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摘要： 针对船桥碰撞这一工程界的热门问题，从力学角度、概率角度、防撞角度三个方面综述了船桥碰撞问题的研究现状。归纳总结了船桥碰撞力的实用计算公式，指出了现阶段的研究存在的一些问题，提出了今后有待进一步研究的发展方向。
关键词：船桥碰撞；力学；概率；防撞
随着我国交通运输业的快速发展，跨越江河、海峡的大型桥梁的数量逐步增多，船舶的吨位、航速也在不断提高。船桥碰撞事故也随之频繁发生，近年来引起广泛关注的是2007年6月15日，广东九江大桥被一艘运输船撞击桥墩，造成200多米桥面坍塌坠入江中。其不仅会影响到桥梁的使用寿命，更会造成严重的人员生命伤害和财产损失。因此，船桥碰撞问题在近几十年引起了世界各国的广泛关注和研究，并取得了一些可观的成果。
1 力学研究的现状
1.1 船桥碰撞力理论及研究方法
船桥碰撞问题已有各国多位学者进行了分析研究，并取得了很多有价值的研究成果。其中，最多的是从力学方面进行研究分析的，目前已有的理论及计算方法如下。
1）米诺斯基理论
1959年，美国米诺斯基（V.U.Minorsky）针对核动力军舰的设计、核电站的防护以及其它海洋结构物的防撞保护问题，研究了26起船船碰撞事件，得出了变形的刚体积和吸收冲击能之间的一种线性关系，即著名的米诺斯基曲线。
米诺斯基认为，按照能量守恒定律，两艘船舶在碰撞时，速度发生突然改变，同时两艘船舶的结构也发生了变化。从能量转移的观点，在碰撞时发生动能的改变，部分动能消耗于碰撞后两艘船舶的运动和碰撞冲击时周围水的运动，剩余部分的动能则由结构的弹性和塑性变形或结构撕裂所吸收，因此提出了碰撞系统能量吸收系数的概念。
米诺斯基理论自1975年公开发表后，已为众多的实验证实，由此奠定了船桥碰撞的分析基础，为国际桥梁工程界和各国学者公认。
2）沃辛碰撞理论
德国学者沃辛（G.Woisin）在1967-1976年间，针对保护核动力船的反应堆不受其它船舶撞击而作了若干次高能动力船舶撞击模型试验，进而充实和发展了米诺斯基理论，并将其应用于船桥碰撞的分析当中。
3）汉斯-德鲁彻理论
汉斯-德鲁彻理论主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击，该理论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统的数学模型，计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移，船舶的最大加速度，船舶的最大撞击力，撞击过程的持续时间。
4）数值解法
数值解法产生于船-船碰撞理论，引伸到船-桥碰撞计算。数值方法中较有代表性的是Pedersen方法和它的扩展计算方法。前者提出的计算方法可以模拟碰撞中船舶的水平运动，归结为两维问题，后者将问题扩展为三维情况，考虑了碰撞中船舶6个自由度运动。在该方法中流体运动力用切片法计算，碰撞力则假设为贯入量的非线性函数，通过6根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理。当设定被撞船具有极大质量和刚度时，就成为船-桥碰撞的模拟计算。
5）简化解析法
简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型，导出这些简化模型损伤的理论公式，分别计算出每一种简化模型的损伤力和变形能，最后合成总的船舶结构损伤力和能量。简化解析法是一种非耦合的方法。
6）实验方法
通过碰撞模型实验，直接测量船桥碰撞中碰撞力，变形能随撞深的变化曲线。但由于实验方法耗费昂贵，一般难以实施。
7）有限元方法
有限元方法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用，在计算像船舶这样具有复杂结构形式的结构受力变形时，更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。
1.2 船桥碰撞力实用计算公式：
2 概率研究现状
目前，考虑风险因素的概率研究得到了越来越多的关注，先阶段主要有以下三种分析方法。
1）统计分析法
大多数船桥碰撞的概率研究是基于船-船相撞以及船舶搁浅事故。
2）模型或实船试验
我国武汉理工大学曾经对长江口上正在建设的苏通大桥项目进行过实船航行试验，以确定船撞桥的可能性以及桥墩的合理位置。
3）数学模型和实验验证
几何概率的正态分布模型以及漂流船舶的均匀分布等模型的提出都属此例。这些模型也一直在根据各地和不同项目的实际情况在不断地验证、修正。
3 防撞研究现状
防撞方面的研究主要有主动防撞和被动防撞，主动防撞是指通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预，避免船撞桥事故发生，被动防撞是指通过桥墩自身的加强或防撞设施来抵抗船舶的撞击威胁。目前应用最多的是被动防撞方案，主要有以下几种。
