摘 要

本文讲述了船桥碰撞问题研究背景与现状，探讨了几种常见桥梁防撞设施的防撞原理、结构形式和特点，针对椒江大桥提出了两种可能的防撞设计。运用非线性有限元结构分析程序ANSYS，建立了船舶、刚性桥墩和防撞设施的三维有限元模型，进行了碰撞分析计算，通过比选确定了椒江大桥主通航孔合适的防撞方案。

关键词：船舶 桥墩 防撞设施研究 有限元分析

ABSTRACT

This paper describes the research background and present situation of the collision problem of the bridge, discusses the collision avoidance principles, structural forms and characteristics of several common bridge anticollision facilities, and puts forward two possible anti-collision designs for the Jiaojiang bridge. By using the nonlinear finite element analysis program ANSYS, a three-dimensional finite element model of ships, rigid piers and collision prevention facilities is established, and the collision analysis is carried out. The suitable collision avoidance scheme for the main navigable hole of Jiaojiang bridge is determined by comparison.

Keywords：Ship Piers Bridge collision ANSYS

第一章 绪论

一、课题研究的背景和意义

进入二十一世纪以来，伴随着全球经济的腾飞，船舶、汽车等交通量不断增大，航运业也飞速发展，因而受船舶撞击而导致的桥梁事故日益增多。据资料统计表明，在过去的十几年里，世界上发生的仅船毁桥塌的重大事故就超过百余起。这类事件通常会引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失，造成灾难性的后果。

船撞桥事故的日益增多对研究桥梁防船撞提出了新的迫切要求，开展船桥碰撞机理和新型防撞设施研究具有十分重要的意义。

二、课题研究的现状

1 国外的研究现状：

在日本、美国和德国等一些发达国家，早在上世纪六七十年代就对桥区通航环境与安全进行了研究，并做过一些碰撞模拟试验和调查研究

到目前为止，国外大多数的研究工作是从桥梁的角度出发，将船舶撞击力作为桥梁可能承受的一种外载荷来研究，包括研究船对桥的撞击力、撞桥后桥体结构的动态响应问题、从交通工程角度出发研究船撞桥的概率问题；当然也有从船舶角度出发研究撞桥后的船体结构响应问题及防撞设施的研究。

近年来，国外一些研究人员开始对限制水域的通航问题利用CFD或EFD的方法着手进行研究，也取得了很大进展，促进了整个通航环境与安全领域学术水平的整体提高。新的研究集中在改进防撞设施的结构形式和选取新型材料、动态模拟防撞设施的吸能和消能效果等发明。这些研究为合理选用和设计防撞设施提供了丰富的理论基础。

2 国内的研究现状：

我国对船桥碰撞问题的研究起步较晚，但在国内研究人员的不懈努力下，我国的防船撞设施研究获得了很多巨大的成就：

杨柯、潘杰针对株洲红港大桥的特点，对桥墩防撞设施进行了设计，同时通过ANSYS/LS-DYNA软件对船桥相撞全过程进行了仿真计算，研究了桥墩和防撞设施的防撞性能，验证了所设计的防撞设设施的可行性。

肖荣清、陈楚珍等通过模型试验，验证了液体稳压柔性消能桥墩防撞设施方案设计的正确性、合理性和可行性，揭示了船舶碰撞桥墩时各部分的受力大小及其分布规律，从而为技术设计和施工设计提供了可靠依据。

陈祎、肖波等针对武汉天兴洲公铁两用长江大桥1号墩防撞设计与分析，提出适合该桥梁防撞要求的等截面桥墩防撞设施，并采用有限元方法对船与该防撞装置的碰撞过程进行了模拟，得出了桥梁设计所关心的技术指标，满足了设计要求。

