文，我們將一起學習，使用純 CSS，實現如下所示的動畫效果：

上面的動畫效果，非常有意思，核心有兩點：

1. 小球隨機做 X、Y 方向的直線運動，并且能夠實現碰撞到邊界的時候，實現反彈效果
2. 小球在碰撞邊界的瞬間，顏色發(fā)生隨機的變化

嗯？很有意思的效果。看上去，我們好像使用 CSS 實現了碰撞檢測。

然而，實際情況真的是這樣嗎？讓我們一起一探究竟！

實現 X 軸方向的運動

這里其實我們并沒有實現碰撞檢測，因為小球和小球之間接觸時，并沒有發(fā)生碰撞效果。

我們只實現了，小球與邊界之間的碰撞反應。不過這里，也并非碰撞檢測，我們只需要設置好單個方向的運動動畫，并且設置 animation-direction: alternate; 即可！

下面，我們一起來實現單個方向上的運動動畫：

<div></div>

div {
    position: absolute;
    top: 0;
    left: 0;
    width: 100px;
    height: 100px;
    border-radius: 50%;
    background: #0cf;
    animation: horizontal 3s infinite linear alternate;
}

@keyframes horizontal {
    from { 
        left: 0;
    }
    to { 
        left: calc(100vw - 100px);
    }
}

簡單解讀一下：

1. 元素設置為 position: absolute 絕對定位，利用 left 進行 X 軸方向的運動
2. 我們讓元素 div 運動的距離為 left: calc(100vw - 100px)，元素本身的高寬都是 100px，因此相當于運動到屏幕的最右側
3. 動畫設置了 alternate 也就是 animation-direction: alternate; 的簡寫，表示動畫在每個循環(huán)中正反交替播放

這樣，我們就巧妙的實現了，在視覺上，小球元素移動到最右側邊界時，回彈的效果：

如法炮制 Y 軸方向的運動

好，有了上面的鋪墊，我們只需要再如法炮制 Y 軸方向的運動即可。

利用元素的 top 進行 Y 軸方向的運動：

div {
    position: absolute;
    top: 0;
    left: 0;
    width: 100px;
    height: 100px;
    border-radius: 50%;
    background: #0cf;
    animation: 
        horizontal 3s infinite linear alternate,
        vertical 3s infinite  linear alternate;
}

@keyframes horizontal {
    from { 
        left: 0;
    }
    to { 
        left: calc(100vw - 100px);
    }
}

@keyframes vertical {
    from { 
        top: 0;
    }
    to { 
        top: calc(100vh - 100px);
    }
}

我們增加了一個 vertical 3s infinite linear alternate Y 軸的運動動畫，實現小球從 top: 0 到 top: calc(100vh - 100px); 的運動。

這樣，我們就成功的得到了 X、Y 兩個方向上的小球運動，它們疊加在一起的效果如下：

當然，此時的問題在于，缺少了隨機性，小球的始終在左上和右下角之間來回運動。

為了解決這個問題，我們需要添加一定的隨機性，這個問題也要解決，我們只需要讓兩個方向上運動時間不一致即可。

我們修改一下代碼，讓 X、Y 軸的運動時長不一致即可：

div {
    position: absolute;
    // ...
    animation: 
        horizontal 2.6s infinite linear alternate,
        vertical 1.9s infinite  linear alternate;
}

如此一來，整體的效果就好上了不少，由于整個動畫是無限反復進行的，隨著時間的推進，整個動畫呈現出來的就是無序、隨機的運動：

使用 transform 替代 top、left

當然，上面的效果基本上沒有什么太大的問題了，但是代碼層面不夠優(yōu)雅，主要有兩點問題：

1. 元素移動使用的是 top 和 left，性能相對較差，需要使用 transform 進行替代
2. 代碼中 hardcode 了 100px，由于 DEMO 中小球的大小是 100px x 100px，并且在動畫的代碼中也使用了 100px 這個值進行了運動終態(tài)的計算，因此如果想修改小球的元素大小，需要改動地方較多

上述兩個問題，使用 transform: translate() 都可以解決，但是我們?yōu)槭裁匆婚_始不用 transform 呢？

我們來嘗試一下，使用 transform 替代 top、left：

div {
    position: absolute;
    top: 0;
    left: 0;
    width: 100px;
    height: 100px;
    border-radius: 50%;
    background: #0cf;
    animation: 
        horizontal 2.6s infinite linear alternate,
        vertical 1.9s infinite  linear alternate;
}
@keyframes horizontal {
    from { transform: translateX(0); }
    to { transform: translateX(calc(100vw - 100%)); }
}
@keyframes vertical {
    from { transform: translateY(0); }
    to { transform: translateY(calc(100vh - 100%)); }
}

上述代碼中，我們使用了 transform 替代 top、left 運動。并且，將動畫代碼中的 100px 替換成了 100%，這一點的好處是，在 transform: translate 中，100% 表示的是元素本身的高寬，這樣，當我們改變元素本身的大小時，就無需再改變 @keyframes 中的代碼，通用性更強。

我們來看看修改后的效果：

有點問題！預想中的效果并沒有出現，整個動畫只有 Y 軸方向上的動畫效果。

這是什么原因呢？

其本質在于，定義的 vertical 1.9s infinite linear alternate 的垂直方向的動畫效果覆蓋了在其之前定義的 transform: translateX(calc(100vw - 100%)) 動畫效果。

說人話就是 X、Y 軸的動畫都使用了 transform 屬性，兩者之間造成了沖突。

使用 animation-composition 進行動畫合成

在之前，這種情況基本是無解的，常見的解決方案就是：

1. 解法一：使用 top、left 替代 transform
2. 解法二：多一層嵌套，將一個方向的動畫拆解到元素的父元素上

不過，到今天，這個問題有了更好的解法！也就是 CSS animation 家族中的新屬性 —— animation-composition。

這是一個非常新的屬性，表示動畫合成屬性，從 Chrome 112 版本開始支持。

有三種不同的取值：

{
    animation-composition: replace;        // 表示動畫值替換
    animation-composition: add;              // 表示動畫值追加
    animation-composition: accumulate; // 表示動畫值累加
}

