劉占輝 呼瑞杰 姚昌榮 李永樂 李亞東

摘 要：橋梁撞擊是影響橋梁建設和運營的一個關鍵問題，學者們對此進行了大量工作，并取得了積極的進展。為進一步促進橋梁撞擊與防護方面的研究，回顧了2019年橋梁撞擊事件及科學研究現(xiàn)狀，主要從船撞、落石撞擊、車撞等3方面對目前研究熱點進行簡要歸納總結，并從已有研究的拓展、新材料、新型結構、新的理論方法等方面展望橋梁撞擊災變和防控的研究趨勢。近場動力學研究方法的引入將有助于加深對碰撞本質(zhì)的認識，也將為橋梁撞擊問題分析突破傳統(tǒng)思維瓶頸提供新的路徑。

關鍵詞：橋梁撞擊;船撞;崩塌落石;車撞;近場動力學

中圖分類號：U447 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0235-12

收稿日期：2020-04-12

基金項目：四川省科技廳應用基礎研究（2020YJ0077）;中央高校基本科研業(yè)務費（2682016CX010）;西南交通大學高層次人才隊伍建設科研項目（10101X10096077）

作者簡介：劉占輝（1983- ），男，博士，主要從事大跨橋梁結構動力災變及其振動控制研究，E-mail：liuzhanhui@swjtu.edu.cn。

Received：2020-04-12

Foundation items：Applied Basic Research Project of Sichuan Science and Technology Department （No. 2020YJ0077）; Science and Technology Innovation Project for the Central Universities （No. 2682016CX010）; Scientific Research Projects for High-level Faculty in Southwest Jiaotong University （No. 10101X10096077）

Author brief：Liu Zhanhui （1983- ）， PhD， main research interests： dynamic disaster and vibration control of long-span bridges， E-mail： liuzhanhui@swjtu.edu.cn.

Abstract： 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.

Keywords：bridge impact; ship-bridge collision; rockfall impact; vehicle-ship collision; peridynamic.

橋梁是“跨越障礙的通道”。橋梁的建設與人類社會發(fā)展息息相關，從“橫木為梁”、“結藤成索”、“壘石為拱”3種古代基本橋式的誕生，逐漸發(fā)展演變到現(xiàn)代橋梁的造型多樣、超長大跨，其跨越對象為大江大河、深溝峽谷、海峽灘涂、既有線路等，對應的就有跨河橋、跨谷橋、跨海橋、跨線橋等。據(jù)中國2019年橋博會公布數(shù)據(jù)顯示，在長江干流上已建成的各類長江大橋就達115座。這些橋梁構成了當?shù)亟煌ㄏ到y(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，并進一步推動著社會和經(jīng)濟的發(fā)展。

對于跨河橋、跨海橋，一般有通航的要求。無論是大跨纜索承重橋梁的橋塔結構還是梁橋、拱橋等的墩臺對河流和海洋環(huán)境都有一定程度的影響，同時，通航船只和漂流物對橋梁的撞擊作用也是跨河、跨海橋面臨的一大威脅。而山區(qū)修建的跨谷橋與平原和淺丘地區(qū)的橋梁相比，通常具有“兩高一大”（橋面高、橋墩高，橋梁跨徑大）的顯著特征[1]?？绻葮蛄菏┕ず瓦\營階段都有可能會面臨地震、崩塌滾石、泥石流、滑坡等多種災害的侵擾，其造成破壞的事故并不少見，崩塌落石、泥石流等對橋梁的撞擊問題值得重視。跨線橋遭受汽車撞擊的事故時有發(fā)生，損失一般不大;跨鐵路線橋梁如若列車脫軌，其撞擊后果不堪設想。

橋梁撞擊問題是既有和在建橋梁工程長期面臨的問題;大跨橋梁等復雜結構的災變和防控問題也被列入了2006年國務院頒布的《2006—2020年國家中長期科學和技術發(fā)展綱要規(guī)劃》中。2019年國家自然科學基金在“橋梁撞擊與防護方面”批準資助的項目有4項，2019年仍在執(zhí)行期的有7項。橋梁撞擊及防治是國家發(fā)展需求，也是近年來的研究熱點。

2020年作為“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃的收官之年，也是面向“十四五”部署科技重點任務的關鍵之年?！懊麋R所以照形，古事所以知今”，筆者主要回顧了2019年橋梁撞擊事件及科學研究現(xiàn)狀，對目前分析熱點進行歸納總結，展望撞擊災變和防控的研究趨勢。

