11船對(duì)橋墩的側(cè)撞力.doc

陳國(guó)虞等：船對(duì)橋墩的側(cè)撞力船對(duì)橋墩的側(cè)撞力陳國(guó)虞 沈文瑋 （上海海洋鋼結(jié)構(gòu)研究所 ） （原中船總公司第九設(shè)計(jì)研究院）摘要 船對(duì)橋墩正撞力的大小，取決于船的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、速度1和它的剛?cè)岫?（彈塑性特性）。一般橋墩不是等軸型，側(cè)向抗水平力的能力較低，因此橋梁設(shè)計(jì)者還要求出側(cè)撞力。以正撞力5、6乘以相撞時(shí)的角度函數(shù)，便是側(cè)撞力。問(wèn)題在于以什么角度撞向橋墩？本文從“正常航行的船舶是不會(huì)撞上橋墩的”的觀點(diǎn)出發(fā)，討論失舵不失速的船（例如霧天、舵機(jī)失靈等），它撞上去的角度應(yīng)為風(fēng)流壓偏角加上橋法線與航道的偏角，只要能定出這兩個(gè)角度，問(wèn)題便迎刃而解。關(guān)鍵詞 船撞橋 船撞橋的力 側(cè)向力The side force of ship collision with bridge pierCHEN uoyu(Shanghai Marine Steel & Structure Research Institute 201204)SHEN Wenwei(From China Shipbuilding DNRI Engineering Co. Ltd 200063) Abstract The force of ship collision with bridge may be divided into front collision force and side collision force. This paper is discusion the method of calculation of the side collision force. when the ship is under normal conditions，it would not be collision with the bridge pier .When the steering gear of the ship is out of control, and the velocity still maintain, the ship may be collision with the bridge pier with a angle. This angle equels to the sum of wind and current drift angle add the angle between the bridge normal line and the current. When we could ditermin these two angles, the side force of ship collision with bridge pier may be easy to find out.Key word Ship collision with bridge, force of Ship collision with bridge, the side collision force 1. 船撞墩的可能角度 國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)（IABSE）航行船舶與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響。綜述與指南認(rèn)為：“船只行駛速度可分解為：計(jì)算縱向動(dòng)能平行于船軸線的分量和計(jì)算橫向動(dòng)能垂直于船軸線的分量”“如果船只完全停止，其碰撞總動(dòng)能將耗盡；如果船只僅僅轉(zhuǎn)向，碰撞能量應(yīng)以碰撞前后船只動(dòng)能的矢量分析來(lái)確定”7。這一點(diǎn)，共識(shí)者較多，但具體分析時(shí)可能有些差異。要是防撞裝置按“動(dòng)能耗盡”來(lái)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來(lái)的防撞設(shè)施將碩大無(wú)比,且造價(jià)大，影響了防撞設(shè)施的普遍采用。采用橫向分速度計(jì)算能量的方法時(shí),如何對(duì)待奇點(diǎn)極值，是一個(gè)需要重視并合理解決的問(wèn)題?