本文不會詳細介紹 animation-composition，感興趣的可以看看 MDN 的屬性介紹或者 XBOXYAN 大佬的這篇文章 -- 了解一下全新的CSS動畫合成屬性animation-composition

這里，基于上面的代碼，我們只需要再多設置一個 animation-composition: accumulate 即可解決問題：

div {
    animation: 
        horizontal 2.6s infinite linear alternate,
        vertical 1.9s infinite  linear alternate;
    animation-composition: accumulate;
}

此時，我們就能通過一個元素，利用 transform 得到 X、Y 兩個方向位移動畫的合成效果，也就是我們想要的效果：

使用 steps 實現顏色切換

解決了位移動畫的問題，我們就只剩下最后一個問題了，如何在碰撞的瞬間，實現顏色的切換？

這里也非常好解決，由于我們是知道每一輪 X、Y 方向上的動畫時長的，那我們只需要在每次這個結點上，切換一次顏色即可。

并且，由于顏色不是過渡變換，而是直接的跳變，所以，我們需要用到 animation 中的 animation-timing-function: steps()，也就是步驟緩動函數。

舉個例子，假設 X 方向上，單次的動畫時長為 3s，那我們可以設置一個 steps(10) 的顏色動畫，總時長為 30s，這樣，每隔 3s 就會觸發(fā)一次 steps() 步驟動畫，顏色的變化就能夠和小球與邊界的碰撞動畫發(fā)生在同一時刻。

那如何快速實現顏色的變化呢？利用 filter: hue-rotate() 即可快速實現顏色的變化。

理解一下下面的代碼：

<div class="normal"></div>
<div class="steps"></div>

div {
    width: 200px;
    height: 200px;
    background: #fc0;
}
.normal {
    animation: colorChange 10s linear infinite;
}
.steps {
    animation: colorChange 10s steps(5) infinite;
}
@keyframes colorChange {
    100% {
        filter: hue-rotate(360deg);
    }
}

這里，我們用 filter: hue-rotate(360deg) 的改變，實現顏色的變化，觀察下面的動圖，理解 steps(5) 的作用。

1. animation: colorChange 10s linear infinite 表示背景動畫的過渡變化
2. animation: colorChange 10s steps(5) infinite，這里表示 10s 的動畫分成 5 步，每兩秒，會觸發(fā)一次動畫：

效果如下：

理解了這一步，我們就可以把顏色的變化，也一起疊加到上述的小球變化中：

div {
    animation: 
        horizontal 2.6s infinite linear alternate,
        vertical 2s infinite  linear alternate,
        colorX 26s infinite steps(10),
        colorY 14s infinite steps(7);
    animation-composition: accumulate;
}

@keyframes horizontal {
    from { transform: translateX(0); }
    to { transform: translateX(calc(100vw - 100%)); }
}
@keyframes vertical {
    from { transform: translateY(0); }
    to { transform: translateY(calc(100vh - 100%)); }
}
@keyframes colorX {
    to {
        filter: hue-rotate(360deg);
    }
}
@keyframes colorY {
    to {
        filter: hue-rotate(360deg);
    }
}

這樣，我們就成功的得到了題圖中的效果：

完整的代碼，你可以戳這里：Random Circle Path

應用于圖片效果、應用與多粒子效果

OK，上面，我們就把整個效果的完整原理剖析了一遍。

掌握了整個原理之后，我們就可以把這個效果應用于不同場景中。

譬如，假設我們有這么一張圖片：

基于上面的效果，稍加改造，我們就可以得到類似的如下效果：

<div></div>

div {
    width: 220px;
    height: 97px;
    background: linear-gradient(#f00, #f00), url(https://s1.ax1x.com/2023/08/15/pPQm9oT.jpg);
    background-blend-mode: lighten;
    background-size: contain; 
    animation: horizontal 3.7s infinite -1.4s linear alternate,
            vertical 4.1s infinite -2.1s linear alternate,
            colorX 37s infinite -1.4s steps(10),
            colorY 28.7s infinite -2.1s steps(7);
    animation-composition: accumulate;
}
@keyframes horizontal {
    from { transform: translateX(0); }
    to { transform: translateX(calc(100vw - 100%)); }
}
@keyframes vertical {
    from { transform: translateY(0); }
    to { transform: translateY(calc(100vh - 100%)); }
}
@keyframes colorX {
    to {
        filter: hue-rotate(2185deg);
    }
}
@keyframes colorY {
    to {
        filter: hue-rotate(1769deg);
    }
}

效果如下：

上面的 DEMO 是基于元素背景色的，本 DEMO 是基于圖片的，因此這里多了一步，利用 mix-blend-mode，實現了圖片顏色的變化。

完整的代碼，你可以戳這里：CodePen Demo -- Random DVD Path

實現多粒子碰撞

OK，我們再進一步，基于上面的效果，我們可以實現各種有趣的粒子效果，如果同時讓頁面存在 1000 個粒子呢？

下面是我使用 CSS-Doodle 實現的純 CSS 的粒子效果，其核心原理與上面的保持一致，只是添加了更多的隨機性：

Amazing！是不是非常有趣，整個效果的代碼基于 CSS-doodle 的語法，不超過 40 行。完整的代碼，你可以戳這里：CSS Doodle - CSS Particles Animation

最后

總結一下，本文介紹了如何巧妙的利用 CSS 中的各種高階技巧，組合實現類似于碰撞場景的動畫效果。創(chuàng)建出了非常有趣的 CSS 動畫，期間各種技巧的組合運用，值得好好琢磨學習。