1）附着式防撞方案
通过碰撞过程中允许船舶有缓冲位移而起到耗散撞击动能的目的。
2）薄壳筑沙围堰防撞方案
受到撞击时，锚固在河底的钢板桩被拨出，内部的填充材料外溢，船体与高摩阻的填充材料充分摩擦，从而达到大量吸收能量的目的。
3）漂浮网状防护方案
防护系统的网状拦截设施将船舶拦住后，其水下的锚链能有效消耗撞击能量。
4 结语
1）船桥碰撞问题，目前虽然有很多实用计算方法，但各个公式都对一些因素做了简化，结果并不是十分精确。
2）在我国，船桥碰撞问题还没有专门的设计规范可供使用，在我国的桥涵设计规范中的相应条款过于简单。因此，开展对船桥碰撞问题的专门研究和制定相应的设计规范显得尤为紧迫和重要。
3）随着计算机硬件系统和非线性有限元分析技术的发展，船桥碰撞问题的计算有了新的突破。但其对于桥墩的桩土耦合关系的处理及桥墩破坏模型等的处理并不是十分精确，所以，模型的简化是否合理，能否真实的模拟实际的碰撞过程将成为今后研究的重点。
4）现在应用的最多的防撞研究方案是被动防撞，笔者认为将概率研究和主动防撞相结合，将能够达到减小风险和更好地保护桥梁的目的。
参考文献
[1]中华人民共和国铁道部.TB 10002.1-99铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社.2000
[2]中华人民共和国交通部.JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社.2004
[3]Minorsky VU.An analysis of ship collision with reference to protection of unclear power ships[J].Journal of Ship Research，1959：208-214.
[4]Woisin G.Design against collision.Proc.of Int.Symposium on Advances in Marine Technology[R].Trondheim，1979：309-336.
[5] 姜金辉，金允龙，潘溜溜，梁文娟.桥梁防撞研究技术与方法[J].上海船舶运输科学研究所学报，2008，31（1）：23-27.
[6] 黄志斌，罗旗帜.船桥碰撞力的评述和展望[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2007，25（5）：35-39.
[7] 梁文娟.船舶碰撞的三维分析[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，1986 （1）：80-93.
[8] 王自力，顾永宁.船舶碰撞力学过程的数值仿真研究[J].爆炸与冲击，2001，21（1）：29-34.
关键词：船桥碰撞；力学；概率；防撞
随着我国交通运输业的快速发展，跨越江河、海峡的大型桥梁的数量逐步增多，船舶的吨位、航速也在不断提高。船桥碰撞事故也随之频繁发生，近年来引起广泛关注的是2007年6月15日，广东九江大桥被一艘运输船撞击桥墩，造成200多米桥面坍塌坠入江中。其不仅会影响到桥梁的使用寿命，更会造成严重的人员生命伤害和财产损失。因此，船桥碰撞问题在近几十年引起了世界各国的广泛关注和研究，并取得了一些可观的成果。
1 力学研究的现状
1.1 船桥碰撞力理论及研究方法
船桥碰撞问题已有各国多位学者进行了分析研究，并取得了很多有价值的研究成果。其中，最多的是从力学方面进行研究分析的，目前已有的理论及计算方法如下。
1）米诺斯基理论
1959年，美国米诺斯基（V.U.Minorsky）针对核动力军舰的设计、核电站的防护以及其它海洋结构物的防撞保护问题，研究了26起船船碰撞事件，得出了变形的刚体积和吸收冲击能之间的一种线性关系，即著名的米诺斯基曲线。
米诺斯基认为，按照能量守恒定律，两艘船舶在碰撞时，速度发生突然改变，同时两艘船舶的结构也发生了变化。从能量转移的观点，在碰撞时发生动能的改变，部分动能消耗于碰撞后两艘船舶的运动和碰撞冲击时周围水的运动，剩余部分的动能则由结构的弹性和塑性变形或结构撕裂所吸收，因此提出了碰撞系统能量吸收系数的概念。
米诺斯基理论自1975年公开发表后，已为众多的实验证实，由此奠定了船桥碰撞的分析基础，为国际桥梁工程界和各国学者公认。
2）沃辛碰撞理论
德国学者沃辛（G.Woisin）在1967-1976年间，针对保护核动力船的反应堆不受其它船舶撞击而作了若干次高能动力船舶撞击模型试验，进而充实和发展了米诺斯基理论，并将其应用于船桥碰撞的分析当中。
3）汉斯-德鲁彻理论
汉斯-德鲁彻理论主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击，该理论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统的数学模型，计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移，船舶的最大加速度，船舶的最大撞击力，撞击过程的持续时间。