1 橋梁船撞事故及船橋碰撞研究進展

跨越水上航線的橋梁結構（如跨河橋、跨海橋等）船撞事故頻發(fā)，其導致的橋梁損傷、倒塌危害巨大;船撞風險在橋梁結構規(guī)劃、設計以及運營全壽命過程中不可忽視。1980年，美國陽光大橋船撞事故之后，橋梁界開始對船撞問題高度重視。美國交通部門統(tǒng)計數(shù)字顯示：大型橋梁通航運營期間，約1/10會因船撞而垮塌，如不加以重視，甚至會達到50%以上[2]。在中國，船撞橋事故也頻繁發(fā)生。僅以武漢長江大橋、南京長江大橋和重慶白沙沱長江大橋這3座橋為例，自建成以來，橋梁船撞事故就分別發(fā)生了70起、30起和100起以上。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅發(fā)生在中國長江、珠江、黑龍江三大水系干流上的船撞橋事件就達到300起以上[3]。2019年發(fā)生了多起橋梁船撞事故：1月，廣深高速的東洲河橋B2～B3通航孔被一艘貨船船頭傳送帶的支撐柱碰撞，導致橋上部承重梁體嚴重受損;4月6日，巴西帕拉州首府貝倫一座橫跨莫茹河（Moju）的橋梁遭貨船撞擊坍塌;4月20日凌晨，中國四大古橋之一的潮州廣濟橋遭貨船碰撞，多處受損;7月10日，中國湖南衡陽衡東縣洋塘河壩水電站橋被3艘失控貨船輪番撞擊;7月16日，中國廣西貴港平南大橋拱肋被“粵云138”砂石船撞擊，船舶駕駛臺與大橋橋拱碰撞，破損嚴重。在橋梁的非通航孔跨，由于船舶操作失誤也會有發(fā)生船撞事故的風險。如2008年3月27日，貨船撞上在建的金塘大橋非通航孔橋箱梁，被撞落后壓在肇事貨船的駕駛臺上。另外，隨著民用航空器使用越來越普遍，偶爾也有飛機撞橋事件發(fā)生，如2016年7月20日，幸福通用航空一水上B-10FW飛機在由上海金山—舟山航線起飛過程中撞上大橋發(fā)生事故。

橋梁船撞規(guī)范或標準目前有美國道路工程師協(xié)會（AASHTO）于1991年編寫的《公路橋梁船撞設計指南》（該指南于2009年進行了修訂），其專門針對美國內(nèi)河橋梁提出了基于風險的船撞設計技術標準和設計方法。1996年美國鐵路工程協(xié)會（AREMA）出版了《防撞保護系統(tǒng)設計規(guī)范》。歐洲用于指導橋梁船撞設計的規(guī)范是1997年出版的歐洲統(tǒng)一規(guī)范中的Eurocode 1.2.7分冊。中國《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D 60—2015）和《鐵路橋涵設計規(guī)范》（TB 10002—2017）對船撞有所涉及;中國第一部專門的船撞設計指南是地方標準《重慶市三峽庫區(qū)跨江橋梁船撞設計指南》（DBJ/T 50-106—2010）。中國公路學會2018年發(fā)布了《公路橋梁防船撞裝置技術指南》，以此來規(guī)范公路橋梁防船撞裝置的技術要求，提升橋梁防船撞產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

該模型的有效性在兩個橋梁模型的案例分析中得到了驗證。宋彥臣等[6]還以一座連續(xù)梁橋為例進行了接觸碰撞反應與撞擊力時程反應分析，并將修正半波正弦荷載模型的響應求解誤差分為3類，并討論了這3種誤差對結構響應的影響大小。