鏈接：https://juejin.cn/post/7269797025863499837

言

在橋梁發(fā)展史上，先進技術和理論的出現會推動橋梁工程的發(fā)展，而在橋梁毀壞事件中能積極探究致災機理、尋求解決辦法，則對橋梁相關技術改進、“橋梁人”的成長也有著巨大的正面意義。“橋梁撞擊”不僅與橋梁抗風、抗震一樣是國內外既有和在建橋梁長期面臨的問題，也是近些年逐漸興旺的一個具有交叉性、綜合性、實用性的學科方向。對橋梁撞擊和防控問題的研究符合國家發(fā)展需求，也是國內外學者近年來的關注熱點。2011年作者曾聽過一場《地震本不該是災害》的主題報告，也一直在思考“橋梁撞擊本不該是事故”：一方面將橋梁抗震相關理念（如基于性能的設計）在橋梁撞擊及防護領域進一步推廣和完善，是作者所倡導的；另一方面“橋梁撞擊不再是事故”，可理解為解決橋梁撞擊問題的一個最終目標。但這個目標顯然需要橋梁撞擊領域同仁一塊去給出答案，作者也期望能在這方面出一份綿薄之力，于是欣然提筆，開始了本期內容的撰寫工作。全球學者對橋梁撞擊的研究從未停歇，掌握橋梁撞擊發(fā)生機理和影響規(guī)律，具備橋梁防撞的理念、知識和方法，遇到該類問題能夠從容應對是達到“橋撞不再是事故”的前提。2020年國內外學者對橋梁撞擊及防護問題的研究取得了長足的進步。繼“橋梁撞擊問題2019年研究進展”之后，作者嘗試對近一年橋梁船撞、落石沖擊和車撞橋梁等方面的新進展進行歸納總結，并展望撞擊災變和防控的研究趨勢。期待借此拋磚引玉，為該方向的同仁提供些許信息，共同致力于橋梁防撞理論的研究與實踐。文獻來源：通過Web of Science、Elsevier ScienceDirect、CNKI和萬方中國學術期刊數據庫等進行檢索，主要來自《Engineering Structures》、《Journal of Constructional Steel Research》、《Engineering Failure Analysis》、《Journal of Bridge Engineering》、《Journal of Structural Engineering》、《Thin-Walled Structures》、《Ocean Engineering》、《Structural and Multidisciplinary Optimization》、《Structure and Infrastructure Engineering》、《Archives of Computational Methods in Engineering》、《中國公路學報》、《防災減災工程學報》、《巖石力學與工程學報》、《鐵道標準設計》、《鐵道科學與工程學報》、《湖南大學學報(自然科學版)》、《橋梁建設》等中外學術期刊。限于水平與時間精力有限，本文文獻收集有可能掛一漏萬，有疏漏或不妥之處，敬請讀者指正。依據所查橋梁撞擊文獻，大體分為三大類：橋梁船撞、崩塌落石沖擊（本文不涉及泥石流對橋梁的撞擊研究，將有另文報道）和車撞等，以下對此進行簡要介紹。

PART-1

船橋碰撞

與地震或風荷載一樣，船只對橋梁的沖擊不僅可能造成災難性后果，而且還可能導致人員傷亡、經濟損失和環(huán)境污染。2020年國內發(fā)生多起采砂船撞擊橋梁事件：2020年3月19日在G72泉南高速全州往湖南方向K973+615（湘江大橋處）發(fā)生一起挖沙船撞橋事件；2020年7月7日，江西鄱陽縣太陽埠大橋水域發(fā)生運砂貨船撞擊橋梁事件，致橋面坍塌，壓迫貨船傾斜沉沒；2020年7月11日，贛江吉安段一艘重約40噸的采砂船不慎脫錨，頭尾分別與白鷺洲拱橋橋墩相撞。另外，近些年改裝船只非法采砂問題不但破壞了河流生態(tài)環(huán)境，還嚴重影響了航道、堤防和橋梁安全。據報道，2020年僅蕪湖市抓獲非法采砂船和非法運砂船就達200余艘。公安部也曾部署開展打擊長江流域黑惡勢力非法采砂違法犯罪專項行動[1]。船橋碰撞事故的頻繁發(fā)生，造成了重大的安全隱患和經濟損失。針對該問題，下面對2020年船橋碰撞方面的科學研究進展做一下梳理，尋找解決對策。
1.1 在橋梁船撞規(guī)范或標準方面：2020年中華人民共和國交通運輸部發(fā)布了《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020），明確提出公路橋梁主體結構宜采用基于性能的抗撞設計方法，并給出兩個作用水準。這兩個水準的失效概率主要參考了美國《公路橋梁船撞設計指南》。其中橋梁的船撞重要性等級、橋梁的抗船撞設防目標、橋梁結構的抗船撞性能等級和橋梁構件的抗船撞性能等級這四個表格構成了基于性能抗撞設計的目標體系，也就是設計要達到的目標和對設計結果進行評價的標準。其中抗船撞性能驗算的條款給出了偶然組合需要考慮的作用類型。明確了溫度作用等不參與撞擊組合，是對現行《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60）的補充。汽車荷載參與船撞組合時取其準永久值。而美國《公路橋梁設計規(guī)范》中船撞組合考慮了0.55倍的汽車荷載，與本條規(guī)定類似。同樣，出于簡化工程設計的目的，該規(guī)范考慮輪船撞擊橋梁的動態(tài)過程時，以我國8艘代表性輪船（3000~50000DWT）的船撞動態(tài)時間過程為依據，用一個等效靜力來近似代替。它還將設防代表船型簡要劃分為輪船和駁船；給出了輪船撞擊力設計值、甲板室撞擊力設計值、桅桿撞擊力設計值和駁船撞擊力設計值的計算公式。同時推薦采用概率-風險分析方法確定設防船撞力[2]。1.2 在橋梁船撞響應分析方面：大型船舶撞擊橋梁事故的嚴重性引起了越來越多的人們的關注。Zhou等人[3]在對海洋環(huán)境下不銹鋼混凝土橋墩累積沖擊力的研究中，通過試驗驗證和相關規(guī)范的比較分析，建立了考慮橋墩累積沖擊損傷的碰撞力計算公式。結果表明，隨著橋墩沖擊損傷的增加，沖擊力逐漸減小，在計算沖擊力時必須考慮損傷的影響。如圖1所示，與規(guī)范公式相比，作者所提出的具有損傷因子的碰撞力公式曲線與試驗結果曲線也更吻合，能夠更好地反映不銹鋼混凝土橋墩在碰撞損傷后的沖擊力狀況，具有一定應用潛力。

