20 0912中外船撞桥实验评述Word格式.docx
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并且试验发现基础变形对船撞力的影响很大。
试验布置图
船桥碰撞前示意图碰撞后船体变形图
由以上试验可以看出，在试验时考虑不同因素对船撞的影响是非常必要的，如德国学者沃以信，试验时应用了不同的船舶首部形状（具有不同的刚性）；
米勒也考虑到了静力和动力两种情况下碰撞力、碰撞能和非弹性变形之间的关系；
日本的长村等对常规超大型油轮舷侧结构失效进行了准静态和动态的模型碰撞试验；
以及2004年美国佛罗里达大学在贝里安型桥上进行的不同撞击速度下的碰撞试验。
在碰撞过程中，不仅船舶自身有变形与损伤，而且桥梁各部分如桥墩、基础都是有一定的动力响应，试验者在过程中记录了船舶和桥梁两者在船撞力作用下的变形过程。
如2004年美国佛罗里达大学在贝里安型桥上进行的碰撞试验，测量了碰撞过程中桥墩、基础和驳船的动力响应，得出了一个桥墩发生撞击时，部分撞击力可通过上部结构传递到相邻桥墩上的结论，并且试验发现基础变形对船撞力的影响很大；
这些实船实验追求的目标、测量记录的项目和参数以及得到的结果，都值得我们学习和借鉴。
2.国内进行过的船撞桥实验简述
与国外投入较大精力从事实船撞桥墩试验研究相比，国内开展的试验集中在对防撞原理、防撞元件和防撞设施的实验，后者主要做的是比例模型试验。
2.11990-1995实测撞击裸桥墩和撞击防撞元件的时间以武汉长江大桥为对象，研究使用公路规范漂流物公式计算撞击力时必须代入的冲击时间。
张维衡[6]、陈国虞[7]、李国华[8]等分别在华中理工大学和中国船舶科学研究中心做过3组试验。
表1是这三组试验的冲击时间值：
模拟船头对混凝土冲击试验（华中理工大学1990年）[6]
单自由度系统[8]
落锤冲击试验机[8]
表1冲击试验实测出的冲击时间
序
相撞系统的材料
试验单位及试验机参数
该试样的
试验条件
冲击持续
时间S
备注
1
钢—钢筋混凝土[6]
华中理工大学船舶与海洋工程系结构研究室
锤头碰撞能量11590J
锤头动量6994kg-m/s
冲量N·
S
6102
7742
10444
0.0838
0.0632
0.0515
武汉铁路局委托，共有10次数据
2
钢-鼓型橡胶隔振垫[8]
中国船舶科学研究中心结构试验室
1#锤头，能量max5000J
撞击初速度0.3～0.6m/s
初速度m/s
0.3
0.6
0.13
0.14
橡胶厂委托，共有10次数据
3
钢—钢丝绳防撞圈[7]
撞击初速度1～8m/s
初速度0.6
（m/s）1.4
1.4
1.7
3.7
4.5
5.3
0.65
0.55
0.40
0.33
0.30
0.29
高强度压接试验厂委托,共有26次数据,内分不同钢绳结构和绳圈结构
由表1可以看出钢结构撞击钢筋混凝土（该钢结构刚性极大，看作无塑性变形）的撞击时间小于0.1秒（0.05—0.08）；
中间加了鼓形橡胶垫为0.13-0.14秒；
中间加钢丝绳防撞圈为0.29—0.65秒。
可知在未用防撞垫时实际撞击力应比该规范中所说的：
“无资料时用1s代入”算出的大10倍左右。
随着钢结构刚度下降，时间增加，撞击力下降。
在表1中第2、3两种情况，船头与墩中间加上（弹性、弹塑性、粘性或低刚度的）防撞装置，船头和防撞装置这个系统便有一个新的系统撞击时间。
延长了该时间引致撞击力下降的值，便是防撞装置的作用。
本实验看出从理论到实践均己清楚，只要测定相撞系统（包括船头、防撞装置和桥墩）在船与墩相对速度下的撞击时间，代入公路规范公式便可算出撞击力。
表中2、3两个试验是在中国船舶研究中心进行的[8]，单自由度的运动方程为：
mx”+Cx’+Kx=mg
m为：
落锤质量kg；
C为：
试件阻尼Ns/m；
K为：
试件刚度N/m；
g为：
重力加速度9.81m/s2
且：
冲击力F=mg—mx”
x’=
x”dt
x=
x’dt
只要用一个加速度传感器，测得“力-变形”图的纵轴数值，将测得结果积分2次，便可得出横轴数值。
质疑者认为，材料力学实验的“力-变形”图，应该对x-y两个坐标分别用两个传感器。
2.21995-2005年铁路规范船撞力公式中动能折减系数的实验厘定[9]
为厘定铁路规范船撞力公式中，计算撞击力时必须选择的撞击损耗系数，由陈国虞、倪步友设计，制造试样，并委托中国船舶科学研究中心进行了几十次实验，报告了35条曲线。
如果承认曲线中的第I部分是撞击损耗功，那么实测的损耗系数不应该是规范的0.3，而应该是0，9.
