(016)012【总页数】5页(P37-41)【关键词】鹅公岩;船撞风险;偏航;倒塌;动能折减;鹅公岩大桥【作者】何佳;张雪松;段鋆【作者单位】重庆市建筑科学研究院,重庆 400016;重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400074;四川藏区高速公路有限责任公司,成都 610047【正文语种】中文【中图分类】U442.5三峡工程分期蓄水至今，随着长江上游河段的水位不断上升，河道过水断面增加，流速减小，船舶通航条件得到较大改善，重庆鹅公岩大桥河段通行的船舶数量逐年递增，船舶的吨位和尺度均朝着大型化发展，船舶运输业在重庆社会经济的比重越来越大。

然而在水运业为经济发展做贡献的同时，近些年来逐渐增加的船撞事故也引起了社会的广泛关注。

船撞事故不但涉及到桥梁结构的安全，影响着通航区船舶和桥面车辆的运营安全，同时也对人的生命财产安全带来了巨大的威胁[1]。

随着水位的升高和船舶通航量的增加，鹅公岩大桥原有的防撞设施已不能满足船撞的基本要求。

为了降低因防撞设施过时给桥梁安全带来的巨大风险，有必要对鹅公岩大桥进行船撞风险评估，并提出新的防撞设施。

鹅公岩长江大桥系主城区快速路系统中的东西主干道的组成部分，路线西起成渝高速公路出口处的九龙坡区大公馆，经谢家湾跨长江，过重庆经济技术开发区，东与渝黔高速公路相连。