（a）M1-16

（b）M1-20圖1 推導公式、規(guī)范公式和試驗結果的沖擊力比較[3]

Gholipour、張春巍等人[4]探討了某斜拉橋在船舶撞擊作用下的漸進損傷特性和破壞模式；建立了一種二自由度的混凝土材料應變率效應簡化理論模型。根據橋墩撓度、橋墩吸收的內能和橋墩柱的軸向承載能力，提出了三種不同的損傷指標，對橋墩的損傷等級進行了分類；并通過將損傷指數結果與船橋碰撞有限元模擬觀測到的漸進損傷行為進行比較，確定了一種有效的損傷水平評價方法。戴志偉、方海等[5]提出了一種考慮墩頂約束作用的船橋碰撞理論模型；綜合橋墩剛度、船舶質量及船艏剛度等因素的影響，建立了峰值撞擊力簡化計算公式。進一步分析結果表明：一定范圍內，峰值撞擊力與船艏剛度呈正相關；頂端約束剛度對船橋碰撞力具有一定的影響。鄧超[6]通過對比常用船橋撞擊力經典理論公式與ANSYS仿真分析計算結果，發(fā)現我國公路橋規(guī)計算的撞擊力值與數值模擬得出的撞擊力值最為接近。橋梁抗撞擊與防護的基礎性試驗數據尚較為缺乏[7]。Guo等[8]以浙江省某跨海大橋的非通航跨徑為工程背景，進行了模型試驗，并建立了由樁基礎、承臺、墩、梁體組成的精細有限元模型，見圖2。作者分析了不同速度沖擊下橋梁的沖擊力大小、各結構的動力響應和能量分布，并對試驗結果和有限元結果進行了比較。結果表明：沖擊力可分為兩個階段：上升階段和塑性階段。在第一階段，沖擊力突然上升到最大。在第二階段，由于船頭的塑性變形，沖擊力減小。試驗中觀察到橫向慣性力引起的梁與墩之間的相對位移最大達到8.32mm。在船橋碰撞過程中，船舶由于船艏的變形而吸收了大部分能量，占總能量的80%以上。對于橋梁結構，大部分的能量集中在樁基礎和支座的變形上。通過小波分析，發(fā)現被測橋梁結構所吸收的能量主要集中在低頻波段。

(a) 試驗裝置

(b)有限元模型圖2 撞擊試驗和仿真[3]

橋梁結構在使用時間內可能同時遭受多種危害。洪水沖刷是橋梁破壞的另一個主要原因。Guo等人[9]采用顯式非線性動力分析方法研究了一座大跨度雙塔斜拉橋在不同基礎沖刷和船舶撞擊作用下的動力響應和結構性能。結果表明，沖刷對最大沖擊力的影響較小，但對碰撞力的時程曲線影響較大；樁頂彎矩隨沖刷深度的增加而增大，從而導致樁基彎矩破壞。張琛、陳偉[10],[11]也開展了沖刷橋墩-駁船碰撞試驗，在此基礎上進行了沖刷和船撞雙重災害共同作用下連續(xù)梁橋和斜拉橋的非線性動力響應研究并給出了加固措施。颶風也是可能對沿海基礎設施造成破壞的極端事件之一。關于駁船碰撞損壞的橋梁對颶風引起的波浪荷載的響應，已有文獻中并沒有提供有益的參考。為彌補這一研究空白，Oppong等[12]制定了一個多災害框架，對駁船碰撞和颶風事件下橋梁動力響應進行分析并對結構易損性進行了全面評估。通過對變形模式和破壞模式的深入了解，確定了這兩個極端事件的累積后果，有助于提高通航航道橋梁的風險評估水平。1.3 在橋梁船撞風險評估方面：由于經濟的快速發(fā)展，我國長江流域存在著大量與河流方向平行的岸邊橋（圖3）。岸邊橋梁的廣泛分布不可避免地增加了船舶與橋梁碰撞的風險，而其空間分布、涉水狀態(tài)、船舶可達性等與跨河橋梁不同，因此用跨河橋梁的常規(guī)評估方法來評價岸邊橋梁的船舶碰撞風險并不合適。Zhang等人[13]在AASHTO提出的基于概率的船橋碰撞風險評估框架的基礎上，提出了一種結合涉水概率和改進的偏航船舶碰撞模型來評估船舶與岸邊橋梁碰撞風險的新方法，并應用于重慶沙濱路岸邊橋的船舶碰撞風險評估中。船橋碰撞風險評估的詳細程序如圖4所示。

圖3 重慶沙濱路岸邊橋[13]

圖4 岸邊橋梁碰撞船舶全概率風險評估框架[13]

同時，Zhang在研究岸邊橋梁特性的基礎上，結合改進的KUNZI模型，將船舶航跡積分區(qū)間擴展到船舶到橋墩的橫向距離，將原模型的偏航角θ直接設置為90°，提出了一種新的岸邊橋梁船舶碰撞概率危險性分析模型。如圖所示5，改進的KUNZI模型包含三個隨機參數，即船舶軌跡分布、偏航角和停泊距離。

圖5 改進的KUNZI模型[13]

