刘占辉(1983-), 男, 博士, 主要从事大跨桥梁结构动力灾变及其振动控制研究, E-mail:
Liu Zhanhui (1983-), PhD, main research interests: dynamic disaster and vibration control of long-span bridges, E-mail:
桥梁撞击是影响桥梁建设和运营的一个关键问题,学者们对此进行了大量工作,并取得了积极的进展。为进一步促进桥梁撞击与防护方面的研究,回顾了2019年桥梁撞击事件及科学研究现状,主要从船撞、落石撞击、车撞等3方面对目前研究热点进行简要归纳总结,并从已有研究的拓展、新材料、新型结构、新的理论方法等方面展望桥梁撞击灾变和防控的研究趋势。近场动力学研究方法的引入将有助于加深对碰撞本质的认识,也将为桥梁撞击问题分析突破传统思维瓶颈提供新的路径。
The impact of the bridge is a key problem that affects the construction and operation of the bridge. Scholars have conducted a large amount of research on it and made positive progress. To promote research on the impact of bridges, the authors review the bridge collision events and the current situation of scientific research in 2019, summarize the current analysis hot spots from three aspects of ship collision, rockfall impact and vehicle collision, look forward to the research trend of bridge collision disaster, prevention and control, and the research trend of bridge impact disaster and prevention and control from the aspects of existing research expansion, new materials, new structures and new theoretical methods, among which the introduction of peridynamic research method will open a new window for the mechanism analysis of bridge collision. Among them, the introduction of peridynamic research method will help to deepen the understanding of the nature of collision, and provide a new path for the analysis of bridge impact problems to break through the bottleneck of traditional thinking.
桥梁是“跨越障碍的通道”。桥梁的建设与人类社会发展息息相关,从“横木为梁”、“结藤成索”、“垒石为拱”3种古代基本桥式的诞生,逐渐发展演变到现代桥梁的造型多样、超长大跨,其跨越对象为大江大河、深沟峡谷、海峡滩涂、既有线路等,对应的就有跨河桥、跨谷桥、跨海桥、跨线桥等。据中国2019年桥博会公布数据显示,在长江干流上已建成的各类长江大桥就达115座。这些桥梁构成了当地交通系统的关键环节,并进一步推动着社会和经济的发展。
对于跨河桥、跨海桥,一般有通航的要求。无论是大跨缆索承重桥梁的桥塔结构还是梁桥、拱桥等的墩台对河流和海洋环境都有一定程度的影响,同时,通航船只和漂流物对桥梁的撞击作用也是跨河、跨海桥面临的一大威胁。而山区修建的跨谷桥与平原和浅丘地区的桥梁相比,通常具有“两高一大”(桥面高、桥墩高,桥梁跨径大)的显著特征[
桥梁撞击问题是既有和在建桥梁工程长期面临的问题;大跨桥梁等复杂结构的灾变和防控问题也被列入了2006年国务院颁布的《2006—2020年国家中长期科学和技术发展纲要规划》中。2019年国家自然科学基金在“桥梁撞击与防护方面”批准资助的项目有4项,2019年仍在执行期的有7项。桥梁撞击及防治是国家发展需求,也是近年来的研究热点。