橋梁船撞響應分析方面：跨通航水道特大型橋梁結構設計的一個關鍵問題是保證橋梁在船舶碰撞事故中的安全性。袁龍文等[7]以潤揚長江大橋為背景，采用LS-DYNA分析了橋墩混凝土強度、配筋率、船舶行駛速度等主要影響因素對內(nèi)河橋梁受船舶撞擊的具體作用規(guī)律。付濤等[8]對AASHTO 規(guī)范公式、歐洲規(guī)范公式、鐵路規(guī)范公式、陳誠公式的船撞力計算結果進行比較，總結了各種方法的適用性、考慮的影響因素和優(yōu)缺點，并給出了工程建議。Wan等[9]以石臼湖大橋為研究背景，提出了簡化船艏模型，進行了準靜態(tài)壓縮試驗和數(shù)值模擬，研究了船艏的靜剛度特性并與其動力特性進行了比較;以此船艏模型為例，分析了撞擊后橋墩的損傷過程和破壞模式，之后對歐洲規(guī)范和AASHTO LRFD橋梁設計規(guī)范規(guī)定的設計沖擊荷載進行了評估。趙英策等[10]以船舶撞擊力、撞擊持續(xù)時間等為主要研究目標，從船舶撞擊角度、受撞沉井基礎頂面與海平面高差等方面考慮，研究了跨海大橋撞擊力設防標準，并探討了撞擊力與撞擊角度的關系。鄧江濤等[11]為研究船撞橋過程中深水橋梁的碰撞力及響應，在對比等效密度系數(shù)法和流體有限元方法的基礎上，提出了考慮墩水相互作用的橋墩與船舶撞擊的實用分析方法。

橋梁下部結構（包括橋墩和橋塔）應有足夠的防撞能力，這方面引起了足夠的重視，但上部結構的撞擊卻往往被忽略。Sha等[12]建立了船艏結構和橋梁的高保真有限元模型，研究了船艏沖擊作用下橋主梁的結構響應;并提出了一種簡單而有效的加固方法——“雙層橫隔梁端部”，有效地提高了鋼主梁的橫向抗沖擊性能，并很好地控制了成本和施工工作量的增加。

橋梁船撞風險評估方面：羅嘉敏等[13]調(diào)查廣深高速公路某次船撞橋梁上部結構事故原因時，結合人工接觸式檢查結果，確定損傷實際狀況，之后采用靜載試驗實測車輛荷載下的結果，總結梁體變形、關鍵截面應變和主梁裂縫等指標的分布規(guī)律，評估船舶撞擊的影響，然后提出維修建議。李志榮等[14]從分析危險源與船撞橋事故的關系出發(fā)，提出人、船、橋、環(huán)境、管理等5類船撞橋危險源;結合DPSIR模型中各指標間的制約關系，從驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應等5方面篩選出12個評價指標，建立船撞橋風險評價指標體系，并對其進行風險評價。劉靜文[15]以武漢天興洲大橋為工程背景，建立ANSYS全橋模型，研究了在相同船舶撞擊下不同碰撞角度對橋梁橫向位移響應的影響;得到了塔頂對碰撞較為敏感、通過增大碰撞角能有效降低橋梁船損風險的結論。

Chen等[16]從海事安全管理的宏觀角度，對船舶碰撞事故定量風險分析進行了系統(tǒng)回顧和分析，探究了主要利益相關者及其在風險分析中的偏好，并對藤井和Shiobara（1971年）及Macduff（1974年）提出的框架下的風險分析方法進行了研究。在因果概率分析中，統(tǒng)計分析、故障樹分析和貝葉斯網(wǎng)絡模型被選為主要的方法類別。

在船橋碰撞預警研究方面：Wu等[17]提出了一種基于模糊邏輯的船橋碰撞預警方法，該方法綜合考慮了船舶特性、橋梁參數(shù)和自然環(huán)境。具體來說，建立了包括輸入層、模糊推理層和輸出層的3層框架，將碰撞風險分為臨界條件和自然環(huán)境兩部分。從船舶位置、船舶軌跡方向、船舶與橋梁的距離、船舶速度等方面分析了船橋碰撞情況。這些因素與自然環(huán)境一起作為輸入變量，然后通過引入船橋碰撞條件，對船橋碰撞過程中的船舶細節(jié)和橋梁參數(shù)進行了考慮和模糊化，建立IF-THEN規(guī)則，進行模糊推理，得出船舶與橋梁的碰撞風險。在以后的工作中，可以將避碰模塊與船舶橋梁避碰系統(tǒng)的碰撞評估模塊結合在一起。還應考慮船舶碰撞，以獲得橋梁航道區(qū)域的綜合海事安全結果。此外，由于作者只使用了一些具體的場景進行驗證，因此，在未來的實際船橋碰撞預警中，需要應用該模型進行進一步的分析。

陳瓊等[18]提出的智能化橋梁管理系統(tǒng)主要包含3個方面：主動安全防護系統(tǒng)、復合防撞及報警系統(tǒng)、可追溯式監(jiān)控系統(tǒng)，通過主被動結合的方式可實現(xiàn)對船撞橋事故的全方位、多角度管控，為橋梁防撞提供了有益的思路。

