论文总字数：19102字

摘 要

本文通过对现有桥梁防撞设施设备的统计分类得到现有桥梁防撞设施设备的一张表格汇总，其中对于其所属类型、具有的优缺点、该种桥梁防撞设备的适用场所和应用实例有比较详细的说明，并通过讨论各种模拟实验及方法，对其结果分析后证明模拟的可行性。

所得结果对于桥梁防撞设施设备的研究设计具有重要的指导意义。

论文主要研究了在当下船舶撞击桥梁事故频发的大背景下，桥梁防撞设施设备的分类，设计要求以及为了能够更好的模拟实际船撞桥过程中的各种要素变化的模拟实验及方法。并针对实际的长江流域的桥梁进行事故分析。

研究结果表明：现有的桥梁防撞设施设备或多或少的存在某些不足，防撞材料抗性不足，桥梁所处水域不适合安装该种防撞设施，该桥体主结构安装桥防撞设施后对其通行有较大影响。目前所拥有的技术手段尚还不能细致入微的模拟出船舶撞击桥梁过程中每时每刻的各种参数和物理量，对于事故的测算结果并不能准确的模拟，因此桥梁防撞设备的设 计需要大量的数据和新型结构以及新兴材料的支撑才能更好的发展。

本文的特色：通过对大量文献资料的搜集汇总分类，在数据基础上通过合理的模拟分析和模型借鉴对选定水域坐出了较为可靠的桥梁防撞参考设计。

关键词：桥梁防撞设施分类；简化模拟实验；新型结构和新兴材料FPR等，浮式钢围套箱；三不坏防撞理念

Abstract

In this paper, through the statistical classification of the existing bridge anti-collision facilities and equipment, we get a table summary of the existing bridge anti-collision facilities and equipment, which has a more detailed description of its type, advantages and disadvantages, the applicable places and application examples of this kind of bridge anti-collision equipment, and through the discussion of various simulation experiments and methods, the feasibility of the simulation is proved after the analysis of the results.

The results of these studies are important for the research and design of defense plans.

This paper mainly studies the classification of anti-collision facilities and equipment, design requirements, and simulation experiments and methods to better simulate the changes of various elements in the actual process of ship impact on the bridge under the background of frequent accidents of ship impact on the bridge. At the same time, the accidents of bridges in the Yangtze River Basin are analyzed.

The results show that the existing bridges are not enough., or the applicability of water area or the anti-collision ability limited by conditions can not meet the current bridge anti-collision requirements, the existing means can effectively simulate the collision process of the ship bridge experiments, because the simulation size factors can not fully. In addition, the energy change and deformation in bridge collision are simulated accurately. Therefore, the design of bridge collision protection equipment needs a lot of data. New structures and materials support better development.

The characteristics of this paper: through the collection, summary and classification of a large number of literature, on the basis of data, through reasonable simulation analysis and model reference, a more reliable bridge anti-collision reference design is set up for the selected waters.

Key Words：Classification of bridge anti-collision facilities; simplified simulation experiment; new structure and new material , floating steel enclosure; three not bad anti-collision concept