2020年作为“十三五”科技创新规划的收官之年,也是面向“十四五”部署科技重点任务的关键之年。“明镜所以照形,古事所以知今”,笔者主要回顾了2019年桥梁撞击事件及科学研究现状,对目前分析热点进行归纳总结,展望撞击灾变和防控的研究趋势。
跨越水上航线的桥梁结构(如跨河桥、跨海桥等)船撞事故频发,其导致的桥梁损伤、倒塌危害巨大;船撞风险在桥梁结构规划、设计以及运营全寿命过程中不可忽视。1980年,美国阳光大桥船撞事故之后,桥梁界开始对船撞问题高度重视。美国交通部门统计数字显示:大型桥梁通航运营期间,约1/10会因船撞而垮塌,如不加以重视,甚至会达到50%以上[
桥梁船撞规范或标准目前有美国道路工程师协会(AASHTO)于1991年编写的《公路桥梁船撞设计指南》(该指南于2009年进行了修订),其专门针对美国内河桥梁提出了基于风险的船撞设计技术标准和设计方法。1996年美国铁路工程协会(AREMA)出版了《防撞保护系统设计规范》。欧洲用于指导桥梁船撞设计的规范是1997年出版的欧洲统一规范中的Eurocode 1.2.7分册。中国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D 60—2015)和《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)对船撞有所涉及;中国第一部专门的船撞设计指南是地方标准《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》(DBJ/T 50-106—2010)。中国公路学会2018年发布了《公路桥梁防船撞装置技术指南》,以此来规范公路桥梁防船撞装置的技术要求,提升桥梁防船撞产品的质量水平。
桥梁船撞理论分析模型研究方面:张可成[
式中:
Song等[
该模型的有效性在两个桥梁模型的案例分析中得到了验证。宋彦臣等[
桥梁船撞响应分析方面:跨通航水道特大型桥梁结构设计的一个关键问题是保证桥梁在船舶碰撞事故中的安全性。袁龙文等[
桥梁下部结构(包括桥墩和桥塔)应有足够的防撞能力,这方面引起了足够的重视,但上部结构的撞击却往往被忽略。Sha等[
桥梁船撞风险评估方面:罗嘉敏等[
Chen等[
在船桥碰撞预警研究方面:Wu等[
陈琼等[
在桥梁防船撞设施方面:船舶撞击是航道桥墩的潜在危险。为避免船舶与桥墩直接接触,目前,桥梁设计中广泛采用不同类型的防护结构,以防船舶撞击。马志敏等[
Zhu等[
速度为1 m/s时正面碰撞冲击力时程[
The time history of the impact forces for head-on collision with a velocity of 1 m/s[
陈国虞等[
船舶撞击桥梁上部结构是船撞桥梁事故的种类之一。在上部结构防撞限高架的设计、施工和选型方面,徐光中[
船撞桥问题属于典型的交叉学科,船撞桥事故的发生涉及人、船舶、通航条件和环境、管理等多个方面。为了从根源上解决这一安全隐患,除了规范航道管理,谨慎通行以外,桥梁设计过程中还要采用合理的船舶撞击力设防标准,加强结构设计,加设防撞装置和主被动监测防控系统,因地制宜、多管齐下才能切实维护好通航水域的桥梁安全和桥区水域的水上交通安全[
位于山区的桥梁易受落石碰撞的影响,这可能危及这些桥梁上的高速列车或汽车的行驶安全。何思明等[
通常情况下,桥隧相接地段桥面危岩落石防护有刚性和柔性的明洞、棚洞等。唐建辉等[
西南交通大学土木工程学院防护结构研究中心联合四川奥思特边坡防护工程有限公司,研制建造了大型专业落石冲击试验平台(
7 000 kJ能级足尺冲击试验
Full scale impact test of 7 000 kJ energy level
以上崩塌落石作用研究主要集中在对桥梁墩柱以及防护结构方面,其他的研究还有:陈科宇等[
以往针对落石冲击的研究主要包括崩塌落石运动特性、落石运动路径计算与威胁区域预测(包括对桥墩的冲击破坏以及对行车安全性的影响等)、落石冲击特性与冲击力计算表达式、崩塌落石灾害风险评估与防治决策、崩塌落石灾害的工程防治措施、崩塌落石灾害防治工程监测与维护等方面,篇幅有限,不再赘述。在艰险山区的高速铁路或公路的修建过程中,如在以上几方面结合具体桥梁工程实例开展系统崩塌落石影响研究,将会为山区重大桥梁(如川藏公路、铁路等)的设计与施工提供重要依据。
因城市快速扩张、城市交通迅猛发展、立交跨线桥梁增多,汽车撞击问题突出。按车辆高度划分,可分为超高车辆撞击和非超高车辆撞击。非超高车辆的撞击部位大多是桥墩,如2019年5月15日,104国道东郭段上跨甬金高速一辆集装箱车撞击到桥墩,导致东郭立交桥立柱、防震挡块多处开裂,见
东郭立交桥车撞事故(百度图片)
Collision accident of Dongguo overpass