全长1428m，主桥全长1022m，引桥长408m。

桥型为三跨连续钢箱梁悬索桥。

船桥碰撞简化动力分析方法：简化动力模型王君杰;卜令涛;孟德巍【摘要】为促进碰撞有限元分析技术在桥梁设计工程中的应用,提出2种可用于船桥碰撞动力分析和进行船桥碰撞动力设计的简化力学模型,即简化强迫振动模型和简化碰撞模型.基于碰撞数值模拟技术获得这2种模型中简化冲击力和简化船首非线性接触刚度.建议3种简化冲击力的数学模型,即简化的半波正弦载荷、修正半波正弦载荷及多段线载荷.建立3 000 DWT,5 000 DWT,10 000 DWT和50 000 DWT散货船的碰撞数值模拟的计算模型,进行不同初始冲击速度下与刚性墙的碰撞计算,根据冲量相等的原则针对上述船舶分别计算得到简化动力载荷模型和简化非线性接触刚度模型中的参数.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2011(020)001【总页数】6页(P70-75)【关键词】船桥碰撞;简化动力分析模型;非线性动力刚度【作者】王君杰;卜令涛;孟德巍【作者单位】同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092【正文语种】中文【中图分类】TB115.1;U442.50 引言在各国现有的桥梁设计规范中，船撞作用均被等效为静力载荷，并通过载荷组合的方式加以考虑.美国的《公路桥梁设计规范》［1］、欧洲规范［2］、我国的《公路桥涵设计通用规范》［3］和《铁路桥涵设计基本规范》［4］等以列表或简化公式的形式给出等效船撞力的确定方法.船桥碰撞是个动态过程，船撞作用对桥梁结构有显著的动力效应.近年来，在大型桥梁的船撞安全评估和设计中，碰撞有限元分析技术逐步得到研究与应用［5-13］，成为可考虑船桥碰撞动力效应的有效方法之一，但将该技术推广至一般桥梁设计时，工程师对其使用则极为困难、甚至不可行.2008年，王君杰等［14］在第18届全国桥梁学术会议上明确提出建立船桥碰撞动力设计理论与方法的建议. 本文提出基于碰撞有限元分析技术建立船桥碰撞简化动力模型的技术思路，针对刚性墙给出简化动力计算模型的实现细节.1 分析模型1.1 基本模型文献［5］在对丹麦大带桥东桥的船撞风险分析中提出船桥碰撞的理想模型，见图1.图1 船桥碰撞的理想模型Fig.1 Ideal model for ship-bridge collision在此基础上，钱铧［6］和 HENDRIX［7］进一步加以研究.欧碧峰［8］提出直接将船舶与刚性墙之间的接触力进行简化，得到撞击力－时间函数F(t)的简化估算公式，其中F为撞击力，t为时间.简化动力分析模型包含简化碰撞模型和简化强迫振动模型，见图2，d为撞深.图2 简化动力分析模型Fig.2 Simplified dynamic analysis model1.2 简化F(t)和F(d)关系的建立方法船桥碰撞简化动力模型的建立，关键是F(d)和F(t)简化关系的建立.影响船桥碰撞事件的因素有很多，如船首的内部结构、船舶的质量和航速、撞击部位和角度、被撞物体的几何和刚度以及流体效应等.这些因素对船桥碰撞的影响都应当进行研究，并通过相应的简化方法加以考虑，比较复杂.船首正撞刚性墙作为基本碰撞场景是个可以接受的选择，其模型见图3.首先建立该基本碰撞场景下F(t)和F(d)的简化关系，主要考虑船舶冲击速度和船舶冲击质量(吨级)这2个主要影响因素.对于等效船撞静力载荷情况，文献［15-16］已提出桥梁几何影响因素的修正方法，还提出碰撞角度的修正方法，见图4.图3 船首正撞刚性墙模型Fig.3 Model of rigid wall for ship-bow collision图4 建立简化动力分析方法的思路Fig.4 Flow chart for simplified dynamic analysis2 船桥碰撞有限元建模2.1 建模与网格划分船舶碰撞桥梁是个非线性碰撞过程，在船首与桥梁发生接触的过程中，船首结构会出现屈曲、压溃等破坏现象，必须合理地模拟船首结构.图5给出4艘船舶的有限元模型.为保持计算精度、提高计算效率，在船首向船体过渡过程中，有限元网格逐渐变粗，4艘船原则上采用四边形单元.图5 船舶有限元模型Fig.5 Finite element models of ships2.2 钢材的本构关系在船桥碰撞过程中，船首部分会出现压溃现象，因此使用变形体材料，而船体部分则采用刚体材料，该处理方法也被其他学者［16］采用.低碳钢材料有着显著的应变率效应，在船桥碰撞计算中，钢材采用 Cowper-Symonds公式考虑应变速率的影响，式中:σd为动态应力;σy0为钢材的首屈强度;为应变速率;C和P为Cowper-Symonds模型应变强化因数，对于软钢，C=40.5，P=5.本文的计算采用LS_DYNA软件完成.3 基本碰撞场景的简化F(t)关系3.1 撞击持续时间和冲量与速度的关系根据4艘代表船舶撞击刚性墙的时程曲线，拟合冲量、有效冲击持续时间与初始冲击速度的关系.根据计算数据，选择幂指数函数拟合冲击的持续时间T，选择线性函数拟合冲量I0，撞击持续时间和冲量与速度的关系见图6.