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 3

1.2.1 研究目的 3

1.2.2 研究意义 3

1.3 研究内容和技术路线 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 研究目标和技术路线 4

第2章 桥梁防撞设施布置方案及研究现状 5

2.1 桥梁防撞设施的概念 5

2.1.1 桥梁防撞设备的类型和功能 5

2.1.2 桥梁防撞设备的必要性 8

2.2 国内外研究现状 8

第3章 桥梁防撞设施设备相关规范 10

3.1 桥梁防撞设备设计要求和规范 10

3.1.1 设计要求 10

3.1.2 相关规范 10

3.2 桥梁防撞设施设备模拟实验 12

3.2.1 验证方法 13

3.2.2 实验结果分析 13

第4章 武汉长江大桥桥梁防撞设施研究 14

4.1 武汉长江大桥事故案例 14

4.2 事故原因分析 14

4.3 桥梁防撞设施设计方案 15

第5章 结论与展望 17

5.1 存在的问题 17

5.2 研究期望 17

第1章 绪论

在世界上三大主要运输方式中，陆路运输和海路运输都避不开桥梁这一关键问题，随着时代发展，陆路运输的方式多种多样对承建桥梁的要求越来越高，与此同时建立在桥梁以下水面之上的航运船舶则遇到了同样的境况，随着运输量增长的需求，船舶也向着大吨位、巨型化发展，由此带来的船舶操纵性能下降和操纵响应滞后等影响就会频繁的导致发生船舶撞击桥梁的事故，同时，船舶碰撞造成的人员伤亡难以避免并造成巨大的经济损失，更严重的后果可能是船舶装载的危险物泄漏等一系列难以估计的影响。所以，如何有效的避免船撞桥这一事故的发生或者采取某种有效的措施在事故中来保护桥梁和船舶就成了当下船桥界比较重要的研究课题。

1.1 研究背景

交通运输是每个国家国民经济中的重要支柱，随着运输流量的日益增加，航运业中关于船桥之间产生的矛盾也愈发严峻。世界各地每年发生的大大小小的船桥碰撞事故不计其数，根据国际上桥梁与结构工程协会的记录，仅在1970～1974年间美国内河上就发生了多达811起船撞桥事件,直接经济损失了2300多万美元，同时在1960～1993年的33年中,全世界因船撞桥而导致损毁的大型桥梁已达29座，其中美国15座，死亡人数为321人，美国的阳光大桥、澳大利亚的塔斯曼大桥等都在被船撞塌后重建^[1]。

表1.1 1980年～2007年主要船撞桥事故统计表

同样的船舶撞击桥梁的事故频率在我国国内也居高不下，留有记录的船舶撞击桥梁事故经统计就有300起以上，这还是仅发生在我国最主要的通航水域上的一部分，若是完全统计国内所有流域大小船舶撞击桥梁带来的经济损失，那将是难以估量的。

表1.2 2010至2017年我国船桥碰撞事故统计表

目前，我国处于基建的高峰期，据原交通部总工程师凤懋润先生介绍，我国现有的桥梁总计31万座，桥梁总长度达1.25万公里，仅长江的通航水域之上就已建桥梁62座，现在大约还有10座桥梁正在建设中，另外黄河上已有70座桥梁建成于通航水域之上，大量桥梁的建设，难以避免的就会承担着船舶撞击的风险，因此我国非常有必要将桥梁防撞设施设备研究以及桥梁防撞风险评估和桥梁设计防撞规范提上日程。在这种状况下，世界上有关桥梁防撞的相关论文和研究逐渐被重视起来，在一些著名的学术网站上关于桥梁防撞的研究论文从上世纪80年代到90年代截至到如今，每年的论文发表数量从最开始的10篇到现在的近200篇，相关的论文和研究在我国国内也呈逐年增加的趋势^[2]。

图1.1 我国2002年至2015年相关论文发表数量折线图

除了对于船舶撞击桥梁事故的重视之外，相关的桥梁规范也需要跟上步伐，早在20世纪90年代初，美国就有学者及组织统计总结并提出了桥梁防撞的相关规范，规范通过对过往发生的重大船舶撞击桥梁事故的总结分析，并参考当前已发表的相关学术文件和研究成果最终汇总成了《AASHTO指导规范》，该规范作为蓝本为后来的桥梁防撞提供了相当的参考。而我国目前还尚未建立相当完善的相关规范，但是提出了许多桥梁防撞的相关理念来有效的预防和阻止船舶撞击桥梁事故的发生和事故发生后快速的止损措施。