4）数值解法
数值解法产生于船-船碰撞理论，引伸到船-桥碰撞计算。数值方法中较有代表性的是Pedersen方法和它的扩展计算方法。前者提出的计算方法可以模拟碰撞中船舶的水平运动，归结为两维问题，后者将问题扩展为三维情况，考虑了碰撞中船舶6个自由度运动。在该方法中流体运动力用切片法计算，碰撞力则假设为贯入量的非线性函数，通过6根非线性弹簧描述碰撞区结构的内部机理。当设定被撞船具有极大质量和刚度时，就成为船-桥碰撞的模拟计算。
5）简化解析法
简化解析法是将船舶结构部件分解成几种简单模型，导出这些简化模型损伤的理论公式，分别计算出每一种简化模型的损伤力和变形能，最后合成总的船舶结构损伤力和能量。简化解析法是一种非耦合的方法。
6）实验方法
通过碰撞模型实验，直接测量船桥碰撞中碰撞力，变形能随撞深的变化曲线。但由于实验方法耗费昂贵，一般难以实施。
7）有限元方法
有限元方法可以比较精确地计算结构之间变形和受力的耦合作用，在计算像船舶这样具有复杂结构形式的结构受力变形时，更能体现出比简化解析法计算结果精确的优势。
1.2 船桥碰撞力实用计算公式：
2 概率研究现状
目前，考虑风险因素的概率研究得到了越来越多的关注，先阶段主要有以下三种分析方法。
1）统计分析法
大多数船桥碰撞的概率研究是基于船-船相撞以及船舶搁浅事故。
2）模型或实船试验
我国武汉理工大学曾经对长江口上正在建设的苏通大桥项目进行过实船航行试验，以确定船撞桥的可能性以及桥墩的合理位置。
3）数学模型和实验验证
几何概率的正态分布模型以及漂流船舶的均匀分布等模型的提出都属此例。这些模型也一直在根据各地和不同项目的实际情况在不断地验证、修正。
3 防撞研究现状
防撞方面的研究主要有主动防撞和被动防撞，主动防撞是指通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预，避免船撞桥事故发生，被动防撞是指通过桥墩自身的加强或防撞设施来抵抗船舶的撞击威胁。目前应用最多的是被动防撞方案，主要有以下几种。
1）附着式防撞方案
通过碰撞过程中允许船舶有缓冲位移而起到耗散撞击动能的目的。
2）薄壳筑沙围堰防撞方案
受到撞击时，锚固在河底的钢板桩被拨出，内部的填充材料外溢，船体与高摩阻的填充材料充分摩擦，从而达到大量吸收能量的目的。
3）漂浮网状防护方案
防护系统的网状拦截设施将船舶拦住后，其水下的锚链能有效消耗撞击能量。
4 结语
1）船桥碰撞问题，目前虽然有很多实用计算方法，但各个公式都对一些因素做了简化，结果并不是十分精确。
2）在我国，船桥碰撞问题还没有专门的设计规范可供使用，在我国的桥涵设计规范中的相应条款过于简单。因此，开展对船桥碰撞问题的专门研究和制定相应的设计规范显得尤为紧迫和重要。
3）随着计算机硬件系统和非线性有限元分析技术的发展，船桥碰撞问题的计算有了新的突破。但其对于桥墩的桩土耦合关系的处理及桥墩破坏模型等的处理并不是十分精确，所以，模型的简化是否合理，能否真实的模拟实际的碰撞过程将成为今后研究的重点。
4）现在应用的最多的防撞研究方案是被动防撞，笔者认为将概率研究和主动防撞相结合，将能够达到减小风险和更好地保护桥梁的目的。
参考文献
[1]中华人民共和国铁道部.TB 10002.1-99铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社.2000
[2]中华人民共和国交通部.JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社.2004
[3]Minorsky VU.An analysis of ship collision with reference to protection of unclear power ships[J].Journal of Ship Research，1959：208-214.
[4]Woisin G.Design against collision.Proc.of Int.Symposium on Advances in Marine Technology[R].Trondheim，1979：309-336.
[5] 姜金辉，金允龙，潘溜溜，梁文娟.桥梁防撞研究技术与方法[J].上海船舶运输科学研究所学报，2008，31（1）：23-27.
[6] 黄志斌，罗旗帜.船桥碰撞力的评述和展望[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2007，25（5）：35-39.
[7] 梁文娟.船舶碰撞的三维分析[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，1986 （1）：80-93.
[8] 王自力，顾永宁.船舶碰撞力学过程的数值仿真研究[J].爆炸与冲击，2001，21（1）：29-34.