桥墩主动防船撞系统的研究
摘 要 为确保桥梁水域桥墩安全与船舶通航安全,通过对长江水域船舶通航环境与水域安全现状以及船撞桥事故统计分析,提出开展桥墩主动防船撞系统研究的必要性。利用船舶操纵理论与船间水动力干扰相关理论,建立了船间临界失控水动力干扰模型,并据此建立了桥墩主动防船撞系统,将桥墩由被动结构防船撞转变为非结构主动防船撞,并在此基础上开发出了桥墩主动防船撞系统原型。创新之处在于,首次利用船舶操纵理论与船间水动力干扰相关理论,建立了船间临界失控水动力干扰模型,首次将桥墩的被动防撞转变为桥墩主动防撞,并开发出桥墩主动防船撞系统原型。
关键词 桥墩主动防船撞系统;临界失控水动力干扰;船船干扰;桥区;通航安全
桥区通航安全问题涉及到桥梁工程、船舶工程、水动力学、碰撞力学、船舶驾驶与避碰、安全管理、风险分析、经济、环保等多个领域,是典型的交叉学科。历史上已经陆续发生的大量的船撞桥事故一再告诫人们要重视桥区安全通航有关问题的研究。近年来人类也已作出了一些努力,但还远远不够,尤其在我国对桥区通航环境安全的系统研究开展的较少。在我国船撞桥事故数量不断增加,在跨越河海超大跨度桥梁不断发展的情况下,船撞桥的潜在风险越来越大,深入开展有关研究十分必要。
在通航水域建设的桥梁,极大地改善了陆路的交通条件,但同时也与水运之间产生了一些矛盾。对桥梁而言,船舶在桥下航行通行时,存在着碰撞桥墩或桥跨结构的危险,从而对桥梁构成了一种威胁。对桥下通行的船舶而言,桥梁作为一种跨越水上航道的固定建筑物,成为船舶航行的一种障碍物,桥墩还会使泥沙淤积、河床变迁,航道条件恶化,从而对船舶的航行安全构成威胁。因此船舶的尺度、结构、设施等方面也必须考虑有关的避碰、防撞等问题。在桥区的驾驶和航行安全管理等方面也需要特别考虑。因此,船与桥构成了矛盾的主体。因此,对于桥区通航环境与安全问题的研究必须系统的、全面的,从船舶与桥梁两方面入手,共同解决[1]。
利用船舶操纵理论和船间水动力干扰理论本文首次建立了船舶临界失控水动力干扰模型并利用该模型,开发出了桥墩主动防船撞系统模型。
1 桥墩防船撞研究现状
在日本、丹麦、美国、意大利和德国等一些发达国家对桥区通航环境与安全进行过一些研究做过一些碰撞模拟试验和调查研究[2]。到目前为止绝大多数的研究工作是从桥梁的角度出发,将船舶撞击力作为桥梁可能承受的一种外载荷来研究,研究主要集中在船对桥的撞击力确定以及桥梁结构响应、防撞设施的研究等等[3,4]。也有部分研究人员从交通工程角度出发,研究船撞桥的概率模型问题[5],从船舶角度出发研究撞桥后的船体结构响应问题。近年来,国外一些研究人员开始对限制水域的通航问题利用CFD或EFD的方法着手进行研究,也取得了很大的进展,尤其是欧共体项目的开展,促进了整个通航环境与安全领域学术水平的整体提高[6,7]。流固耦合理论的应用为桥区通航环境与安全问题提供更大的研究空间。但以上研究仍以结构动态响应为主要研究内容。
本文提出拟利用现代船舶操纵性预报理论和方法,结合船间水动力干扰相关理论,研究船舶在跨江、跨海大桥桥区的安全通航问题。通过对船舶的控制力及风、浪、流等环境力作用下的操纵运动的数值模拟,对船舶在桥区的安全通航能力进行评估并提出船———桥避碰策略。通过建立的桥区船舶临界失控水动力干扰模型,建立了桥墩主动防船撞系统原型。
2 桥墩防船撞研究的必要性
2.1 桥梁数目逐步增加
桥梁作为沟通河流两岸之间陆路交通运输的纽带,其地位和作用也是不言而喻的。据首届中国桥梁文化周统计数据,总长6300km的长江上已经架起了桥梁94座,到2020年左右,在长江干流上将具有各类桥梁或隧道计124座,长江已经成为了世界上桥梁建设工程最密集的河流.
2.2 通航密度逐步加大
根据2000~2006年鹅鼻嘴船舶流观测统计数据,可以得到通过码头水域的船舶日平均流量变化趋势。
随着区域经济的进一步发展和长江下游航道整治工程的进一步推进,进江海轮的数量会逐年增多。
2.3 船撞桥事故频发
据统计,在1960~1993年的33年中,全世界因船撞桥而导致损失的大型桥梁已达29座,其中美国15座,死亡人数321人[2]。近几年,船撞桥事故频繁发生的局面似乎并没有很大的改观,重大的船撞桥事故仍时有发生。2001年美国跨海大桥“伊莎贝拉皇后大桥”被撞;2002年美国俄克拉荷马州阿肯色河上,一公路桥被撞,造成公路桥坍塌。
在我国,船撞桥事故也是频繁发生。如武汉长江大桥(公铁两用)自从1957年建成以来,大约发生了70多起船撞桥事故,其中直接经济损失达百万元的事故超过10起;南京长江大桥建桥至今已发生30多起船撞桥事故;重庆白沙沱大桥发生的船撞桥事故更是到达了上百起之多,据不完全统计,仅发生在我国长江、珠江、黑龙江三大水系干线上的船撞桥事故就达到300多起。
桥梁数量的增加、通航密度的增加、船舶尺度的增大以及桥梁坍塌事故的频发等客观现实,都对桥梁防船撞研究提出了新的迫切要求。
3 桥墩主动防船撞系统模型
通过上面建立的数学模型,针对桥区安全通航要求,本文提出的桥墩主动防船撞系统原型。
桥墩主动防船撞系统主要模块的作用简介:
(1)环境变量模块:负责风、流、航道尺度等环境因素的计算分析;
(2)船舶操纵性预报模块:船舶操纵性能相关计算;
(3)水动力计算模块:用于船间水动力干扰建模与分析;
(4)船舶临界失控水动力干扰预报模块:用于分析船舶是否进入到由于桥墩的存在而造成的船舶临界失控水动力干扰区;
(5)船舶运动预报模块:用于船舶运动计算和试操船分析计算。
4 结 语
船撞桥问题在国外从20世纪80年代初开始得到认真的研究,经过近20年的努力,欧洲和美国等国家已经制定了专门的设计规范或指南。在我国船撞桥问题一直末得到足够的重视,也没有专门的设计规范或指南可供工程师使用。随着我国在大江、大河上修建桥梁数目的增多,以及航运事业的不断发展,特别是跨海峡桥梁的规划与建设,船撞桥问题的重要性逐渐地凸显出来,亟待我国桥梁设计工程师和研究人员深入研究并加以解决。本文提出的桥墩主动防船撞系统,从船舶与桥墩双方面进行防撞分析,从桥墩被动结构防撞,到桥墩主动非结构防撞,对于有效利用航道资源,减少人为因素影响,确保桥区通航安全必将具有积极的意义。 |