1.2 研究目的及意义

1.2.1 研究目的

桥梁防撞设施设备顾名思义是为了在发生船舶撞击桥梁事故时生效的一种设施设备，对于现如今交通运输吞吐量增长的现状，各种跨江跨海以及洲际大桥如雨后春笋般出现，桥梁之下，水面之上的船舶的体型也随着运载量的增加而变得巨型化，随之带来的影响的就是船舶操纵能力的限制，在这些因素的影响下加之某时刻排除人为操作后的各种气象水文的要素影响下就导致船舶撞击桥梁事故频繁发生，除此之外，随着智能航海和无人驾驶船舶的发展，人工系统实时处理信息能力的暂时不足也会同样发生船舶撞击桥梁的事故。因此在这种情况下，通过对桥梁的分析，设计一种有效的桥梁防撞设施设备并安装能够有效的减少这种事故的发生或者降低事故中带来的人员伤亡和经济损失是非常必要的。桥梁防撞设施设备在设计之初的目的就是为了在目前尚未有更好的桥梁规范和应对措施的情况下从而采用一种简单易行的方式来对桥梁和船舶进行外加保护，进而减少事故中带来的直接以及间接损失和后续影响。

1.2.2 研究意义

通过对桥梁分析后加装相适应的桥梁防撞设施设备，通过桥梁防撞设施设备以及相应系统对碰撞进行消能或处理，能够有效的避免船舶撞击桥梁事故的发生或者减少在事故中的损失，防止桥梁在受到船舶撞击后导致的桥梁结构坍塌，桥梁使用寿命的减少，桥梁自身安全性能的降低以及后续抵抗地震潮流等自然灾害力量的能力的衰减，同时加装了桥梁防撞设施设备对于发生船撞桥事故的后续处理也有较大帮助，桥梁防撞设施设备在尽可能避免事故发生的同时尽最大限度的减少事故发生时的损害。

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

本文旨在探究桥梁防撞设施设备的理念、桥梁防撞设施自身构成要素以及加装了桥梁防撞设施后对于桥梁、船舶以及船撞桥事故的影响并对其进行评估分析，结合实际船舶撞击桥梁的案例，对事故中桥梁防撞设施设备的必要性和所起作用进行深入探讨，总结其方案的优缺点和目前桥梁防撞设施设备存在的不足，并对桥梁防撞设施设备的发展进行展望。

1.3.2 研究目标和技术路线

该研究设计的主要目标是通过查寻现有的桥梁防撞设施设备的相关资料文献得出以下结果：

（1）总结桥梁防撞设备的主要类型和功能；

（2）总结桥梁防撞设备布置的位置和方法；

（3）总结桥梁防撞的相关措施和法律法规；

通过以下技术路线，结合搜集的桥区案例，从而针对我国长江水域等桥梁的实际情况，提出桥梁防撞设备的配置方案。

图1.2 本研究技术路线图

第2章 桥梁防撞设施布置方案及研究现状

2.1 桥梁防撞设施的概念

对于桥梁防撞设施这一概念目前尚还未完全确定，目前，较为认可的桥梁防止船舶撞击设施设备设计的主流思路以及全球范围内接受程度较高的方式都是从主动防御和被动防御两个方向进行的。增加通航涵洞的宽度、扩大化航道的通航水域、一跨过江等方式建造无墩桥梁等从而实现主动的对桥梁主体结构的防撞，这是主动式桥梁防撞设施较为显著的采用方式。通过安装桥梁防撞设施设备来达到防撞目的，这是被动防撞唯一途径，降低事故发生概率，借此来降低事故发生和减少事故中的损失。其中，加装在桥梁上的被动式桥梁防撞装置大多是通过引导和避让来改变船舶撞击桥墩时候的方向，使船舶不会直接撞击桥梁墩体柱结构，吸收或者消耗船桥之间的碰撞能量，限制和减少船舶直接作用在桥墩上所产生的碰撞能量来保护桥梁。这些年来，桥梁防撞装置设计和理念在我国的发展历程，经历了从国外借鉴转为实践摸索，最后总结完善出自身独有的防撞措施，保持国内的设计理念是与时俱进的。刚性防撞结构是起步阶段较为常用的一种结构；后来，柔性防撞结构措施这一新名词经由陈国虞等学者引入，成为了相当一段时间的主流结构，但受制于防撞吸能材料不足的制约，这种设计思想在实际操作中未能很好地贯彻执行。随着材料科学快速发展的这几年，新型吸能防撞材料如雨后春笋般的面世，同时提出了“长效防撞”和“和谐防撞”等新的设计理念。当前，“三不坏”的设计思想^[3]立足于桥梁上下空间之内的各种通行以及通航利益行，以及相关领域从业人员的人身安全和社会环境影响。通过对墩身、桥身位置、主桥外形、桥周围水域流速、水位变化、船舶在航道上的种类、船桥在碰撞时的速度等因素进行数值模拟，设计桥梁防护装置，对船桥变形、船桥冲击、船桥受力等方面进行数值模拟，分析船桥碰撞时的碰撞位置、防护板厚度、碰撞速度等因素的一般规律。一般而言，船桥防撞装置应符合下列要求：要能够被桥梁、船舶、可航水域共同接受；不会妨碍正常航行；防撞装置应根据水文要素进行自行调整；吸收消耗能量大，能够保护船桥不受破坏；可重复使用，微小的碰撞不需要修复，较大的碰撞稍微修复即可继续使用；安装转运方便快捷，无需严苛的施工条件，造价低廉，方便桥梁施工的同时同步加装，不会形成回流沉积区域，更不会造成加剧局部冲刷等一系列新问题。