冲击试验曲线中的3部分功
表1钢对钢面接触、钢对钢线接触和钢对混凝土撞击表面耗能系数
撞击初速度m/s
接触形状和材质
外加功
J
总耗功
表面耗功
外加功中总消耗%
外加功中表面消耗%
备注
试验日期
4.0
钢对钢（面接触）
10094
7783
1480
77
14.7
20011119
10230
7075
2216
69
22.1
3.6
8320
6903
1889
83
22.7
4
8235
5723
1084
13.2
5
4.4
12210
9935
2137
81
17.5
6
3.1
69830
37840
14417
54
20.6
20020121
7
113700
112300
16334
99
14.4
8
86090
64830
10397
75
12.1
9
92554
68114
30761
74
33.2
20030313
10
5.6
121603
104612
23484
86
19.3
11
27404
29.6
12
钢对混凝土
5562
5258
471
95
8.5
20040826
13
6535
2838
100
43.4
14
钢对钢（线接触）
5702
5185
90
15
11068
10748
97
16
11281
11018
98
1.钢对钢（面接触）平均值：
19.9%范围：
（12.1～33.2）%
3.钢对钢（线接触）00
表1-1
表1-2
表1-3
表1-4
表1-5
表1-6
表1-7
表1-8
表1-9
表1-10
表1-11
表1-12
表1-13
表1-14
表1-15
表1-16
2.31997年多个防撞圈串联、并联系数和同期系数的测定[10]
试验由陈国虞、倪步友设计，制造试样，并委托中国船舶科学研究中心进行的.用D300mm防撞圈，从单个防撞圈到多个防撞圈在外钢围包络下同期作用，以实验测定其同期系数（同期系数的计算由宁波大学进行）和串联、并联系数。
同期系数测定的试样
试样在试验机的安放
试样在试验机横放
试样在试验机竖放
试样横放，只留上面两个防撞圈测定压状态；
只留左右两个防撞圈测定剪状态；
去掉上面两个是两剪两拉，减去两剪便是拉状态。
竖放，同理。
2.42003年，柔性耗能防撞装置用D800mm防撞圈与外钢围组成实体分段试验[10]
试验由陈国虞、倪步友设计，制造试样，并委托中国船舶科学研究中心在5000kg重的落锤下进行，以实船相撞速度（4m/s左右）对外钢围与多个D800mm防撞圈建成防撞装置的大型分段，进行冲击实验，测定工程设计使用的数据。
冲击后
防撞圈与外钢围组成的试样
2.51990年，水中拦截模型试验[6]
1990年，张维衡在华中理工大学船舶和海洋工程系试验水池进行的水中拦截模型试验，使用了1：
20，长4.225m（东方红46）和3.900m（平头涡尾型）两种模型，有浮箱、链索、锚和拦纲能够实现拦截。
拦截试验简图
约20年后，中国人民解放军理工大学工程兵工程学院的吴广怀、黄光远研究设计了20000t级海船拦阻设施；
朱应钦、金广谦、戚亮研究了运河1000t级船的拦阻设施。
宁波大学设计研究了宁波外滩大桥的拦阻设施。
2.62002年福建泉州后渚大桥防撞围堰模型试验[11][12]
福州大学的林建筑、郑振飞、卓卫东和谢兰捷等，以泉州后渚大桥为实际工程背景，通过模拟船撞的缩尺模型试验，研究了实际船撞力的大小。
该桥位于泉州港区后渚航道上游,洛阳江入海处。
由于该桥桥墩（刚构双薄壁墩）的防撞能力较弱,为保证大桥安全,特在距桥墩下游35m处设置了4个直径15m的人工防撞岛,防撞岛采用双壁钢围堰,壁仓内浇筑25号混凝土,围堰内则填充砂砾。
试验取防撞岛模型的长度相似系数为1:
20,,即模型按比例缩为原型的1/20。
考虑到实际撞击过程中,防撞岛将发生非线性力学行为,模型采用原型材料制作。
试验在油船模型的船艏球鼻位置和防撞岛双壁钢围堰内,都安装了一个力传感器,用于记录油船模型与防撞岛模型相撞时船撞力随时间变化的曲线。
并在模型上布置了位移和加速度传感器，此外还布置了应变片测点,以了解防撞岛模型在船撞力作用下的动态应力分布。
试验中模拟了船舶的正撞情况，撞击速度是通过油船模型的自由落体运动产生的。
根据撞击速度和材料的不同，试验分为三种工况，记录了不同撞击速度下油船模型与防撞岛模型相撞时船撞力变化以及防撞岛模型在船撞力作用下的动态应力分布。