图6 撞击持续时间和冲量与速度的关系Fig.6 Relationship of impact time-impulse and impact time-velocity3.2 冲量相等原则在本文所提出的简化动力载荷模型中，确定参数的基本原则为冲量相等原则，即式中:IM为由简化动力载荷模型计算得到的冲量;I为冲击力时间过程样本在有效碰撞持续时间T内计算得到的冲量.3.3 简化的F(t)关系桥梁船撞时程曲线见图7(以5 000 DWT为例).图7 5 000 DWT桥梁船撞时程曲线Fig.7 Time-history curves of ship-collision for 5 000 DWT ship由于船舶结构以及船舶内部结构的崩溃次序不同，船舶的撞击力随时间具有复杂的变化，但总体呈现单峰曲线的特点.根据这个结果，本文选择既能反映船桥碰撞力时间过程主要特征，又便于工程设计使用的数学函数，作为动力设计的基本载荷模型.3.3.1 半波正弦载荷半波正弦简化公式具有形式简单、参数少的特点，其函数表达式为式中:T为载荷的持续时间;I为时间T内的冲量.半波正弦载荷模型见图8.图8 半波正弦载荷模型Fig.8 Half-wave sine load model3.3.2 修正半波正弦载荷修正半波正弦载荷是在正弦函数基础上建立的模型，将半波正弦简化载荷公式中的幅值替换为时间t的二次函数以调整简化载荷峰值出现的时刻，考虑到冲量相等原则，可得式中:F为撞击力;k为中间参数;b/T和s/T为模型参数.修正半波正弦载荷模型见图9.图9 修正半波正弦载荷模型Fig.9 Improved half-wave sine model3.3.3 分段载荷根据对具体撞击力时程曲线的观察，分段载荷的上升段采用幂函数形式，稳定段和下降段采用直线形式.考虑到冲量相等原则，其函数表达式为式中:T1，T2和T分别为上升段、稳定段和总撞击过程的时间;I1和I2为与T1和T2对应的冲量;β1和β2为中间参数.多段线载荷模型见图10.图10 多段线载荷模型Fig.10 Multi-line load model3.3.4 简化F(t)关系中的统计参数对于本文研究的4艘船舶，式(3)～(5)中各参数的拟合结果见表1.表1 F(t)简化模型中各参数拟合结果Tab.1 Parameters fitting results forF(t)simplified models船型参数3 000 DWT 5 000 DWT 12 000 DWT 50 000DWT T 0.803V0.58 0.612V0.474 1.696V0.222 2.487V0.241 I 4.22×106V7.10×106V 1.74×107V 6.53×107V b/T 0.510 0.482 0.438 0.448 s/T 0.343 0.353 0.376 0.396 α1 0.09 0.18 0.45 0.41 α2 0.85 0.87 0.92 0.89 β1 0.07 0.15 0.39 0.35 β2 0.91 0.92 0.95 0.934 撞击力－船首撞深的简化关系F(t)和d(t)时间过程，见图11(a)和11(b).二者消去变量t，可得撞击力F与船首撞深d之间的关系F(d)，见图11(c).F(d)反映船首结构本身的刚度特征，样本曲线复杂，可将F(d)的样本曲线或经平滑处理后的F(d)曲线直接应用于简化的船桥碰撞模型.但F(d)样本比较复杂，只能以离散值的形式表达，工程应用不便，必须考虑建立简化解析的F(d)关系.通过观察F(d)的样本曲线可知，F(d)的变化总体上可划分为上升阶段和快速下降阶段:在上升阶段伴随比较剧烈的跳跃，这是由于船体内部结构不断破坏产生的，与特定的船体结构有关;在快速下降阶段，属于船舶与刚性墙快速脱离接触阶段，由于船体构件有少量的变形恢复，撞深会有少量的减小，但撞击力快速下降，下降曲线接近于垂直.对于F(d)的上升阶段，可选择幂函数作为其简化的函数形式;对于快速下降阶段，由于对应的撞深变化范围很小，可假定为直线形式.由船首与刚性墙的碰撞模拟计算可得一系列的图11 F(t)，d(t)曲线及简化解析F(d)曲线Fig.11 F(t)，d(t)curve and simplified model curve for F(d)这样，船首非线性接触刚度的简化模型就可表示为式中:F为撞击力;d为撞深;dmax为最大撞深;a，b，c1和c2为模型常数.简化形式应满足能量相等原则，即式中:E为按F(d)样本曲线计算得到的上升阶段耗散的能量;EM为按式(8)计算得到的上升阶段耗散的能量.根据式(9)可得由此得到撞击力－撞深关系的简化形式为式中:F为撞击力，MN;dend为碰撞结束时的船首最终撞深.在简化公式中，参数由对不同初始速度的各工况离散值的最小二乘法拟合得到，见表2.表2 F(d)简化模型中的各参数拟合结果Tab.2 Parameter fitting results forF(d)simplified models船型参数3 000 DWT 5 000 DWT 12 000 DWT 50 000 DWT dmax 0.367V1.5710 0.272V1.5170 0.883V1.2240 1.278V1.2240 E1.988×106V20 3.359×106V20 8.506×106V20 3.123×107V2 0 b 0.164 0.302 0.461 0.456 dend/dmax 0.983 0.984 0.996 0.9925 结束语由船首正撞刚性墙的有限元动力时程分析获得撞击力－撞深关系以及撞击力－时间关系.