橋梁船撞性態(tài)設(shè)計(jì)理論框架課件

1.橋梁船撞安全問題橋名：澳大利亞霍巴特德溫特河塔斯曼橋時(shí)間：1975年1月5日船舶：7200噸的依拉瓦納輪原因：船舶操縱設(shè)備失靈后果：橋的三跨上部結(jié)構(gòu)墜水，兩個(gè)橋墩完全被撞毀，依拉瓦納輪沉沒，20人死亡橋名：美國(guó)佛羅里達(dá)州坦帕灣舊陽光大橋時(shí)間：1981年5月9日船舶：35000噸壓艙散裝船原因：能見度低，領(lǐng)航員粗心后果：三跨梁坍毀，35人死亡橋名：瑞典哥德堡群島阿爾摩橋時(shí)間：1980年1月船舶：數(shù)千噸的荷蘭貨輪原因：霧和冰后果：鋼管拱倒塌，落在貨輪上，死亡十余人橋名：美國(guó)亞拉巴馬州的CSX鐵路大橋時(shí)間：1993年船舶：拖駁船隊(duì)原因：大霧導(dǎo)致航行失誤后果：橋梁巨大位移，幾分鐘后，一列旅客列車從橋上駛過，大橋坍塌，列車出軌，47人喪生橋名：美國(guó)俄克拉荷馬州阿肯色河公路橋時(shí)間：2002年5月26日船舶：拖輪原因：船長(zhǎng)突發(fā)疾病后果：橋坍塌，9輛汽車墜河，17人死亡橋名：丹麥大貝爾特西橋時(shí)間：2005年3月3日船舶：3120噸集裝箱貨輪原因：船長(zhǎng)判斷錯(cuò)誤后果：

梁底嚴(yán)重擦痕，船舶嚴(yán)重破壞，駕駛?cè)藛T喪生橋名：江蘇省江都市樊川鎮(zhèn)東匯大橋時(shí)間：2004年5月26日夜船舶：鐵駁船隊(duì)原因：操船失誤后果：上部橋面坍落并壓住了肇事駁船橋名：杭州灣大橋（通車前）時(shí)間：2006年8月11日12時(shí)船舶：貨輪BITUMANEXPRESS原因：走錨失控后果：大橋多處局部破損，貨輪的駕駛臺(tái)及其桅桿卡在梁下。經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1000萬元。橋名：廣東九江大橋時(shí)間：2007年6月15日5時(shí)15分船舶：砂船“南桂機(jī)035”原因：濃霧，違規(guī)，誤航后果：三個(gè)橋墩倒塌，橋面約200米坍塌，4輛汽車墜入江中，致使9人死亡橋名：浙江寧波金塘大橋時(shí)間：2008年3月27日凌晨4時(shí)船舶：浙江臺(tái)州路橋船務(wù)有限公司勤豐128”輪原因：錯(cuò)誤設(shè)計(jì)航線后果：橋面箱梁塌落，壓在“勤豐128”輪駕駛臺(tái)上，4人死亡國(guó)外嚴(yán)重橋梁船撞事故年度統(tǒng)計(jì)中國(guó)嚴(yán)重橋梁船撞事故年度統(tǒng)計(jì)不完全統(tǒng)計(jì)2.橋梁船撞設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)踐現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)項(xiàng)目中國(guó)公路中國(guó)鐵路歐洲統(tǒng)一規(guī)范美國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范適用范圍較窄的內(nèi)河橋梁（也被用于海峽橋梁）（新建+加固）設(shè)計(jì)要求下部主要構(gòu)件不失效下部+上部主要構(gòu)件不失效設(shè)計(jì)方法確定性的確定性的+概率性概率性+投資效益分析船撞力計(jì)算方法/公式公式駁船：

公式輪船：

公式塔樓（桅桿）撞擊力：修正設(shè)防船撞力表格公式表格+公式

方法I：百分比方法；

方法II：目標(biāo)概率方法；方法III：投資效益分析方法。設(shè)計(jì)計(jì)算方法靜力方法靜力方法+動(dòng)力法靜力方法總體評(píng)價(jià)

單一性能要求

靜力設(shè)計(jì)理論

船撞力過于簡(jiǎn)化

不考慮撞擊的動(dòng)力效應(yīng)

單一性能要求

靜力設(shè)計(jì)理論船撞力過于簡(jiǎn)化

不考慮撞擊的動(dòng)力效應(yīng)

動(dòng)力荷載提供概念，但缺乏可靠的細(xì)節(jié)

單一性能要求

靜力設(shè)計(jì)理論船撞力過于簡(jiǎn)化不考慮撞擊的動(dòng)力效應(yīng)

引入風(fēng)險(xiǎn)分析方法

方法III實(shí)際可操作性不強(qiáng)20年來深刻變化基于性能設(shè)計(jì)理論基本輪廓已逐漸明晰基于性能設(shè)計(jì)的主要特征1.