由此得到船舶在i水位下與岸邊橋碰撞的年概率Pwi計算公式如下，具體符號含義見文獻[13]，在此不再贅述。

有通航需求的橋梁具有較高的船舶碰撞危險性，同時由于周圍環(huán)境的侵蝕，橋梁也面臨著嚴重的“老化”危險。Fan等[14]在考慮腐蝕引起的結構退化的情況下，建立了一種新的鋼筋混凝土橋梁在船舶碰撞下的易損性評估框架。結果表明，腐蝕對橋梁結構在船舶碰撞中的易損性有著重要的影響。由于氯離子腐蝕削弱了橋梁柱的承載能力，每個損傷水平的失效概率都大大增加。在相同的條件下(例如，船舶質量和速度)，在大多數情況下，當撞擊船的動能不大時，駁船撞擊引起的問題占主導地位。然而，當動能較大且橋梁經歷了較長時間腐蝕劣化的情況下，輪船碰撞導致的失效概率要高于駁船碰撞的失效概率。這主要是因為駁船船艏與輪船船艏之間的差異造成了撞擊載荷的顯著差異。
Wang等[15]針對駁船撞擊下鋼筋混凝土單柱損傷識別問題提出兩種不同的識別策略：一種基于實測柱位移和模態(tài)參數的直接識別方法；作為一種替代方法，另一種是基于實測柱位移來確定沖擊力時程的間接識別方法。通過將識別出的損傷量與用已有的耦合多自由度模型進行精確變形分析生成的基準輸出數據進行比較，評估所提出策略的預測質量發(fā)現：前者可以非常合理地量化受損鋼筋混凝土柱的狀態(tài)，而不需要事先提供導致柱損傷的荷載信息。后者在準確測量柱頂位移的情況下能夠非常準確地識別沖擊力的時程，還能根據實測的柱頂位移合理地識別駁船的質量和撞擊速度。劉少康[16]在對船舶載況、撞擊速度、碰撞角度等影響下的船橋碰撞響應進行數值分析后，結合BP神經網絡和Elman神經網絡方法構建船橋碰撞力預測代理模型，實現對船橋碰撞力的快速預估。宋明康[17]分析了橋梁船撞的破壞模式，確立了橋梁船撞極限狀態(tài)功能函數，同時采用基于響應面的方法對橋梁結構船撞時變可靠度進行了分析。林志丹[18]結合三起船橋撞擊事件，基于外觀檢查結果對橋梁損傷進行了診斷分析，給出了處置措施和改進建議。郭健等[20]建立了風險層次評價指標模型，基于橋區(qū)通航監(jiān)控統(tǒng)計數據，運用 AHP 法、熵權法和模糊數學理論，對朱家尖跨海大橋船舶撞擊風險進行綜合評估并給出了風險控制措施。陳兵等人[19]通過水文地質資料調查和實地勘測后，參照美國AASHTO規(guī)范計算了牛灣特大橋發(fā)生碰撞事故的概率，并對比了中、美、歐洲規(guī)范所得的船舶撞擊力，總結了該橋船撞風險因素。與通航孔相比，非通航孔橋抗撞能力差，一旦發(fā)生船撞，造成的經濟損失和人員傷亡也不容小覷。從經濟、美觀的角度，朱俊羽等人[21]認為非通航孔橋防船撞宜采用攔截系統(tǒng)，代表船型為2 000 t級在船速為2.5 m/s的LS-DYNA撞擊動態(tài)數值算例表明，可以在較短時間內有效攔截船舶。朱俊羽等[22]還對某航道橋下部結構受船舶撞擊后的安全性能進行了評估，總結了船撞安全評估一般流程，出了加固和防撞設計方案。在橋梁防船撞及其設計方面：對于重要橋梁或高船撞風險的橋梁，可以考慮外加防護裝置系統(tǒng)增強橋梁的抗撞擊能力。鋼護舷作為典型的防護體系之一，因其耗能能力較大而被廣泛應用于船舶碰撞防護中。初步設計階段，由于尚未確定鋼護舷詳細的參數，開發(fā)一種實用的簡便的方法十分必要。Fan等人[23]提出了一種基于能量的設計方法，給出了詳盡的設計步驟，用于在初步設計階段對鋼護舷進行有效的設計。分析結果表明，所提出的設計方法能夠準確地預測鋼擋泥板的壓碎深度和峰值沖擊力。利用所提出的基于能量的設計方法，可以進行有效的優(yōu)化設計。此外，作者還指出所提出的簡化方法應推廣到偏心撞擊，并繼續(xù)改進，以更準確地預測船艏粉碎深度。羅強等人[24]設計了一種新型鋼－復合材料組合防撞裝置，通過LS-DYNA數值仿真分析對比了有無防撞裝置的橋墩結構響應。發(fā)現帶球艏船舶和駁船撞擊力峰值降幅可達30%和54.2%。汪銀根[25]以中開虎跳門西江特大橋為背景，對比了一下中、美、歐等規(guī)范主墩橫橋向船舶撞擊力和幾種常見防撞設施的優(yōu)劣，推薦采用船舶撞擊力標準值的計算依據美國AASHTO 公式、防撞設施采用橡膠護舷。Manohar等人[26]提出一種由波紋鋼和預置骨料纖維混凝土(Preplaced Aggregate Fibre Reinforced Concrete，簡稱PAFRC)組成的新型復合護舷結構。采用落錘沖擊試驗裝置（圖6）對多組鋼-PAFRC護舷試件進行了測試，研究了它們的低速沖擊性能和失效機理。結果表明，通過改變波紋板厚度可以有效地減輕沖擊力。鋼纖維的加入提高了復合護舷PAFRC頂板的裂紋萌生和抗沖擊性能，而由長纖維組成的PAFRC頂板與短纖維相比有進一步的改進。還指出了對高沖擊速度下、不同類型的纖維和混凝土制成的復合護舷外板的沖擊響應可作為進一步研究的方向。

圖6 試驗裝置及新型護舷結構纖維增強示意圖[3]