试验测出的船撞力如表2所示,表中每个试验工况都重复进行了3次试验。
表2 船撞围堰模拟试验工况及测出的船撞力
试验工况
油轮撞击速度（m/s）
围堰内填筑材料
换算得到的原型船撞力（kN）
工况1
1.771
砂砾
12966
工况2
片石和砂砾
14272
工况3
0.886
8312
试验结果表明，按美国AASHTO规范公式计算的结果最为接近。
该试验结果均没有考虑水的作用，在实际船撞过程中,由于水也参与了能量吸收,因此,实际船撞力数值要比试验得到的船撞力低。
2.7昂船洲大桥堤后墩撞击模型试验[13]
2008年，郭志辉、李德明报告了昂船洲大桥堤后墩撞击模型试验。
该桥为一跨过江的斜拉桥，桥墩及其下面的桩均在海堤后面，船头撞向海堤，需要用实验法测量、评估，在万一船撞上海堤时，桩边土壤是否能够抵御由于船撞使桩压向土壤的力。
模型为1/200的满载排水量155000t船的船头，该船长360m，宽43m，吃水14.5m.，为了符合模型的几何比例，用离心机加速土壤“将土壤加重”。
待土壤加速到要求的加重时，船头以设定的速度撞向桥墩，测定墩下桩边土壤的受力和变形。
船撞堤后墩简图
2.8东海大桥主墩防撞装置试验及其实施
公路桥涵规范『』规定：
“位于流水中的桥墩，宜做成圆形、园端形或尖端形，以减小流水压力”。
东海大桥主塔墩设计成矩形的，不符合规范。
首先用防撞装置使主墩形状得以符合规范。
见下图[14]：
以载重16000t的典型船，4m/s速度，船撞主墩平面，力为110MN；
有防撞装置后船撞防撞装置的斜面，传到主墩的船撞力为30MN。
主墩设计能抵御50MN的水平力。
试验证明防撞装置设计成功。
东海大桥主墩防撞装置试验模型平面图
东海大桥主墩防撞装置试验模型立面图
实际实施的防撞装置不是上述模型试验装置，它另外设计建造如下图。
横桥向两面各增加3个直径11m的圆形承台，每个承台下面8根D1.8m的斜钢管桩。
3个承台之间用混凝土梁相连。
优点是施工容易，造价低；
缺点是这个防撞装置只能防御小船，降低了原来的防撞标准，当典型船撞防撞装置时，主墩帮不上忙，防撞装置倒塌压向主墩。
东海大桥实际实施的防撞装置[15]
3.中、外各国几个重要的船撞桥实验中值得学习的地方
从已有实船撞墩试验可以看出，最能反映船撞桥实质的应是用实船在航行条件下与桥墩的碰撞。
即应能反映诸如船体和桥墩变形、附连水、基础变形和钢与混凝土材料应变率效应等多种因素的影响。
进行实船试验，便能考虑这些因素，更为真实地反映船撞桥墩实际情况。
由于国内试验的目的，首先是为桥梁设计者确定船撞力标准（大小），所以目前国内模型实验的焦点集中在船舶的碰撞持续时间、撞击力和撞击动能，其次是碰撞过程中船舶结构的应变以及桥梁各部分结构的响应等方面。
例如华中理工大学和中国船舶科学研究中心等通过对船头进行撞击的方法，进行了在不同相撞系统材料下模拟船桥碰撞行为试验，得出了随着相撞系统材料柔性的增加，碰撞时间增加，耗能时间增长，撞击力降低的结论。
具体说来实船撞击实墩有以下几点想法：
1）应该用实船撞击实墩；
应在该墩上布置测力计，求出桥墩实际受力。
2）应该用单体自航船，而不是驳船或驳船队；
理由如下：
我国的大型驳船队，主要在武汉以下的长江中下游从事载货运输。
曾每年为马钢、武钢运输矿石1000万吨以上（上水），为沿江各电厂运输煤炭2000万吨。
最大的驳船队为1×
6000马力+20×
2000t，载重量达到4万吨。
驳船队运输风行了大约50年。
进入21世纪，船运公司增多，货源分散；
北煤南运的港口建成，水运煤由江运转到海运；
大量5000～30000t江海联运浅吃水散货船投入运输，它们自航，调度方便，靠离码头不需港作船帮助，不花港作规使费，船上防浪防潮设备好，适用于多种货品，适应港1：
3大型化和港口装卸高速化。
因此港口和货主倾向自航货船，大多数货主不再接受2000t以下驳船。
由于驳船队运输“不适港，不适货”，退出江湖是必然趋势。
2009—11-04，国内最大的内河水运企业——凤凰公司，将106艘2000t分节驳退出市场。
长江航运进入自航船舶时代。
选一艘500t左右的尾机机动驳，长宽比为6：
1～7：
1（对应散货船、集装箱船）；
吃水/船宽为1/（3.5～4.0）左右（对应江海直达船）；
并有球首。
3）课题研究中进行有限元数值计算的各项结果均应事先对实船试验的船、防撞装置和墩进行计算，在试验时测量这些参数（碰撞力、碰撞能、碰撞持续时间、船舶运动以及船体应变等）；