可行性和效用評(píng)價(jià)：社會(huì)影響，政策和法律問題，可持續(xù)性，全壽命期費(fèi)用及投資2.概念設(shè)計(jì)和施工規(guī)劃，施工、檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)可行性和影響研究，以及按合同交貨選項(xiàng)評(píng)價(jià)3.區(qū)域和工程場(chǎng)地研究、地質(zhì)調(diào)查及需求分析4.與業(yè)主制定性能準(zhǔn)則，提出適用的指南、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及過去的經(jīng)驗(yàn)，并轉(zhuǎn)變?yōu)槎康闹笜?biāo)5.

初步設(shè)計(jì)，建立壽命期性能多目標(biāo)優(yōu)化約束函數(shù)；包括施工可行性、安全、檢查和維護(hù)等6.進(jìn)行性能和初步設(shè)計(jì)可靠性評(píng)價(jià)，選擇最佳方案，同行專家確認(rèn)，求得該設(shè)計(jì)階段最好解7.

施工圖設(shè)計(jì)和施工過程設(shè)計(jì)，落實(shí)合同執(zhí)行方法8.采用直觀推斷、分析、試驗(yàn)、基于保證書及相互組合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)檢驗(yàn)9.綜合機(jī)械、電力和通信系統(tǒng)進(jìn)行制造及架設(shè)施工10.上述過程歸檔；基于健康監(jiān)測(cè)原理啟動(dòng)壽命期檢測(cè)和維護(hù)程序；設(shè)計(jì)、施工者參與11.利用健康監(jiān)測(cè)程序的優(yōu)點(diǎn)綜合運(yùn)營(yíng)和維護(hù)管理12.修復(fù)、更新或退役；廢物利用和再循環(huán)的回報(bào)發(fā)展基于性能設(shè)計(jì)理論與規(guī)范的必要性(中交院+大連理工)

標(biāo)準(zhǔn)是為了在一定的范圍內(nèi)獲得最佳秩序，經(jīng)協(xié)商一致制定并由公認(rèn)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，共同使用的和重復(fù)使用的一種規(guī)范性文件，在一定程度上代表著一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展水平。國(guó)家之間的關(guān)稅壁壘逐步打破，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已不是傳統(tǒng)層面上的技術(shù)文件，而逐步成為主導(dǎo)國(guó)際貿(mào)易和控制國(guó)際市場(chǎng)的一張王牌。在這種背景下，發(fā)達(dá)國(guó)家不惜投入相當(dāng)?shù)娜肆拓?cái)力進(jìn)行技術(shù)戰(zhàn)略研究，強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)的制定，并積極參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，以在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得主動(dòng)地位。在工程建設(shè)領(lǐng)域，獲得國(guó)際建筑市場(chǎng)的一個(gè)重要方面是與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范接軌，提高國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的國(guó)際認(rèn)可度。由于世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)、文化的多元化，世界各國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在矛盾和差異不可避免，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范接軌不是規(guī)范、條文、設(shè)計(jì)公式的類同，而是設(shè)計(jì)理論的協(xié)調(diào)。在這種條件下，就必須對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)問題和外在環(huán)境進(jìn)行深入的調(diào)查，跟蹤國(guó)際、國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的發(fā)展趨勢(shì)。

橋梁船撞性態(tài)設(shè)計(jì)主要技術(shù)方面1.橋梁船撞設(shè)防水準(zhǔn)、性能等級(jí)和性能目標(biāo)2.橋梁船撞危險(xiǎn)性分析3.橋梁船撞易損性分析4.橋梁船撞危害性分析5.橋梁船撞性能設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑3.橋梁船撞設(shè)防水準(zhǔn)、性能等級(jí)和性能目標(biāo)3.1航道橋梁承擔(dān)的社會(huì)功能分類AASHTO《公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》:重要橋梁和一般橋梁。原則有二：（1）橋梁是否連接了社會(huì)安全和應(yīng)急救援設(shè)施或組織，如民防、警察、消防部門及公共衛(wèi)生機(jī)構(gòu)等。能為這些應(yīng)急結(jié)構(gòu)提供關(guān)鍵運(yùn)輸路線的橋梁劃分為重要橋梁；（2）是否在戰(zhàn)略公路網(wǎng)中處于關(guān)鍵連接點(diǎn)位置，作為關(guān)鍵連接的橋梁劃分為重要橋梁?！督ㄖこ炭拐鹪O(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》