，F(xiàn)在分析船撞墩的各種可能情況9： 第一種情況：直航前進(jìn)的船大都是船頭部位碰撞橋墩，其分速度夾角為。決定于船的B/L，通常速度較高的船設(shè)計(jì)成B/L1/7，這時(shí)夾角為8.10；速度較慢的船、貨駁等，設(shè)計(jì)成B/L1/5，這時(shí)夾角為11.30；拖船、渡船設(shè)計(jì)成B/L1/4，這時(shí)夾角為140。橫向分速度分別為原向航速的0.14、0.2 和0.25倍，其能量（1/2）Mv2分別為原能量的0.02、0.04和0.06倍，相撞情況如圖1所示。圖中有剖面線的是橋墩，它的周圍兩頭尖的部分是防撞設(shè)施。圖1 前進(jìn)中船首部撞墩第二種情況：該船除了前進(jìn)速度外，尚有橫漂和轉(zhuǎn)彎，所以碰到了平行中段，有點(diǎn)像船靠碼頭的情況。此時(shí)船不能維持縱軸方向(主龍骨方向)前進(jìn)。由于此時(shí)船的橫向速度比前進(jìn)的速度小得多，算出的能比用直航速度算出的能小得多。相撞情況如圖2所示。圖2 橫漂船和船側(cè)碰撞第三種情況是一種極端情況，即船正對(duì)橋墩開過(guò)來(lái)，如圖3所示。如果相撞后頂住不動(dòng)，則船與墩交換全部動(dòng)能（船舶具有的最大的動(dòng)能值）。但因設(shè)計(jì)的防撞設(shè)施外箍板作成尖型，兩相遇瞬間即滑開變成第一種情況。由此可以理解為：以橫向分速度計(jì)算能量時(shí)，正撞后不動(dòng)的情況,是“能量角度”曲線上的一個(gè)奇點(diǎn)，此時(shí)橫向速度分量為0,而能量交換最大。筆者建議用保證率的辦法處理此奇點(diǎn)，即認(rèn)為此種狀態(tài)的幾率非常小，置于保證率之外。圖3 船以正方向撞墩后滑開 現(xiàn)在有一種鋼板格子變形消能的防撞裝置，它的特點(diǎn)是鋼板變形吸能值較大，但每次撞后要修理，且對(duì)尖船頭會(huì)鑲住，增加船對(duì)橋墩交換的能量(可參看：船撞橋論文選p4,p81 上海海洋鋼結(jié)構(gòu)研究所2000；及10p.15 )。第四種情況也是一種極端情況，橫漂的船正好頂在船的重心上（如果不是頂在重心，則船的慣性力會(huì)使船轉(zhuǎn)動(dòng)，變?yōu)榈?種情況），這時(shí)的碰撞能是以全部橫漂速度VH計(jì)算的，（1/2）MvH2。瞬間之后，由于水流合力與船的重心不重合，船頭即慢慢旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)“船到橋頭自然直”，變?yōu)轫樍鞫?，見圖4.圖4 橫漂船重心正好撞在墩上所有船與墩相撞均離不開上列四種情況9.除了橫漂船和極端情況外,只有2種情況,1是船撞墩的正面與墩的尖頭斜面接觸；2是船頭撞在墩的側(cè)面。2. 墩的大小和跨距與角度的關(guān)系船駛近橋，如果航道的寬度和彎度合乎規(guī)定；如果航線上有一定的能見度；如果船沒(méi)有失去動(dòng)力或失去控制；如果船員沒(méi)有因故而不能履行職責(zé)（醉酒、瞌睡、眩暈-）；則船是不會(huì)撞到橋墩上去的。如果駕駛員因各種原因之一而未能操縱舵機(jī)，如圖5,船從正確航向(圖中R-Q段)進(jìn)入偏航段,不操舵的最大偏航角即該航線這時(shí)的風(fēng)流壓偏角（自然條件作用的總和）.圖5 船從航線偏離而撞墩的幾何位置A為在這角度下的橋墩投影長(zhǎng)度，在Q-P段以角度偏航會(huì)撞到橋墩，調(diào)整角度小于便不會(huì)撞，如果以3m/s船速駛過(guò)A段只有半分鐘左右，駕駛員（或領(lǐng)航員）糾正便可，如果這時(shí)2L比較大，使tg-1(L/0P)大于失舵時(shí)的風(fēng)流壓偏角，也是撞不上的，（L用航線中心與橋墩的距離，0P段用能見度或失舵距離代入，可得到定量數(shù)值）.算例：如橋墩跨距內(nèi)側(cè)為400m，航線中心線與橋墩中心重合 ,風(fēng)流壓偏角為130代入，則0P距離為870m，即當(dāng)P點(diǎn)達(dá)到870m以近，失舵漂流，風(fēng)流壓偏角為130，船將從墩邊過(guò)，橋跨愈寬允許失舵的距離愈長(zhǎng)，此期間可糾偏（如有別的制約因素，要增加考慮）。我們常說(shuō)，正撞的幾率比較低，如下圖所示：當(dāng)船距墩1000米時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)船頭對(duì)準(zhǔn)橋墩中線，只要轉(zhuǎn)向10 便可避開橋墩。