在橋梁防船撞設施方面：船舶撞擊是航道橋墩的潛在危險。為避免船舶與橋墩直接接觸，目前，橋梁設計中廣泛采用不同類型的防護結構，以防船舶撞擊。馬志敏等[19]基于ANSYS軟件分析了某大橋鋼管防撞墩結構的15個不同撞擊點在船撞工況荷載作用下的應力分布情況，并提出了新的防撞墩結構。其通過減小系桿跨度、增加節(jié)點剛度和撞擊點系桿數(shù)量等方式改進防撞墩性能的措施值得借鑒。王紀鋒等[20]以京港澳高速沙河大橋某兩個橋墩進行防撞能力評估，并針對500 t級船舶撞擊下橋墩自身抗撞能力不足的問題，添加了自浮式鋼覆復合材料防撞設施，船舶撞擊力削減了26%，基本滿足橋梁設防要求。Wang等[21]采用有限元模擬方法，對廣東湛江海灣大橋采用的柔性浮式防撞裝置進行了有效性評價。

Zhu等[22]提出了一種新穎的纖維增強聚合物（FRP）蒙皮泡沫填充格構復合材料防撞體系（FLCBS），并將其作為橋墩抗船舶碰撞的防護結構。利用顯式有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行計算，峰值沖擊力的顯著減小和沖擊過程的有效延長表明了FLCBS的優(yōu)越性能，部分結果可見圖1。模塊化的制造和更換、方便快捷的安裝和高度可設計的結構，使得FLCBS在船舶碰撞中作為橋梁防護結構具有很大的吸引力。左楊等[23]以重慶白居寺公鐵兩用斜拉橋為背景，基于LS-DYNA3D對船撞荷載作用下該橋的梁軌相互作用進行了分析研究。選取鋼泡沫鋁填充材料的防撞鋼套箱裝置，并將其安裝于橋塔下部適當位置處，跨中和1/4跨處的梁軌相對位移有了明顯改善，保證了橋梁使用的安全。樊偉等[24]提出了由鋼和超高性能纖維混凝土（UHPFRC）組成的新型護舷結構，并對其低速沖擊行為進行了落錘沖擊實驗和數(shù)值研究，證實了其耐久性和耐用性，提出可通過優(yōu)化配置的方式以挖掘該裝置的防撞潛力。

陳國虞等[25]在柔性耗能防撞裝置的選型、研發(fā)及相關試驗技術上取得了明顯的進步并已應用到能通行5萬t級船舶的湛江海灣大橋、象山港跨海大橋等實際工程中。

船舶撞擊橋梁上部結構是船撞橋梁事故的種類之一。在上部結構防撞限高架的設計、施工和選型方面，徐光中[26]對川槎大橋通航孔水上防撞限高架進行了剛性和柔性方案比選、設計及施工方法介紹，屬于中國首例水上鋼結構限高防撞工程。鄭宏鴻[27]結合實際工程案例，總結了防止超高船舶撞擊橋梁上部結構的“軟措施”，并對上部結構設置的“鋼桁架”和“固定拉索”這兩種水上限高架進行受力分析和計算，給出了其適用范圍。林光峰[28]以對某連續(xù)箱梁橋上部結構被船舶撞擊事故調(diào)查為出發(fā)點，提出3種防船撞技術措施并進行了比選，確定了具體的對策。這些分析計算均可為橋梁工程上部結構防撞提供經(jīng)驗和參考。

船撞橋問題屬于典型的交叉學科，船撞橋事故的發(fā)生涉及人、船舶、通航條件和環(huán)境、管理等多個方面。為了從根源上解決這一安全隱患，除了規(guī)范航道管理，謹慎通行以外，橋梁設計過程中還要采用合理的船舶撞擊力設防標準，加強結構設計，加設防撞裝置和主被動監(jiān)測防控系統(tǒng)，因地制宜、多管齊下才能切實維護好通航水域的橋梁安全和橋區(qū)水域的水上交通安全[29]。

2 崩塌落石對橋梁的撞擊

位于山區(qū)的橋梁易受落石碰撞的影響，這可能危及這些橋梁上的高速列車或汽車的行駛安全。

何思明等[30]為了減輕落石對橋梁的危害，研制了一種新型的柔性、耗能的橋墩防撞裝置。在沖擊過程中考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等影響，數(shù)值模擬結果表明，該防護結構能有效緩沖落石沖擊，顯著提高橋墩抗沖擊能力。