进行对比和分析。
4）想办法测出撞击过程船的“速度时程曲线”或速度变化向量图
4、我国进行船撞桥实船试验观测和可能实现的目标[15]
4.1试验观测
1演示船头被拨开；
演示整个船身运动情况（轨迹）；
整个过程多个角度全程录像。
2撞击过程对船全程测速，记录船速随时间变化的历程（可能要用GPS记录速度的高技术）；
测出撞后保留在船上的速度，给出参加交换能量的%比。
最好能够自动绘制速度向量图。
3．碰撞过程船体和桥墩变形、加速度、碰撞力和耗能历程；
从3个方面测定力的时程曲线；
1）船的撞前撞后力的时程曲线；
2）防撞装置外围力的时程曲线；
3）桥墩受力时程曲线;
4测定吸能情况
1）柔性防撞圈吸能
2）钢围吸能
3）桥墩吸能（其中桥墩吸能可能得不出,试用桩的阻力和位移计算）
4.2推理、分析
1.使用防撞装置后撞击力的降低，降低%；
2.分析所使用软件的准确性，主要各项测试参数与计算结果比较分析；
并考虑今后多种因素情况下数值计算参数的取值；
3.在碰撞过程中桥梁各部分的动力响应以及船只对桥梁撞击所造成的结构损伤，并对桥梁设计和规范修订提出建议；
4．船体和桥墩质量、材料特性以及碰撞速度对船撞力和船撞过程的影响，并对桥梁设计、建造施工提出建议。
4.3实船撞墩试验的难点
1）试验船实时速度向量记录图，从开始到结束，延续30秒左右。
2）防撞装置的设计、建造、安装、传感器的布置和安装；
以及所有准备记录数据的预计算。
3）大变形的测量，需将测量结果变为电子信号同期输入。
（注：
本文作者及课题组欢迎读者在实验前提出宝贵意见）
参考文献：
[1].Minorsky,V.Ananalysisofshipcollisionwithreferencetoprotectionofnuclearpowership.[J]JournalofShipResearch.Vol.3.1959.
[2].Woisin,G.Designagainstcollision.[J]SchiffandHafenVol31No2.Germany.1979.
[3].Meir-Dornberg,K.E.Shipcollisionsafetyzones,andloadingassumptionsforstructuresoninlandwaterways,[R].VDI-BerichteNo.496,1983,pp.1-91983
[4].GobleG.,SchulzJ.,andCommanderB.Lockanddam#26Field[R]TestReportfortheArmyCorpsofEngineers,BridgeDiagnosticsInc.,Boulder,Co.1990,
[5].GaryR.ConsolazioBargeimpacttestingofthest.georgeislandcausewaybridge,Report[R]2004
[6]华中理工大学船海系、郑州铁路局武汉科研所。
船舶与桥墩的碰撞防护研究报告桥墩的碰撞防护武汉[R]
[7]陈国虞王礼立。
船撞桥及其防御北京中国铁道出版社2006
[8]李国华冯子均。
冲击法测量橡胶隔振器的动态特性现代振动与噪声技术273-278北京航空工业出版社1997
[9]陈国虞倪步友。
铁路规范船撞力公式中动能折减系数的实验厘定[R]上海海洋钢结构研究所2007
[10]陈国虞王礼立黄德进。
多个防撞圈在防撞装置中的同期作用历时之数值分析及试验验证[R]上海海洋钢结构研究所2007-12-12
[11]林建筑郑振飞卓卫东。
泉州后渚大桥船撞力试验研究[J]《中国公路学报》2003第16卷2期
[12]谢兰捷郑振飞卓卫东。
泉州后渚大桥防撞岛结构试验与分析研究[J]《福州大学学报》
自然科学版2004
[13]郭志辉李德明。
昂船洲大桥——船舶撞击分析及测试[A]第18届全国桥梁会议（天津）论文集[C]p。
950北京人民交通出版社2008
[14]林树人。
东海大桥主通航孔通航条件模型试验研究[R]上海船舶运输科学研究所2003
[15]邓青儿。
跨海大桥通航孔主墩防撞设计探讨[A]第18届全国桥梁会议（天津）论文集[C]p。
470北京人民交通出
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