有关工程指挥部总结出杭州湾跨海大桥防撞四大原因，以为其它大桥的防撞提供参考。

三、本章小结

船桥碰撞，古已有之，于今为烈。尤其是目前我国交通运输业发展迅速，各种类型的桥梁不断建设，从跨越内河发展到跨越河口到跨越大海，船撞桥问题的重要性逐渐凸显出来，亟待我国桥梁设计工程师和研究人员深入研究并加以解决。作为港航专业的学生，我们有必要在毕业之前对防船撞装置进行必要的了解和研究。

本次毕业设计拟通过进行浙江台州椒江大桥主通航孔桥区防船撞系统设计，帮助快速接触港航专业实际工程项目，起到积极的锻炼和训练作用。

第二章 椒江大桥主通航孔通航环境分析

一、 自然条件分析

1 气象条件

根据浙江省气象台2000～2010年的气候观测资料统计：

（1）气温

椒江所在的台州市属于亚热带季风性气候，气候温暖、雨量充沛，年平均气温在20℃左右，极端最高气温41.7℃（7月），极端最低气温-0.4℃（1月）。

（2）降水

台州市多年平均降水量1369.4mm，降水多集中在春夏季，其中以5、6月份最大，10月至下一年的1月降水偏少。

（3）风况

椒江常年主风向为SE/NW风，频率均为12%，其次为W/N风，频率10%，年平均风速2.6m/s。据统计浙江沿海登陆的台风平均每年为1次，对台州市有影响的台风平均每年4～5次。受台风影响时风力一般为6～8级， 阵风9～11级，个别强台风登陆期间风力可达12级以上，且伴随暴雨，对航道具有一定的破坏性。

（4）雾况

雾集中在3～4月，多年平均雾日5.0天。

2 水文条件

椒江属山区性河流，河水暴涨暴落，流域内受亚热带季风气候影响，全年气候温暖，雨量充沛，洪水期一般发生在4月至7月，尤以5月、6月梅雨季为大。在秋末冬初受台风的影响，亦可能产生较小的洪水。本河段既受径流的作用，又受潮流的影响。

3 通航条件

（1）流域概况

椒江是浙江省第三大河流，流域总面积6290平方公里，干流椒江长197.7公里，境内河口段长11.7公里，江面宽900-2000米。椒江将辖区分为椒北水系和椒南水系，总长度359.24公里。椒江市多年平均水资源总量（包括地表水和地下水）2.624亿立方米。椒江流域地势西北高、东南低，流域上游主峰海拔在2000m以上。流域内山丘连绵，河谷错落，植被良好。特定的地形、气候及植被条件决定了椒江具有水急量大、滩多沙少等天然特点。

（2）航道条件

桥区河段航道为内河Ⅳ级航道，双线航道，航道尺度为50×1.9×330m（航道宽度×设计水深×弯曲半径），设计通航保证率95%以上，一类航标配布。

根据浙江省港航管理局勘测中心2010年10月实测大潮表面漂流资料，椒江河道最大涨潮流速1.85m/s，最大落潮流速1.49m/s。桥区段内航道轴线与涨潮流方向的最大夹角约8.3°，最大横向流速0.20m/s，与落潮流方向的最大夹角约37.7°，最大横向流速0.57m/s。主通航孔桥区附近流场平顺，无旋涡和强大紊流区，但水流流向与航道轴线夹角较大，航道内横流较大。汛期洪水期间桥区河段水流流速较大。

2010年台州市对椒江航道按国家内河Ⅳ级航道标准实施整治，满足500吨级内河货船通航，其主尺度为67.5m×10.8m×1.6m。椒江干流过闸运输船舶标准船型主尺度系列见表。

（3）船舶流量、船型统计分析

椒江水口以下内河航运较为繁忙、通航船型相对较大。根据台州地方海事局统计资料，2011~2014年椒江船舶签证明细表详见表。据了解，椒江通航海船多为总吨480~490左右船舶，内河船以砂船为主，总吨在500左右。同时通航部分从椒江上游至下游码头附近的内河货运船舶，种类包括煤炭、矿石、石英、砂石、水泥等。