目前,针对车辆撞击桥墩和桥跨结构的研究也不少。陈林等[
Do等[
中型货车冲击力时程的简化模型[
A simplified model of the impact force time histories from the medium truck [
Saini等[
针对现行的AASHTO、CEN等设计标准将车辆碰撞所产生的冲击力简化为等效静态力的方式存在的缺陷,Do等[
Chen等[
结构设计应考虑多种极限状态函数,以保证结构的性能水平。在AASHTO LRFD设计规范中,考虑了4种极限状态,包括强度、使用、疲劳和极端事件。极端事件极限状态下有地震组合和车辆碰撞组合。由于AASHTO LRFD桥梁设计规范的本质建立在可靠性分析基础上,因此,有必要对此类极端事件进行可靠性分析。Hosseini等[
钢筋混凝土梁柱的冲击特性通常采用三维实体单元的有限元模型来模拟。然而,该方法通常需要大量的时间和精力来模拟混凝土和钢筋,并且要进行非线性接触冲击分析。樊伟等[
城市中,超高车辆在桥下由于净空不够造成的冲击损坏较为频繁。Mi-kiewicz等[
跨线桥遭受汽车撞击的事故时有发生,但损失一般不大。假若高速列车脱轨撞击桥梁,后果则不堪设想。张景峰等[
近场动力学(Peridynamics,简称PD)是一种非局部作用理论,其核心思想就是将连续体之间的相互作用转变为非局部作用,将临界伸长率作为强度破坏准则,能成功模拟材料的损伤形成及演化过程。目前,很多研究者已经做了相关理论和工程研究工作,研究具体涉及冲击、爆炸、疲劳、热力耦合、电化学、破冰等问题;针对的具体材料包含金属、混凝土、复合材料、功能梯度材料等。郭居上[
作为新兴的非局部连续力学理论体系,近场动力学(PD)理论用空间积分方程代替偏微分方程,用以描述物质的受力情况,从而避免了传统连续力学中的微分计算在遇到不连续问题时的奇异性,并且兼有分子动力学方法和无网格方法的特点,特别适用于模拟材料自发的断裂过程。然而,因为近场动力学的数学理论内容丰富且与传统理论差别较大,目前的相关文献又以英文表述为主,在桥梁撞击研究中尚未得到重视。笔者结合郭居上等[
对桥梁撞击问题2019年研究文献进行总结、分类,并根据个人理解详细检视了其中几项研究的相关成果。通过对桥梁遭受船撞、落石冲击、车辆撞击等方面的近期研究成果进行分析,认为以下几方面的研究在未来的工作中需要进一步考虑:
1) 已有研究成果的拓展方面:①在单个影响因素的研究基础上,对两个或两个以上因素组合作用的桥梁撞击研究理论,值得进一步探索。如地震同时伴随崩塌落石、泥石流等对跨谷桥梁撞击作用的耦合效应;考虑水流作用的船桥碰撞数值模拟和试验研究;地震、强风、波浪和船撞等极端情况同时出现时,跨海桥梁结构响应研究及安全性评估。②在桥梁撞击事故中人为因素和组织因素引起的因果概率分析方面,仍然缺乏数据和具有不确定性。为了得到可靠的结果,需要进一步发展考虑不确定性的概率推理方法。③基于有限元建模的桥梁撞击分析计算量庞大,较高计算精度和计算效率的简化计算模型或分析方法的提出,将对深入认识桥梁碰撞影响规律有很大帮助。
2) 新材料的应用方面:高强轻质材料或者新型材料的更多应用是中国桥梁工程的发展方向,如泡沫铝、UHPC、UHPFRC等应用于桥梁防撞及桥梁加固方面的研究已经开始,该方面的系统研究需要进一步加强。
3) 新型结构的防撞研究方面:中国及其他国家和地区的有关设计规范中,尚缺乏桥梁组合构件防撞设计方面的规定,钢管混凝土、钢-混组合梁柱等桥梁结构构件的关键设计参数对防撞特性的影响规律方面的研究将是未来研究的热点。
4) 新理论、新方法的发展方面:①基于性能的桥梁防撞设计理论研究将得到发展。基于性能的设计理念,是允许设计者或桥梁所有者根据结构物的重要性和用途选择目标性能水平,由不同的性能目标提出相应的设防标准,以使结构具有预期功能。该思想是21世纪世界各国抗震理论的发展方向,应用于桥梁撞击问题研究将推动相关理论的发展。②依据模拟材料的损伤形成及演化过程的已有PD成果,在桥梁撞击问题研究中引入近场动力学思想,将有助于加深对碰撞本质的认识;也将为桥梁撞击问题分析突破传统思维瓶颈提供新的路径。③船舶桥梁碰撞评估新方法在智能桥梁防撞管理系统中的应用研究。如基于模糊逻辑的船桥碰撞预警方法的发展,在考虑各种危险源的前提下,还应考虑船舶碰撞,从而建立综合的船撞桥风险评价指标体系,以协助保证桥梁航道区域的综合海事安全。
综上所述,在未来研究中,应重点考虑主被动结合来实现桥梁全方位、多角度防撞智能管控,保障桥梁运营安全;同时,应结合新的理念和分析方法深入认识桥梁撞击问题发生和损伤演化机理,推动桥梁防撞相关理论的发展。
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