在简化公式中没有考虑碰撞角度、被撞物刚度和形状等因素影响，如需进一步精确考虑碰撞多种因素的影响，可在本文提出的简化公式基础上通过引入修正函数的形式实现.此外，船舶有限元模型数量有限，进一步的工作可针对同一载重吨级的不同船舶展开，并通过统计或分类的方法给出不同载重吨级船舶的简化公式. 参考文献:【相关文献】［1］American Association of State Highway and Transportation Officials.LRFD bridge design specification［S］.2009.［2］VROUWENVELDER A C W M.Design for ship impact according to Eurocode I:Part2.7:ship collision analysis［M］.London:CRC Press，1998.［3］JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.［4］TB 10002.1—1999 铁路桥涵设计基本规范［S］.［5］GIMSING，N J.East bridge［M］.Koebenhavn:Great Belt Bridge，1998.［6］钱铧.船舶碰撞的简化分析［D］.上海:同济大学，2003.［7］HENDRIX J L.Dynamic analysis techniques for quantifying bridge pier response to barge impact loads［D］.Florida:Univ Florida，2003.［8］欧碧峰.基于微平面模型的桥梁船撞数值模拟与简化动力分析［D］.上海:同济大学，2008. ［9］刘建成，顾永宁.基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真［J］.工程力学，2003，20(5):156-162.LIU Jiancheng，GU Yongning.Simulation of ship-bridge head-on collision based on finite element model of whole ship-bridge［J］.Eng Mech，2003，20(5):156-162.［10］胡志强，顾永宁，高震，等.基于非线性数值模拟的船桥碰撞力快速估算［J］.工程力学，2005，22(3):235-240.HU Zhiqiang，GU Yongning，GAO Zhen，et al.Fast evaluation of ship-bridge collision force based on nonlinear numerical simulation［J］.Eng Mech，2005，22(3):235-240.［11］王君杰，陈诚.桥墩在船舶撞击作用下的损伤仿真研究［J］.工程力学，2007，24(7):156-160.WAND Junjie，CHEN Cheng.Simulation of damage for bridge pier subject to ship impact［J］.Eng Mech，2007，24(7):156-160.［12］王君杰，陈诚，卢永成.上海长江大桥船撞安全性能的数值模拟研究［J］.世界桥梁，2009(S1):78-81.WAND Junjie，CHEN Cheng，LU Yongcheng.Numerical simulation studyof ship collision safety performance of Shanghai Changjiang River Bridge［J］.World Bridges，2009(S1):78-81.［13］CONSOLAZIO G R，COWAN D R.Nonlinear analysis of barge crush behavior and its relationship to impact resistant bridge design［J］.Computers＆ Structures，2003，81(8-11):547-557.［14］王君杰，范立础.建立桥梁船撞动力设计理论与方法的建议［C］//中国土木工程学会桥梁及结构工程分会.第18届全国桥梁学术会议论文集:下册.北京:人民交通出版社，2008:943-949. ［15］陈诚，王君杰，汪宏，等.基于碰撞数值模拟的桥梁等效静力船撞力—修正系数［J］.公路交通技术，2009(3):74-82.CHEN Cheng，WANG Junjie，WANG Hong，et al.Equivalent static ship impact to bridge based on numerical simulation for collision-correction coefficient ［J］.Technol Highway ＆ Transport，2009(3):74-82.［16］陈诚.桥梁设计船撞力及损伤状态仿真研究［D］.上海:同济大学，2006.。