Shan[27]采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了一種新型鋼-聚氨酯夾芯板加筋橋梁防撞裝置的有限元碰撞系統(tǒng)模型（圖7），計算了在最不利的正面碰撞條件下箱體和墩柱的沖擊力、船的碰撞深度以及系統(tǒng)各部分所吸收的能量。結果表明，這種防撞箱能有效地保護橋墩。當發(fā)生正面碰撞時，能吸收70%以上的碰撞能量，而橋墩只承受沖擊能的10%。在防撞箱的各種部件中，夾層板的外鋼板吸收能量最多，內鋼板吸收的能量次之。水平加勁肋設置對系統(tǒng)各部分沖擊力、沖擊深度和吸收能的影響大于豎向加勁肋，提高防撞箱剛度的效果也較好。

（a）外部輪廓

（b）內部構造圖7 防撞箱模型[27]

陳巍等[28]提出了一種新型獨立式防船撞設施，即緩沖筒和FRP箱體組成的轉筒式防船撞裝置，對拱橋主拱進行保護，并采用LS-DYNA顯示動力分析后對其參數進行優(yōu)化，得到較為合理的防撞結構形式。Zhou等[29]以珠海市紅河大跨斜拉橋橋塔為研究背景，提出了一種新型組合超高性能混凝土(UHPC)的防撞裝置，該裝置的主要部件是雙層、雙向、鋼筋密集的超高性能混凝土浮箱，通過高強度螺栓連接形成整個結構，并配備鋼支撐元件、橡膠滑塊形成碰撞消能裝置（圖8）。LS-DYNA數值計算結果表明，新的防撞措施在減小艦橋碰撞力、延長船橋碰撞時間、保護船舶等方面具有一定優(yōu)勢。模塊化生產裝配、現場安裝效率高、更換損壞浮箱方便、維護費用低等優(yōu)點使其具有良好的市場應用前景。

圖8 新型UHPC防撞裝置示意圖[29]

郁嘉誠、方海等[30]以臺州椒江大橋為研究對象，通過數值分析3 000 t 級船舶在最高通航水位下正向和側向撞擊兩種工況下的撞擊力后，提出了一種隔離式防撞墩與自浮式復材消能圈相組合的防撞方案（圖9），進一步分析發(fā)現有無該裝置防撞墩和船舶所受的撞擊力削減了 24. 30%。

圖9 組合方案有限元分析模型[30]

圖10 萬州長江大橋拱形自浮式防撞裝置[32]

潘晉、許明財等[31]通過在具有 X 型夾層結構的浮式防撞設施上配置保護性柔性元件來增強設施對橋墩的保護效能；基于AIS實際船舶信息數據進行數值分析，結果表明，該裝置可減少30%以上的船撞力，且可減小船舶損傷。拱形自浮式橋梁防撞裝置（圖10）的提出，適于對山區(qū)河流拱橋易撞部位進行防護。毛德涵等[32]依據相似性準則推導了結構靜力、動力相似比后，在材料性能試驗數據和有限元分析的基礎上，選取了合適厚度的PVC管制作滿足剛度相似比的試驗模型。Wang等[33]研制了一種具有成本較低的鋼框架結構新型防撞裝置，并對其力學性能進行數值評價，以量化其耗能能力并為優(yōu)化設計提供參考。該裝置在沖擊過程中對駁船保護也是非常有效的。當駁船質量為1724噸時，該裝置所能抵抗的最大撞擊速度約為3.5m/s。幸運的是，這一速度超過了以前基于調查統(tǒng)計的研究得出的水路駁船的最高行駛速度。圖11繪制了3.5m/s沖擊速度對應的消能過程，表明該裝置消耗了大部分的沖擊能量。該裝置在沖擊后吸收的能量為8.33MN.m，占總沖擊能量的78.91%。

圖11 沖擊期間的能量轉換（vb=3.5 m/s）[35]：實線為駁船吸收的能量；帶圈的線為裝置吸收的能量；虛線為駁船的動能；帶星的線為裝置的動能；最上面的黑色粗線為總能量。

為橋下有通航需求的橋梁安裝防撞裝置對其進行防護是一方面；另一方面是要做好橋梁防撞設計，提高自身抗撞能力，防止橋梁垮塌造成的巨大損失。Pedersen等[34]介紹了一套橋墩和橋塔抗撞設計方法，并使其符合一定的風險驗收標準。文中提出了一個碰撞概率模型，用于計算船舶在大橋附近遇到緊急情況的概率，以及由人為錯誤和技術錯誤引起的船舶碰撞事故的概率。在綜合數值計算的基礎上，建立了一個簡單的經驗表達式以快速預測最大船艏沖擊力隨船舶撞擊速度、船舶載荷和船舶尺寸的變化。文中指出了AASHTO規(guī)范公式的使用條件，并對新版歐洲規(guī)范修訂提出了建議。1.4 在船橋碰撞主動預警研究方面：Wang、夏燁等[35],[36]提出了一種基于深度學習目標檢測的船舶與橋梁碰撞主動監(jiān)測系統(tǒng)的技術框架，用于船舶與橋梁之間的防碰撞。該系統(tǒng)包括圖像采集、檢測、跟蹤、預測、風險評估和決策等六個模塊(圖12)。為了在艦橋避碰監(jiān)控系統(tǒng)中取得理想的檢測效果，需要對SSD模型進行適當的數據集訓練。于是建立了一個船撞專用數據集，該數據集包含3.5萬多幅船舶圖像，并附有標注的船舶碰撞數據集。在上海松浦大橋進行了現場試驗，與現有應用較多的基于運動的檢測方法ViBe相比：傳統(tǒng)的方法將陰影、反射和重疊的船只與目標船本身混淆，而忽略了停泊的一艘船，由于波和光引起的噪聲產生了大量的假結果（圖13），而基于深度學習的目標檢測方法SSD在處理復雜多變的情況下檢測結果更加準確和靈活。這為進一步的分析和決策提供了信息支持。

圖12 船舶避碰視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術框架[35]

圖13 本文所提SSD方法與傳統(tǒng)ViBe檢測結果對比[35]