圖6 正面撞墩示意圖側(cè)面撞墩幾率大些，例如：船長(zhǎng)200米，船寬32米，墩寬35米，風(fēng)流壓偏角為130,船長(zhǎng)加墩長(zhǎng)投影在墩前的弧長(zhǎng)為55.4米，加半船寬和半墩寬為88.9米，當(dāng)船駛近到1000米時(shí)，約在墩前占50左右。所以說(shuō)，側(cè)撞幾率比正撞大幾倍。 3船舶航行時(shí)風(fēng)流壓偏角分析船舶在航道上航行，由船舶本身的特性（船舶類型、船舶尺度、主機(jī)功率、導(dǎo)航設(shè)備、舵機(jī)性能）決定船舶操縱性，適航性；還有航道條件（風(fēng)況、霧天能見度、水流狀態(tài)）以及船舶航行密度的影響；在航道上有橫跨橋梁時(shí)，更受橋梁建筑等因素的制約。允許船舶穿過(guò)橋孔的通航條件，除了一般通航條件外，還需另加橋梁的條件（橋梁通航凈空尺度、橋墩位置、水流變化、沿岸風(fēng)力）才能保證航行安全，順利通航，避免不幸的船舶撞擊橋梁的航行事故發(fā)生。船舶在航道上航行，一般是按航道中心呈蛇形航跡左右擺動(dòng)前進(jìn)，實(shí)船滿載情況，船舶下沉量較大。受水流流態(tài)、流向、流速左右較大；空載情況，干舷增高，則受風(fēng)向、風(fēng)速影響較大。在海灣河口地區(qū)，水流除徑流作用外，還受沿岸潮汐變化的影響。因此船舶航行產(chǎn)生風(fēng)流壓偏角是正常的事，在航行中，船舶導(dǎo)航駕駛?cè)藛T控制船舶航向必須將舵角控制在一個(gè)合理值的范圍，保持船舶航行的的穩(wěn)定性。船舶在航道上航行，可能產(chǎn)生船舶航行的風(fēng)流壓偏角，同時(shí)；橋梁橋墩建設(shè)時(shí)，橋墩中心線與水流流向也會(huì)產(chǎn)生夾角（應(yīng)不大于標(biāo)準(zhǔn)4所允許值），這兩個(gè)角度的瞬時(shí)綜合結(jié)果，組成了偏航船舶與橋墩瞬時(shí)撞擊的撞擊角的。這是隨機(jī)因素變化的夾角，也是有一定變化范圍的，因?yàn)闃蚨罩行木€與水流流向的夾角是較穩(wěn)定的，船舶航行的風(fēng)流壓偏角對(duì)一定的航道平常也有一定數(shù)值，但在發(fā)生撞擊事故時(shí)也可能有一些意外的變化。.這兩個(gè)角度相加時(shí)，對(duì)內(nèi)河可分上水、下水，每種分左墩、右墩共4種情況；對(duì)港灣亦應(yīng)按漲潮、退潮，左墩、右墩4種情況。簡(jiǎn)化計(jì)算港灣4種情況的最大側(cè)撞角時(shí)，可用絕對(duì)值相加,因?yàn)闃蚩紫旅嫱ㄟ^(guò)船舶是雙向的,一向相減時(shí)另一向便相加。用公式表示：側(cè)撞角 = |風(fēng)流壓偏角| + |橋法線偏角| 根據(jù)研究的橋，對(duì)以下各方面進(jìn)行討論：橋位、軸線與航線，橋墩（或橋塔）所處的河槽位置，風(fēng)壓方向與船撞橋的關(guān)系，流壓、霧天、進(jìn)出港航道寬度和上下游直線段討論（橋位上下游各應(yīng)有4倍船長(zhǎng)的直段 4）-等實(shí)際通過(guò)船舶較少則船撞墩的幾率正比減少，可參考美國(guó)規(guī)范對(duì)撞塌年頻率進(jìn)行計(jì)算8。船舶在航道上航行的風(fēng)流壓偏角值究竟為多少度？在國(guó)內(nèi)外有關(guān)航道、港務(wù)、航運(yùn)專家經(jīng)長(zhǎng)期研究、觀測(cè)、試驗(yàn)有了一個(gè)比較符合實(shí)際的認(rèn)識(shí)3，也編寫進(jìn)入了規(guī)范。根據(jù)現(xiàn)有的有關(guān)資料分述如下：4. 我國(guó)主要港口航道滿載船舶風(fēng)流壓偏角經(jīng)驗(yàn)值船舶在航道上航行的風(fēng)流壓偏角究竟為多少度？在國(guó)內(nèi)外有關(guān)航道、港務(wù)、航運(yùn)專家經(jīng)長(zhǎng)期研究、觀測(cè)、試驗(yàn)有了一個(gè)比較符合實(shí)際的認(rèn)識(shí)，也編寫進(jìn)入了規(guī)范。3 此外，2001-12,長(zhǎng)江航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所分別作了橋墩形狀和過(guò)橋航跡的水工模型試驗(yàn)，后者就是在各種情況下通過(guò)模型測(cè)定流壓偏角。