第8章 砰击、冲荡和弹振8.1 引论在高速船的结构设计中，砰击（水力冲击）是很重要的。

而且，砰击往往是让船长决定减速的重要因素，也是计算运行限制的重要因素。

一条常用的衡准是：如果在经过船的100个波浪中，砰击发生超过3次，那么船长会主动减速。

砰击的概率是是通过对砰击发生时的相对冲击速度，设定阈值而得到的。

在谈到这么一个阈值速度时，时常会有一些误解。

砰击作为一个物理过程是没有阈值的。

而且，传统的定义阈值速度的方法，也不能反应结构形状的影响。

例如，对于一条首部形线比较修长的高速艇来讲，传统方法认为，砰击会在船首发生，但事实上这不是个问题。

为了提出更好的判定规则，对高速船的湿甲板及典型的船舶结构砰击，进行理论模型及水池试验研究是必要的。

这也是发展合理的衡准，用以判定由砰击引起的运行限制的需要。

这样产生的衡准，应该和结构设计中的砰击载荷联系起来，或者更理想地和砰击引起引起的结构响应联系起来。

湿甲板砰击对于多船体是重要的。

湿甲板是连接多体船相邻侧体间的横向结构的最低部分。

湿甲板的横向剖面是楔形的，有一个斜升角w β。

有些船的斜升角可能是零，有些船的斜升角可能很大，例如穿浪型双体船。

当两侧边船体由于船和水的相对运动而露出水面时，船体的砰击会随后发生。

斜升角β比较大，局部砰击力可以认为并不重要。

但是，这还要取决于相对冲击速度R V 。

当β大于5°，在R V 是常量时，最大的砰击压力和2R V 成正比。

对侧边船体更危险的情形，一个陡波冲击到侧边船体上，而冲击的自由液面和船体表面之间的夹角R β比较小。

横摇的出现会减小R β，进而引起砰击力的增加。

砰击力对R β是敏感的，特别是对小的R β。

另一种情形是甲板上浪。

这是由于船在尾随浪中船头钻入水中引起的，特别是在大的波浪中减速，从而遭遇频率变小的情况下发生的，但也可以是船体和水体之间垂向相对运动过大的结果。

这时水就会以翻卷破碎的形式冲上甲板，引起对甲板的砰击载荷。

船舶撞击桥梁上部结构数值仿真研究摘要：近年来船桥碰撞事故的频繁发生引起了人们的密切关注，本文基于400TWD级散装货轮撞击广东省某桥上部结构的事件，运用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA建立船舶与桥梁上部结构的有限元模型，对整个撞击过程进行了数值仿真计算，得到了船舶撞击力、行驶速度、能量、砼应力应变的时程曲线。

通过砼的仿真结果与实际损伤面积的比较，证实了仿真的可行性，该方法对于遭受撞击作用下的桥梁结构的安全性评估具有一定的指导意义。

关键词：船桥碰撞；数值仿真；上部结构；撞击力中图分类号: F407.474 文献标识码：A桥梁作为连接水路两岸的纽带，在人们的生活与工作中发挥了极大的作用。

然而，对于航道中的船舶来讲，桥梁却是一种障碍物。

特别是在雨季，随着降水量的增多、水位急剧上涨，航道中的船舶往往因操作不当及其他原因而撞上桥梁结构。

近些年来，随着我国船海事业的蓬勃发展，船桥碰撞的事故是屡见不鲜。

就处于长江流域的武汉长江大桥，自1957年建成以来发生了70余起船撞桥事故，其中直接经济损失超过百万元的事故就超过10多起[1]。

典型的例子是2007年，一运沙船与广东佛山九江大桥相撞，导致200多米桥面坍塌，多人失踪[2]。

由此可见，船桥相撞是一种严重的安全事故问题，轻者造成船舶、桥梁结构及功能性损伤，使用寿命减少，重者则造成人员伤亡、重大经济损失、甚至环境污染等恶劣影响。

自20世纪六七十年代起，国内外学者对船桥碰撞问题进行了广泛的研究和试验，并取得了许多研究成果。

然而，纵观国内外的研究成果及研究重心，大多都集中在船舶撞击桥梁下部结构——桥墩上面。

而对由于对航道水位判断失误或操作不当等原因导致的桥梁上部结构遭到船舶撞击的事件却鲜有人关注与研究。

因此，为了减少由桥梁上部结构遭受船舶撞击带来的巨大损失，开展船舶撞击桥梁上部结方面的研究显得尤有必要。

1船-桥事故广东省某桥建成于1984年，桥梁全长164m，桥跨组合为8×20米+1×4米，上部结构为20 m普通钢筋混凝土T梁+4m钢筋混凝土实心板，下部构造为双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础，柱式桥台，支座为钢板支座。