閆興非等[37]分析了基于船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）和被動防船撞設施的局限，提出采用基于視頻監(jiān)控的通航橋梁主動預警概念及方案以滿足泖港大橋防船撞預警需求。徐一超[38]選取伸縮縫位移測值作為船撞報警信號源數據，給出三大特征指標用于長大橋梁船撞后報警，提醒橋梁管理者啟動應急事宜。橋梁主動防船撞目前還沒有統(tǒng)一標準，各類橋梁主動預警和干預的手段單一。何侃[39]試圖利用AIS、VHF、VITS 等多項技術構建基于多源信息融合的碰撞風險預警模塊，以實現智能感知和判斷、營造數字交通環(huán)境。該方法具有一定技術前瞻性，但離實施還有相當距離。張雷等[40]在渤海海峽跨海橋梁方案研究中認為要實現“橋梁安全、船舶安全、通航安全”的目標，應研究航道標準，加強航行管理，采取主動防撞與被動防撞綜合手段。

PART-2

崩塌落石對橋梁的撞擊

崩塌落石是常見的山區(qū)三大地質災害之一，是指陡坡上的巨大巖石或土體，在重力、地震、雨水及其他外力作用下崩塌脫落的現象，具有預測困難、突發(fā)性強、隨機性大、致災嚴重、影響面廣等特點。目前國家加大了對西部地區(qū)交通建設投入，山區(qū)公路和鐵路的建設需要更多的山區(qū)橋梁，崩塌落石對橋梁的影響不容忽視。2020年9月20日，京昆高速雅西段(四川雅西高速)突發(fā)山體崩塌，落石導致姚河壩大橋兩跨橋梁砸斷，雅西高速雙向交通中斷。而隨著以川藏鐵路為代表的艱險山區(qū)鐵路建設的推進和相關學者對落石沖擊問題的持續(xù)關注，2020年崩塌落石對橋梁撞擊的研究和應用也比往年有所增加，以下對其進行總結。考慮到落石撞擊防護棚洞的沖擊力理論計算公式已較為成熟，但落石撞擊橋墩的沖擊力公式研究較少。鐘漢清、趙雷等[41]基于Hertz理論和Thornton彈塑性假設推導了落石撞擊橋墩沖擊力理論計算公式，并對落石沖擊速度、角度和半徑等進行了參數影響研究。計算結果發(fā)現彈塑性沖擊力僅為彈性沖擊力的21.58%，采用該公式進行抗撞設防時應引入彈塑性沖擊力折減系數。王翔等[42]對拉林鐵路某段橋梁工程典型工點的危巖崩塌體進行了現場調研，之后結合 Rocfall仿真和模型試驗加速度測試數據，采用SPECTR 計算程序對崩塌落石加速度、速度和位移動力反應譜特性進行了分析評價。這為新建川藏鐵路山區(qū)橋梁提供了直接參考。艱險山區(qū)橋梁施工及運營多面臨崩塌落石撞擊風險，常規(guī)的防護棚洞為 RC 結構鋪設砂土墊層，但因自重過大而難以實現與橋梁的一體化建造。孫宗磊等[43]擬采用新型高強材料UHPC 板鋪設 EPS 墊層的方式減小棚洞與緩沖材料的重力，由此開展試驗，研究該結構形式的耗能能力并擬合出峰值沖擊力與沖擊能量為對數關系的計算公式。該公式適用于EPS 墊層厚度在 70~150cm，沖擊能量在 100kJ 以下的情況。針對落石撞橋問題，不同工程的設計標準不一，國內鐵路橋涵規(guī)范中對落石防護領域尚存空白。楊少軍等[44]結合艱險山區(qū)鐵路橋梁建設中面臨的危巖落石風險，從落石運動規(guī)律、沖擊力計算方法、棚洞防護形式和輕型緩沖層材料的耗能性能這四方面出發(fā)，開展科研試驗與理論分析工作，探討了橋梁工程危巖落石防治標準制定需考慮的一些關鍵技術問題，但對施工和維護方面還缺少研究。方錢寶、張曉強[45]對某新型防護結構的緩沖層受力變形特征、不同落石作用位置對新型防護結構動力響應的影響開展研究。通過引入落石附加內力和變形沖擊系數，分析落石沖擊力對新型落石防護結構產生的最大動力響應，發(fā)現結構最不利受力位置為棚洞跨端，應作為控制截面采取加固措施。柔性防護網是常用的落石崩塌防護技術。余志祥等[46]提出了一種韌性鋼結構挑篷防護網系統(tǒng)，并以150 和500 kJ的三聯(lián)足尺模型沖擊試驗數據為依據進行了非線性顯示動力學分析，揭示其工作機制。張佳寧等[47]基于ANSYS/ LS- DYNA顯示動力學分析落石撞擊雙柱式高墩的全過程，模擬結果發(fā)現：橋墩結構應力變化的最大值與撞擊位置距橋墩底部的距離和落石撞擊初始速度正向關。陸科林[48]對雙薄壁箱型截面鋼橋墩的落石沖擊性能進行數值模擬，分析了落石大小、沖擊速度以及沖擊位置對橋墩的動力響應的影響，給出了設計建議。張春巍等人[49]對各類混凝土結構和構件，包括橋墩、梁和板在橫向沖擊載荷下的響應和破壞行為進行了總結；重點回顧了以往關于鋼筋混凝土橋墩在車輛和船只碰撞作用下的碰撞響應的研究；闡述了不同的結構參數和荷載相關參數對混凝土結構抗沖擊性能的影響。此外，還介紹了沖擊荷載作用下結構分析的理論背景、現行設計準則和現有的分析方法。綜述發(fā)現，由于忽略了慣性效應和應變率效應等動力效應的影響，現行規(guī)范所預測的沖擊載荷可能是不保守的。另外，現行設計規(guī)范在預測等效沖擊荷載時沒有考慮到被沖擊結構的損傷狀態(tài)。也無法準確和合理地估計橋墩慣性、軸向荷載比、幾何形狀和土-結構相互作用等對沖擊載荷和響應的影響。軸向荷載參數的有效性還沒有得到嚴格的論證，然而以往的研究大多是研究結構在軸向荷載作用下的抗沖擊能力。