（蔡汝哲等，西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，橋孔通航船摸試驗(yàn)研究報(bào)告 長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院印 2001-12 ） 我國(guó)主要港口航道滿載船舶風(fēng)流壓偏角經(jīng)驗(yàn)值見表 1表1 我國(guó)主要港口風(fēng)流壓偏角經(jīng)驗(yàn)值 3港口航道名稱折算橫風(fēng)橫流風(fēng)流壓偏角（0）備注大連港大港航道6級(jí)風(fēng) 0.38km5大連鲇魚灣6級(jí)風(fēng) 2.0km15無(wú)航道秦皇島航道6級(jí)風(fēng) 0.51km3-4天津港進(jìn)港主航道6級(jí)風(fēng) 0.57 km5-7青島港大港航道6級(jí)風(fēng) 1.07 km5-8連云港航道6級(jí)風(fēng) 0.9-1.15km8-9 0.9 km5-6湛江港斗龍村航道7級(jí)風(fēng)2.0 km13八所港航道6級(jí)風(fēng)1.32 km106級(jí)風(fēng) 無(wú)流2-3上海港進(jìn)口航道6級(jí)風(fēng) 流速極小3船流夾角6級(jí)風(fēng)20空船石臼港航道6級(jí)風(fēng) 0.6 km7汕頭港6級(jí)風(fēng)1.5 km10注：本表由交通部水規(guī)院根據(jù)實(shí)測(cè)及調(diào)查所得 5. 其它國(guó)外風(fēng)流壓偏角資料 美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)對(duì)巴拿馬運(yùn)河和蘇伊士運(yùn)河觀測(cè)結(jié)果，建議：當(dāng)僅有岸吸力時(shí)為20，一般有橫向風(fēng)流影響取100 日本“港灣深水航道規(guī)劃”，和管野一,港灣及海岸工學(xué)指出：航道上航行船舶風(fēng)流壓偏角最大不超過(guò)100 前蘇聯(lián)列寧格勒水運(yùn)學(xué)院和敖德薩工學(xué)院資料論述船舶偏離和飄流決定于風(fēng)向、風(fēng)速、流速、船舶類型和船舶速度，建議風(fēng)流壓偏角最大值不超過(guò)250（指船舶空載狀態(tài)）。 國(guó)際海運(yùn)倫敦航運(yùn)會(huì)議第二次油輪會(huì)議報(bào)告，對(duì)船舶受橫流影響的壓偏角，可按下式計(jì)算： =tg-1 （橫向流速/航速）如tag0.25，即橫流為2.0kn船舶至少為8.0kn時(shí)，=140 鹿特丹港航道流速1kn，風(fēng)流壓偏角為100 哥德堡港航道流速1kn,，風(fēng)流壓偏角為7.206. 需與橋墩設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)的地方 （1）堅(jiān)持橋墩兩頭尖的設(shè)計(jì)，為的是折減船撞力。折減船撞墩的能量。我國(guó)在公元655年重建的洛陽(yáng)橋，橋墩已作成尖的，以減小水的阻力；1492年建的襄汾通惠橋，其分水尖端通高有鐵柱(Starling)以防御沖撞。 在橋墩外面裝設(shè)防撞裝置的橋墩，由于防撞裝置上下游方向是尖的，希望承臺(tái)的外形也是尖的。 承臺(tái)面高出水位一定尺寸，如此尺寸太小，可否建一承力圍墻，以保護(hù)承臺(tái)面以上的橋柱。承臺(tái)輪廓應(yīng)比樁的外包線大出一個(gè)尺寸，以保護(hù)承臺(tái)下的樁群。7 。結(jié)論 作者另有船對(duì)橋墩的正撞力一文已對(duì)世界上船撞橋墩的力的公式進(jìn)行分析研究，對(duì)我國(guó)公路規(guī)范中漂浮物撞墩力的公式和鐵路規(guī)范的公式中的變量進(jìn)行分析厘定，據(jù)此計(jì)算出最大正撞力；然后對(duì)自然條件、橋位、駕駛、航行安全管理等方面進(jìn)行分析討論后，認(rèn)為可按照：風(fēng)流壓偏角和橋法線偏角兩個(gè)角的絕對(duì)值之和作為船對(duì)橋墩的側(cè)撞角，用此角的角度函數(shù)乘正撞力便得出側(cè)撞力。8 。參考文獻(xiàn)1 美C、Kittef等：力學(xué)（伯克列物理教程）第一卷 陳秉乾中譯 科學(xué)出版社 19792 中華人民共和國(guó)交通部：JJJ211-99 海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范 1999-05-143 中華人民共和國(guó)交通部：JJJ211-87 海港總體及工藝設(shè)計(jì)編制說(shuō)明 19994 中華人民共和