張迅等[31]利用有限元程序LS-DYNA對落石與橋墩碰撞進行了數(shù)值模擬，研究了落石速度、落石直徑、落石位置和列車速度對沖擊力、墩頂位移和列車運行安全指標的影響。

樊偉等[32]開展了UHPC墩柱和普通鋼筋混凝土墩柱的落錘沖擊試驗，并在此基礎上，建立一種簡化分析方法，用于分析受壓墩柱的沖擊響應和破壞形態(tài)。

成永剛[33]在公眾號文章中對崩塌落石常用防治技術的主要特點和適用范圍進行了簡要匯總，還根據(jù)崩塌機制分析，對川藏高速公路陡崖坡腳特大橋提出了具體防治措施[34]。

通常情況下，橋隧相接地段橋面危巖落石防護有剛性和柔性的明洞、棚洞等。唐建輝等[35-36]以大跨度拱形明洞為研究對象，基于ANSYS/LS-DYNA軟件分析了落石質(zhì)量、沖擊速度和回填土厚度等對拱形明洞的沖擊影響，提出了計算落石沖擊力、沖擊壓應力的方法，并做了模型試驗來探明其作用力傳遞機理。王玉鎖等[37]提出了落石沖擊下有回填土拱形明洞結構方面的概率可靠度設計方法，并授權申請了發(fā)明專利。柏雪松[38]對現(xiàn)有落石沖擊力計算公式進行總結，對比分析各個公式之間的異同;系統(tǒng)地分析了落石質(zhì)量、下落高度、沖擊角度以及形狀對沖擊效應的影響;進一步探討了墊層厚度、材料對棚洞抗沖擊性能的影響。

西南交通大學土木工程學院防護結構研究中心聯(lián)合四川奧思特邊坡防護工程有限公司，研制建造了大型專業(yè)落石沖擊試驗平臺（圖2）。余志祥、趙世春課題組基于該平臺在結構防護，尤其是柔性防護系統(tǒng)方面，做了很多有意義的工作。環(huán)形網(wǎng)是被動柔性防護系統(tǒng)中的重要結構單元。趙雅娜等[39]為了建立環(huán)形網(wǎng)的計算模型，通過柔性被動網(wǎng)整體結構的足尺沖擊試驗，獲取了環(huán)形攔截網(wǎng)的區(qū)域化變形特征以及網(wǎng)環(huán)的3種典型變形狀態(tài)，建立了分區(qū)等代計算模型;實驗結果校驗了模型的準確性。另外，還提出了一種適用于多跨布置式柔性被動網(wǎng)結構的數(shù)值計算方法[40]。劉成清等[41]以實際被動柔性防護網(wǎng)為原型，基于LS-DYNA分析含減壓環(huán)及不含減壓環(huán)的兩種被動柔性防護網(wǎng)在不同沖擊能量及沖擊位置下的動力響應;提出的三折線分析模型能夠很好地反映減壓環(huán)荷載位移曲線特點，給出的耗能計算公式便于減壓環(huán)的設計及工程應用。李華東等[42]采用LS-DYNA的顯式分析，得到了落石沖擊下被動柔性防護體系的動力響應時程，對比分析了不同運動模式下的位移、沖擊力、能量變化規(guī)律。

以上崩塌落石作用研究主要集中在對橋梁墩柱以及防護結構方面，其他的研究還有：陳科宇等[43]考慮了落石沖擊對車橋的影響，采用Rockfall、LS-DYNA和BANSYS等軟件，依次就落石運動特性、落石沖擊力計算以及落石車橋相互作用進行了研究。朱俊宇[44]對連續(xù)梁橋進行有限元建模，分析橋面板在不同落石沖擊荷載工況作用下的動、靜力響應，總結了動力響應放大系數(shù)變化規(guī)律并明確了不同截面內(nèi)力響應動力放大系數(shù)的影響因素。古松等[45]利用落錘試驗機對6組混凝土板進行試驗研究，分析了不同沖擊速度、混凝土板強度和長厚比對混凝土板沖擊破壞效應的影響。姚昌榮等[46]綜合考察流變特性、流速、橋墩形狀以及沖擊力的關系，進行了兩種形狀（圓形、方形）的橋墩縮尺模型試驗。