2.1.1 桥梁防撞设备的类型和功能

对目前已有并投入使用的桥梁防撞设施设备进行统计汇总后，按其特征进行分类，基本原理是根据能量吸收和碰撞动能缓冲两种不同方式展开的的防撞设施设备，各自拥有其独特的性质和适用范围，具体而言，可分为两类：一类是直接作用型，适用于狭长的深水航道，船舶的碰撞过程经过缓冲直接作用于桥墩，这种方式在经济适用性和工程建设量方面有较好的反映；另一类是间接型，在桥墩及桥梁主体结构外围设置防撞设施，避免碰撞桥墩，一般适用于水深较浅等水文地质条件较好的场合。此外，日本学者岩井聪^[4]在20世纪80年代对防撞设施作了较系统的分类，认为防撞设施可按其所设地点的不同分为直接构造和间接构造两大类，其中大类又可按碰撞过程中的能量吸收方式分为弹性形变、压损形变和变位形变。

图2.1 桥梁防撞设备类型

类似地，国际桥梁和结构工程协会(IABSE)在1991年根据新的方式对现有的墩台保护模式进行了重新分类，共分为5类^[5]，即：防护板系统、支撑桩系统、缆桩系统、人工岛或暗礁保护系统和浮游保护系统。对于桥梁防撞设施，国内学者也有类似的划分，其中，杨渡军^[6]将桥梁防撞系统划分为附着式、重力摆式、薄壳沙围堰、胶囊沙袋、人工岛、群桩、浮网、非结构物等八种；王君杰^[7]将桥梁防撞系统划分为附着式、整体式、独立式等三种类型，并对每一大类进行详细划分。在此基础上，陈国虞等学者^[8]根据防撞概念将桥梁防撞设施分为主动防撞设施和被动防撞设施，其中又将被动防撞设施分为直接结构和间接结构，并对其进行了详细的分类。金玉娟^[9]学者们在IABSE、杨渡军、王君杰等学者总结的基础上，又进一步将其归纳整理，归纳图如下：

表2.1 桥梁防撞设备表

2.1.2 桥梁防撞设备的必要性

关于桥梁防撞问题，重点是桥梁主体与船舶接触处的防撞，在对大量船舶撞击桥梁的事故统计后我们可以发现对桥梁安装防撞设施设备的必要性，目前大多数桥梁还没有安装防撞设施或系统；即使少数有防撞设施的桥梁，由于设计防护能力不到位，也无法完全抵御船舶带来的碰撞。广义上说，当一艘船的冲击力大于一座桥墩所能承受的撞击力度时，桥梁的抵抗能力没有办法保证。(1)为了保证桥梁主体结构的稳定，桥墩无法通过形变来提供抗撞击能力；(2)桥梁不能在水平范围内发生位移等会影响到桥梁上半部分的危险移位；(3)事故船舶的船头部分无论多么小，刚性均只能根据船头钢板的平面长度来确定，因而不可能产生较大的变形，所获得的碰撞动能比总的碰撞动能要小。

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