:四個(gè)類別特殊設(shè)防類：指使用上有特殊設(shè)施，涉及國(guó)家公共安全的重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生

災(zāi)害等特別重大災(zāi)害后果，需要進(jìn)行特殊設(shè)防的建筑。重點(diǎn)設(shè)防類：指地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的生命線相關(guān)建筑，以及地震時(shí)可能導(dǎo)致

大量人員傷亡等重大災(zāi)害后果，需要提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類：指大量的除1、2、4款以外按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)防的建筑。適度設(shè)防類：指使用上人員稀少且震損不致產(chǎn)生次生災(zāi)害，允許在一定條件下適度降低要求的建筑?！豆窐蛄嚎拐鹪O(shè)計(jì)細(xì)則》：四類A類：指單跨跨徑超過150m的特大橋；B類：指除A類以外的高速公路和一級(jí)公路上的橋梁及二級(jí)公路上的大橋、特大橋等；C類：指A類、B類、D類以外的公路橋梁D類：指位于三、四級(jí)公路上的中橋、小橋。橋梁船撞重要性分類（建議）：綜合考慮以上關(guān)于橋梁功能分類的現(xiàn)有成果，建議在橋梁的船撞設(shè)計(jì)時(shí)將橋梁承擔(dān)的社會(huì)功能劃分為三個(gè)類別：I類：為社會(huì)安全機(jī)構(gòu)、消防結(jié)構(gòu)、公共衛(wèi)生機(jī)構(gòu)、應(yīng)急救援結(jié)構(gòu)等應(yīng)對(duì)緊急情況提供關(guān)鍵運(yùn)輸路線的橋梁；連接國(guó)家級(jí)樞紐交通和通信設(shè)施、資源和能源供應(yīng)基地的橋梁；連接重要軍事設(shè)施的橋梁。II類：除I類、III類以外的橋梁；III類：承擔(dān)的車輛和人員交通量稀少且周圍無關(guān)鍵安全和社會(huì)功能節(jié)點(diǎn)需要通過其進(jìn)行連接的省級(jí)以下地區(qū)性橋梁。

3.2航道橋梁船撞設(shè)防水準(zhǔn)橋梁船撞設(shè)防水準(zhǔn)(VesselCollisionHazardLevel)是指在橋梁船撞設(shè)防中根據(jù)客觀的船撞風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境和既定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮具體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件確定船舶撞擊的強(qiáng)烈程度，可以是設(shè)計(jì)代表船舶、也可以是設(shè)防船撞力。

在橋梁船撞方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究幾乎是空白，但在抗震領(lǐng)域則有較多的研究成果

。根據(jù)抗震領(lǐng)域在設(shè)防水準(zhǔn)方面的研究成果，同時(shí)考慮到后續(xù)確定的橋梁船撞設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)易于理解和不產(chǎn)生困擾，建議根據(jù)船舶撞擊橋梁事件的重現(xiàn)期將橋梁船撞設(shè)防水準(zhǔn)劃分為四個(gè)等級(jí)根據(jù)抗震領(lǐng)域在設(shè)防水準(zhǔn)方面的研究成果，同時(shí)考慮到后續(xù)確定的橋梁船撞設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)易于理解和不產(chǎn)生困擾，建議根據(jù)船舶撞擊橋梁事件的重現(xiàn)期將橋梁船撞設(shè)防水準(zhǔn)劃分為三個(gè)等級(jí)3.3橋梁船撞性能水平劃分參考地震工程領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)抗震性能等級(jí)劃分的研究成果，建議橋梁在遭受船舶撞擊后的使用功能狀態(tài)劃分為四個(gè)等級(jí)基礎(chǔ)整體抗撞能力3.4橋梁船撞性能目標(biāo)

參考地震工程領(lǐng)域中性能目標(biāo)的研究成果，建議橋梁船撞設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)如下：4.概率船撞危險(xiǎn)性分析

在橋梁船撞方面，概率分析的方法已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用，除了一些研究文獻(xiàn)外，美國(guó)的《公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》等采用了一種經(jīng)驗(yàn)概率方法來確定橋梁的設(shè)防船舶撞擊力。但是從目前的現(xiàn)狀來看，橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)分析中概率方法的應(yīng)用還是比較初步的。4.1概率船撞危險(xiǎn)性分析的概念