以往針對落石沖擊的研究主要包括崩塌落石運動特性、落石運動路徑計算與威脅區(qū)域預測（包括對橋墩的沖擊破壞以及對行車安全性的影響等）、落石沖擊特性與沖擊力計算表達式、崩塌落石災害風險評估與防治決策、崩塌落石災害的工程防治措施、崩塌落石災害防治工程監(jiān)測與維護等方面，篇幅有限，不再贅述。在艱險山區(qū)的高速鐵路或公路的修建過程中，如在以上幾方面結合具體橋梁工程實例開展系統(tǒng)崩塌落石影響研究，將會為山區(qū)重大橋梁（如川藏公路、鐵路等）的設計與施工提供重要依據(jù)。

3 車輛對橋梁的撞擊

因城市快速擴張、城市交通迅猛發(fā)展、立交跨線橋梁增多，汽車撞擊問題突出。按車輛高度劃分，可分為超高車輛撞擊和非超高車輛撞擊。非超高車輛的撞擊部位大多是橋墩，如2019年5月15日，104國道東郭段上跨甬金高速一輛集裝箱車撞擊到橋墩，導致東郭立交橋立柱、防震擋塊多處開裂，見圖3。超高車輛的撞擊部位大多是梁跨結構，撞擊導致其垮塌或局部破損。如2019年5月7日，在德國漢諾威，一輛裝載有挖掘機的平板掛車撞傷了A352公路的一座跨線橋，造成了約30萬歐元損失。2019年5月18日，一輛大貨車因載物超高，碰撞杭州市慶春東路口鋼結構人行過街天橋，導致其東南側垮塌。2019年7月28日，四川綿陽二環(huán)路八角人行天橋被超高貨車撞擊，造成梁體破損、位移，橋面鋪裝破裂、墩臺基礎裂縫等病害。

目前，針對車輛撞擊橋墩和橋跨結構的研究也不少。陳林等[47]基于LS-DYNA軟件對車輛與典型鋼筋混凝土橋墩的碰撞進行了非線性有限元模擬，重點考察了不同邊界條件和箍筋直徑的橋墩在車輛撞擊作用下的動力響應及損傷特征，特別是鋼筋混凝土橋墩的典型破壞形態(tài)。

Do等[48]建立了中型貨車與大型掛車碰撞下全橋立柱的有限元模型，探討鋼筋混凝土橋柱在車輛碰撞下的沖擊行為;分析了3種不同荷載條件下柱參數(shù)對沖擊力時程和柱響應的影響，并基于對前人研究的理解和中型卡車數(shù)值分析結果，將卡車撞擊RCB柱的沖擊力時程理想化為4個階段，如圖4 所示。此外，根據(jù)沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的剪切機理，還確定了車輛碰撞作用于柱的最大沖擊力;將RCB柱的響應和失效分為彎曲響應和剪切響應兩類，定義了柱的最大動剪承載力，為工程人員預測RCB柱的沖擊性能提供了指導。

Saini等[49]調(diào)查了鋼管混凝土（CFST）橋墩在車輛碰撞下的結構響應，對存在較高車輛碰撞風險情況下使用鋼管混凝土橋墩代替常規(guī)鋼筋混凝土橋墩的可行性進行研究。Fan等[50]通過圓形鋼筋混凝土柱的沖擊試驗，提出一種基于碰撞后狀態(tài)（變形和損壞模式）的評估方法，并證明了該方法能夠預測碰撞后的殘余軸向承載力，并通過參數(shù)研究結果推導了經(jīng)驗公式來估算殘余強度。

針對現(xiàn)行的AASHTO、CEN等設計標準將車輛碰撞所產(chǎn)生的沖擊力簡化為等效靜態(tài)力的方式存在的缺陷，Do等[51]采用解析研究與數(shù)值模擬相結合的方法，探討了鋼筋混凝土橋柱在車輛碰撞下的動態(tài)特性。

Chen等[52]采用替代撞擊器來模擬卡車對橋梁的碰撞試驗，一項測試對墩造成了中度損傷，一項造成了輕度損傷，試驗測試與模擬數(shù)值結果較吻合。作者還強調(diào)了制定針對卡車與撞車事故基于性能的設計準則的必要性。Auyeung等[53]提出一種基于橋梁的結構特點和碰撞車輛動能的新的損傷率指標（DRI），它可以用來定義車輛撞擊橋墩時的預期損傷。作者在橋梁車撞研究中引入了基于性能的設計理念，允許設計者或橋梁所有者根據(jù)不同的參數(shù)選擇目標性能水平。

