1.工程概况
本文结合重庆忠县长江大桥进行船舶撞击桥梁的撞击力的设计。忠县长江大桥位于沪蓉国道主干线上，距离忠县县城上游大约8km处，距宜昌航道428.8km，采用设计车速为80km/h的高速公路的标准。忠县长江大桥主桥采用205m+460m+205m的三跨预应力混凝土斜拉桥的结构型式。石柱岸则采用了112m+200m+112m的三跨预应力混凝土连续刚构作为主引桥。下水的船舶从主桥460m的中跨通过，但是下水的船舶更容易碰撞9#墩，即主桥往湖北利川方向与引桥相接的墩，本文仅以此墩为例分析碰撞力。
1.1主桥设计简介
主梁为整体开口梁板式断面，索塔横梁为箱型断面，塔墩为带分水尖的单箱8室等截面空心薄壁墩。承台为圆形承台，承台下设置19根直径为3m的钻孔桩。
1.2过渡墩设计简介
为了增强过渡墩的防撞能力，依据船撞力对过渡墩墩身进行设计。墩身做成带分水尖的单箱5室整体式空心薄壁墩。承台的外轮廓尺寸为31.8m(长)×12.5m(宽)x6m(高)，设圆形倒角，其下设置8根直径为3m的钻孔桩，9#墩桩长为42m。
大桥位于三峡水库的上游，在三峡水库蓄满前的船舶通航水位为低通航水位(通航水位标高为144.2m)，水库蓄满后的满库水位为高通航水位(通航水位标高为174.7m)。其所处地理位置使船舶通过大桥时，9#墩(石柱岸过渡墩)被撞的风险最大，所以取5000DWT散货船作为设计船舶。该船舶长109m，型宽18m，型高7.7m，吃水5m，船的初速度为3.5m/s。
2.船舶撞击桥梁仿真计算方法
本文以忠县长江大桥为例。借助于有限元软件ANSYSLS—DYNA，比较精细地模拟了船舶与桥墩防撞系统碰撞的内部动态过程，并对撞击力和能量转化进行了分析研究。
2.1桥梁结构有限元模型
对9#桥墩的耐撞性进行的重点研究中，其模型的建立是关键环节。在保证计算效率的前提下，要尽量细致地对实际结构进行离散。根据桥址处的地质情况，主塔和过渡墩的桩基础嵌固在岩层中，模型中将桩基础深入岩层的部分自由度全部固定。过渡墩采用体单元划分，主梁使用梁单元模拟，斜拉索用桁架单元。混凝土材料密度为2600kg/m，泊松比为0.167，弹性模量为3.3e+10Pa，将混凝土作为线弹性单元进行分析。
2.2船舶计算有限元模型
对碰撞区船艏结构，计算模型作 了比较精细的描述，船体中后部因远离碰撞接触区，实际上发生的变形较小。可以忽略，仅提供刚度和质量的影响因此用刚性板简化模拟船体后部结构。形成整船计算模型，全部质量分布于船身及船头的各单元，重心位于总剖面上，船体材料采用线性强化弹塑性本构关系。船舶采用钢结构，密度为7800kg/m，泊松比为0.3，弹性模量为2.1e+11Pa，屈服强度为2.35e+8Pa，硬化模量为2.1e+8Pa，失效应变0.35。图1所示为船与桥墩碰撞示意图。
应变速率对于材料屈服强度的影响，可以采用Cowper—Symonds的本构关系来描述，即：
对于船用低碳钢，D=40.4，q=5。
3.仿真结果及其分析
为了对碰撞的计算机仿真模拟结果有一个较全面的了解，本文着重从船和桥墩的变形、应变应力、吸能情况等几个方面来对分析结果进行评价。利用大型非线性有限元动态响应分析程序ANSYS/LS—DYNA对2.2节中所建立的碰撞模型进行了数值仿真计算。
3.1高通航水位情况
高通航水位情况下，船舶撞击9#桥墩。撞击速度为3.5m/s，计算结果见图2～图5。
从这些图中可以看出。高通航水位碰撞力峰值为26.63MN。整个撞击过程从0.63s 开始，随着时间的变化，碰撞力迅速增加，与此同时，船头的构件发生变形，消耗着船舶的内能，使船舶速度减小，随着变形的增大，一部分构件在碰撞过程中将会失效，退出碰撞，但由于速度的作用，后面的构件将会上来继续参与碰撞。因此整个碰撞过程中力的曲线并不是一条光滑的曲线，最后船舶会获得一个反向的微小速度退开，碰撞力迅速衰减为0，船舶与桥墩分开。图中船舶的撞深与船舶的速度变化很一致，整个过程中，船舶的动能被消耗，转化为船舶的内能。
3.2低通航水位情况
低通航水位情况下，船舶撞击9#桥墩，撞击速度为3.5m/s，计算结果见图6～图9。
从图中可以看出，船舶以低通航水位撞击桥墩的撞击力峰值为20.95MN。整个撞击过程，从0.21s开始。从图中看到，碰撞力、能量等的变化规律与3.1节中结果相同。
通过高低水位碰撞力和能量对比得出，高水位撞击时桥墩的撞击力比低水位时大，由于撞击部位的不同，高水位更加危险，需做防撞设施。
4.船撞力公式计算值
船撞力理论计算与数值计算结果见表1。
根据表1 的计算结果。数值计算的最大船撞力为17.58MN～35.78MN，修正沃辛公式和公路桥涵设计通用规范计算得到的数值最为接近。而我国公路桥梁规范规定的船撞力偏小。数值模拟计算的结果与以美国公路桥梁设计规范或铁路桥梁规范公式的修正公式为依据进行船撞力计算的结果最为接近，可以满足工程的需要。根据数值计算的结果，横桥向的船撞力与船撞力合力较为接近。根据规范比较后。顺桥向可按照横桥向的0.5倍计算。
5.结论及建议
本文通过研究船舶在不同通航水位情况下对桥墩的船撞力，得出随着水位上升船舶对桥梁撞击的危险性程度逐渐增加的结论。同时给出了理论分析与数值仿真分析的比较结果，分析了理论与仿真计算之间的关系，确定出与仿真计算接近的分析计算理论。最后建议对9#墩设置防撞装置。