概率地震危險(xiǎn)性分析（probabilisticseismichazardanalysis）

橋梁遭受船舶撞擊是小概率事件，這一點(diǎn)與地震相似

橋梁船撞概率船撞危險(xiǎn)性分析的定義是對(duì)特定橋梁（方案或既有橋梁）確定其在未來一定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)船舶撞擊(代表船舶或撞擊力)超過某一給定值的概率方法。4.2碰撞場(chǎng)景事故分類

國(guó)際航海協(xié)會(huì)常務(wù)會(huì)議PIANC：

事故原因中約70%是人為失誤，20%是機(jī)械故障，10%是惡劣的自然環(huán)境綜合已有研究成果，并考慮到橋梁船撞危險(xiǎn)性分析方法工程應(yīng)用的實(shí)用性人為失誤機(jī)械失效走錨橋梁船撞危險(xiǎn)性分析中碰撞場(chǎng)景的分類橋梁船撞危險(xiǎn)性分析中的影響因素（修正系數(shù)）4.3橋梁船撞危險(xiǎn)性綜合概率分析模型與術(shù)語術(shù)語的定義誤航船舶：沒有按預(yù)定航道航行的船舶，包括偏航船舶、動(dòng)力失效船舶和走錨船舶三個(gè)子類。偏航船舶：船舶的動(dòng)力、舵和電子導(dǎo)航系統(tǒng)功能好正常，船舶航態(tài)可以得到有效的控制。船舶因人為失誤發(fā)生誤航的船舶。動(dòng)力失效船舶：動(dòng)力失效的船舶或拖行過程中發(fā)生斷纜的船舶。在初始慣性、水流和風(fēng)的作用下發(fā)生無動(dòng)力漂流。走錨船舶：錨地中的船舶發(fā)生走錨，在水流、風(fēng)的作用下發(fā)生無動(dòng)力漂流。危險(xiǎn)水域：指船舶誤航后可能撞擊橋梁的水域。危險(xiǎn)性水域定義了橋梁船撞危險(xiǎn)性分析需要考慮的水域范圍。可達(dá)水域：在危險(xiǎn)水域范圍內(nèi)，由河道水深和船舶吃水決定的船舶可以到達(dá)的水域。近場(chǎng)水域：指船舶誤航時(shí)處于尚未進(jìn)入按正常航道按正常航線航行的過渡航行狀態(tài)水域。遠(yuǎn)場(chǎng)水域：指近場(chǎng)水域效應(yīng)可以忽略的水域。遮擋水域：指危險(xiǎn)水域中可以遮擋誤航船舶，避免撞擊橋梁事件發(fā)生的水域。當(dāng)危險(xiǎn)水域中存淺灘或暗礁等時(shí)，誤航船舶受其遮擋而擱淺，起到了被動(dòng)降低船舶撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)的作用。

4.4基本公式詳細(xì)計(jì)算見本論文集和研究報(bào)告5橋梁船撞易損性分析5.1船撞易損性概念橋梁船撞易損性分析需要解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問題：

船舶作用的表達(dá)方式與反應(yīng)的計(jì)算方法；

橋梁船撞失效概率的計(jì)算方法。5.2橋梁船撞反應(yīng)計(jì)算方法滿足性能設(shè)計(jì)要求的橋梁船撞反應(yīng)計(jì)算方法：

等效靜力方法

簡(jiǎn)化強(qiáng)迫振動(dòng)方法

簡(jiǎn)化碰撞方法

碰撞有限元數(shù)值模擬方法5.3獲得簡(jiǎn)化動(dòng)力作用參數(shù)的技術(shù)途徑5.4失效概率的實(shí)用計(jì)算方法單一極限狀態(tài)

一次二階矩方法

二次二階矩方法MonteCarlo方法多極限狀態(tài)

一般界限法Ditlevsen界限法

概率網(wǎng)絡(luò)估算（PENT）法MonteCarlo方法矩法（推薦）:單一極限狀態(tài)多極限狀態(tài)對(duì)于隨機(jī)變量為有界情況也很有前途6橋梁船撞危害性分析困難：定量+定性ISO2394建議的壽命期造價(jià)函數(shù)為：一個(gè)相對(duì)具體的表達(dá)為：力求簡(jiǎn)單明了，避免無法實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)的具體估算方法，見提