結構設計應考慮多種極限狀態(tài)函數(shù)，以保證結構的性能水平。在AASHTO LRFD設計規(guī)范中，考慮了4種極限狀態(tài)，包括強度、使用、疲勞和極端事件。極端事件極限狀態(tài)下有地震組合和車輛碰撞組合。由于AASHTO LRFD橋梁設計規(guī)范的本質(zhì)建立在可靠性分析基礎上，因此，有必要對此類極端事件進行可靠性分析。Hosseini等[54]確定了一種車輛碰撞下橋墩基于性能的設計方法。相應地，橋墩的性能水平根據(jù)車輛碰撞時橋墩的損壞狀態(tài)進行分類。

鋼筋混凝土梁柱的沖擊特性通常采用三維實體單元的有限元模型來模擬。然而，該方法通常需要大量的時間和精力來模擬混凝土和鋼筋，并且要進行非線性接觸沖擊分析。樊偉等[55]提出了一種有效的低速度沖擊荷載作用下鋼筋混凝土梁柱彎曲和剪切性能的模擬方法;提出了一種基于宏單元的接觸模型，用以捕捉碰撞物體與鋼筋混凝土構件之間的相互作用行為。只要有傳統(tǒng)的光纖截面單元和離散宏單元，該方法就可以在任何有限元軟件中實現(xiàn)，而無需編碼。這一特性在評估橋梁結構在船舶和車輛碰撞下的響應和易損性的時候具有很大優(yōu)勢。樊偉等[56]還開發(fā)了一種由超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）面板和波紋鋼管作為能量吸收構件的新型防護結構，并提出了一種多目標優(yōu)化設計程序，以在車輛碰撞時找到擬保護結構的最佳配置。此外，F(xiàn)an等[57]還開發(fā)了基于超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）的增強方法，該方法的數(shù)值和試驗結果均表明UHPFRC強化技術可為提高RC柱的抗沖擊性能提供替代解決方案。

城市中，超高車輛在橋下由于凈空不夠造成的沖擊損壞較為頻繁。Mi-kiewicz等[58]基于詳細的物體損壞評估、3D激光掃描和數(shù)值模擬，分析了某具體車撞橋事件，提出了診斷梁體內(nèi)部損傷并評估修復的方法。陸新征等[59]以廣西某高速公路連續(xù)T梁橋為研究背景，針對超高車輛撞擊和地震作用兩種工況下容易發(fā)生的難于修復的落梁破壞和橋墩塑性破壞，提出了功能可恢復連續(xù)梁橋體系。楊樹志[60]以金匯斜拉橋為背景，對斜拉橋運營風險進行了評估，考慮了車輛撞擊的影響。但風險評估結果的精確度、可信度仍有待提高。

跨線橋遭受汽車撞擊的事故時有發(fā)生，但損失一般不大。假若高速列車脫軌撞擊橋梁，后果則不堪設想。張景峰等[61]對城市軌道交通U型梁在極端狀況下受到列車脫軌施加的側向撞擊作用情況進行了模擬。采用LS-DYNA顯式動力有限元軟件建立列車U型梁精細化模型，探討其碰撞過程和作用機理，并分析了U型梁的碰撞損傷模式。

4 近場動力學思想概述

近場動力學（Peridynamics，簡稱PD）是一種非局部作用理論，其核心思想就是將連續(xù)體之間的相互作用轉變?yōu)榉蔷植孔饔?，將臨界伸長率作為強度破壞準則，能成功模擬材料的損傷形成及演化過程。目前，很多研究者已經(jīng)做了相關理論和工程研究工作，研究具體涉及沖擊、爆炸、疲勞、熱力耦合、電化學、破冰等問題;針對的具體材料包含金屬、混凝土、復合材料、功能梯度材料等。郭居上[62]重點研究了格子模型PD理論，對不同格子優(yōu)缺點進行了評估，并將其推向常規(guī)態(tài)型的格子模型中，成功模擬了金屬材料和復合材料的失效問題。沈峰等 [63]對混凝土材料進行沖擊模擬，研究在一定沖擊速度下混凝土結構的損傷演化問題。

作為新興的非局部連續(xù)力學理論體系，近場動力學（PD）理論用空間積分方程代替偏微分方程，用以描述物質(zhì)的受力情況，從而避免了傳統(tǒng)連續(xù)力學中的微分計算在遇到不連續(xù)問題時的奇異性，并且兼有分子動力學方法和無網(wǎng)格方法的特點，特別適用于模擬材料自發(fā)的斷裂過程。然而，因為近場動力學的數(shù)學理論內(nèi)容豐富且與傳統(tǒng)理論差別較大，目前的相關文獻又以英文表述為主，在橋梁撞擊研究中尚未得到重視。筆者結合郭居上等[62]在復合材料研究中的一些成果和沈峰等[63]的最新論文，認為在橋梁在船舶、落石、車輛等撞擊作用下橋墩、防撞結構以及橋梁主梁等混凝土、鋼材或復合材料構件的撞擊問題分析中引入近場動力學思想，利用PD模擬裂紋自發(fā)萌生和擴展等非連續(xù)問題[64]，將有助于加深對碰撞本質(zhì)的認識;也將為橋梁撞擊問題分析突破傳統(tǒng)思維瓶頸提供新的突破口。

5 結論

對橋梁撞擊問題2019年研究文獻進行總結、分類，并根據(jù)個人理解詳細檢視了其中幾項研究的相關成果。通過對橋梁遭受船撞、落石沖擊、車輛撞擊等方面的近期研究成果進行分析，認為以下幾方面的研究在未來的工作中需要進一步考慮：

1）已有研究成果的拓展方面：① 在單個影響因素的研究基礎上，對兩個或兩個以上因素組合作用的橋梁撞擊研究理論，值得進一步探索。如地震同時伴隨崩塌落石、泥石流等對跨谷橋梁撞擊作用的耦合效應;考慮水流作用的船橋碰撞數(shù)值模擬和試驗研究;地震、強風、波浪和船撞等極端情況同時出現(xiàn)時，跨海橋梁結構響應研究及安全性評估。② 在橋梁撞擊事故中人為因素和組織因素引起的因果概率分析方面，仍然缺乏數(shù)據(jù)和具有不確定性。為了得到可靠的結果，需要進一步發(fā)展考慮不確定性的概率推理方法。③ 基于有限元建模的橋梁撞擊分析計算量龐大，較高計算精度和計算效率的簡化計算模型或分析方法的提出，將對深入認識橋梁碰撞影響規(guī)律有很大幫助。

2）新材料的應用方面：高強輕質(zhì)材料或者新型材料的更多應用是中國橋梁工程的發(fā)展方向，如泡沫鋁、UHPC、UHPFRC等應用于橋梁防撞及橋梁加固方面的研究已經(jīng)開始，該方面的系統(tǒng)研究需要進一步加強。

3）新型結構的防撞研究方面：中國及其他國家和地區(qū)的有關設計規(guī)范中，尚缺乏橋梁組合構件防撞設計方面的規(guī)定，鋼管混凝土、鋼混組合梁柱等橋梁結構構件的關鍵設計參數(shù)對防撞特性的影響規(guī)律方面的研究將是未來研究的熱點。

4）新理論、新方法的發(fā)展方面：①基于性能的橋梁防撞設計理論研究將得到發(fā)展?；谛阅艿脑O計理念，是允許設計者或橋梁所有者根據(jù)結構物的重要性和用途選擇目標性能水平，由不同的性能目標提出相應的設防標準，以使結構具有預期功能。該思想是21世紀世界各國抗震理論的發(fā)展方向，應用于橋梁撞擊問題研究將推動相關理論的發(fā)展。② 依據(jù)模擬材料的損傷形成及演化過程的已有PD成果，在橋梁撞擊問題研究中引入近場動力學思想，將有助于加深對碰撞本質(zhì)的認識;也將為橋梁撞擊問題分析突破傳統(tǒng)思維瓶頸提供新的路徑。③ 船舶橋梁碰撞評估新方法在智能橋梁防撞管理系統(tǒng)中的應用研究。如基于模糊邏輯的船橋碰撞預警方法的發(fā)展，在考慮各種危險源的前提下，還應考慮船舶碰撞，從而建立綜合的船撞橋風險評價指標體系，以協(xié)助保證橋梁航道區(qū)域的綜合海事安全。

綜上所述，在未來研究中，應重點考慮主被動結合來實現(xiàn)橋梁全方位、多角度防撞智能管控，保障橋梁運營安全;同時，應結合新的理念和分析方法深入認識橋梁撞擊問題發(fā)生和損傷演化機理，推動橋梁防撞相關理論的發(fā)展。

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（編輯 王秀玲）