PART-3

車輛對橋梁的撞擊

我國城市規(guī)模飛速發(fā)展、交通負擔日益繁重。2020年國家統(tǒng)計局數據顯示，全國機動車保有量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛。在此背景下，車橋碰撞問題也較為突出。2020年車橋碰撞的案例有：超高車輛撞擊橋跨結構，是立體交通快速發(fā)展過程中逐漸凸顯的一大問題，會導致橋跨結構落梁或局部損壞。2020年10月15日上午10時，G50滬渝高速公路上，一輛大型運輸車輛與路面上方橋梁發(fā)生碰撞，導致橋梁垮塌。2020年10月18日，在江蘇海安境內的寧啟線南莫至海安站區(qū)間，一輛混凝土泵車先撞倒限高架后撞向鐵路橋，橋梁上拱變形，撞擊點鋼筋外露，導致寧啟線9趟列車停運。車輛撞擊橋墩、護欄的事故則更為頻發(fā)。2020年3月14日，紹興市一私家車撞向橋墩后車身起火，駕駛員當場死。2020年8月10日，海口南海大道西段一輛汽車撞到高鐵橋墩后瞬間引發(fā)劇烈燃燒。2020年11月23日廣東某地貨車高速撞上路面凸起物失控，致某小汽車被撞跨越護欄、翻滾墜落橋下；后證實為伸縮縫型鋼斷裂意外凸起。2020年12月18日，在山東省日照市某大橋上發(fā)生一起兩輛汽車相撞的交通事故，其中一車撞斷護欄、墜落橋下。國外類似事件也有發(fā)生。2020年9月10日，英國一輛雙層校車行駛途中撞上一座高度較低的鐵路橋，大巴車頂棚被掀掉，十多名學生受傷。列車脫軌事件相對較少，但后果嚴重。2021年3月19日 摩洛哥一火車失控脫軌、撞上橋墩，至少6死86傷。近年來，車輛撞橋帶來了巨大的經濟損失和人員傷亡，這些事故引起了人們的廣泛關注。車輛撞擊橋梁事件一般分為汽車撞擊橋跨結構、下部結構、護欄、拉索等，此外還有列車脫軌致災等特殊情況。超高車輛與凈空較低的鐵路橋梁的撞擊影響巨大。防撞梁可以減少車輛撞擊事故造成的破壞，并且在那些凈空較低的、常遭受超高車輛沖擊影響的橋梁很容易更換。Ozdagli等[50]根據北美鐵路業(yè)主的需求，對各種碰撞梁在減緩超高車輛碰撞鐵路橋梁的影響方面進行了數值研究，評估其對保護橋梁是否有效。并從實驗上量化了不同碰撞梁的效率，為過高車橋防撞減振設計提供了參考。而車輛與橋墩的碰撞也是橋梁結構的主要威脅之一。Li等人[51]開展了鋼筋混凝土(RC)橋墩在橫向沖擊荷載作用下的沖擊過程、損傷與破壞模式、動力特性和抗沖擊性能評價方法的試驗和數值研究工作；一改通常采用峰值沖擊力來評價結構物/構件的抗沖擊性能的方式，作者根據能量守恒定律，采用沖擊位置的塑性位移（即殘余位移）作為鋼筋混凝土橋墩抗沖擊性能的評價標準。圖14為試驗系統(tǒng)示意圖。圖15為試件數值預測和實驗的破壞模式的比較。

圖14 水平沖擊實驗系統(tǒng)示意圖[51]

(a)數值預測的失效模式

(b)實驗失效模式。圖15 試件破壞模式的比較[51]

考慮到試驗成本高和數值模擬技術的成熟發(fā)展，Chen[52]采用有限元模擬方法，對典型的三柱鋼筋混凝土橋墩在車輛碰撞作用下的動力響應和損傷破壞特性進行了分析，并考慮了車輛動能、箍筋直徑、軸壓比、基礎深度和發(fā)動機質量等關鍵變量。在此基礎上，提出了計算鋼筋混凝土橋墩沖擊時軸向力增量的改進公式。結合已建立的汽車碰撞模型，建立了評價鋼筋混凝土橋墩在車輛碰撞作用下抗剪性能的極限狀態(tài)函數。此外，還提出了一種新的車輛碰撞下鋼筋混凝土橋墩抗剪破壞的等效靜力分析方法，并對AASHTO規(guī)范的有效性進行了評價。Wu[53]對鋼筋混凝土雙柱墩橋梁的動力響應和車輛碰撞下的可靠度進行了分析。以精細的混凝土雙柱墩橋梁和車輛有限元模型為基礎，考慮車速、截面尺寸、橋墩高度、混凝土強度等參數對沖擊響應的影響；基于可靠度理論，采用蒙特卡羅方法分析了橋墩在車輛碰撞下的剪切破壞概率。作者還提出了可在未來研究中進一步考慮不同車型、沖擊位置的影響。唐楊[54]基于ANSYS對鋼桁架橋在橫橋向撞擊和順橋向撞擊作用下的受力特點進行對比分析后發(fā)現，橫橋向撞擊下結構變形和應力更大。王向陽等[55]以某雙柱式橋墩為背景，以LS-DYNA 的車—橋墩碰撞數值計算樣本擬合出了車撞力計算公式。與我國規(guī)范計算值比較后發(fā)現，規(guī)范計算車撞力偏低。橋墩易發(fā)生剪切破壞，且混凝土強度對其抗剪承載力可靠性指標有較大影響。在試驗的基礎上建立高保真的數值分析模型，并做進一步的拓展分析是一種節(jié)省研究成本的方法。Sharma等[56]對馬尼托巴混凝土橋的護欄遭受有可能的卡車連續(xù)高速撞擊問題進行了數值研究，以評價護欄抵抗多次撞擊的性能和駕駛員安全風險。在LS-DYNA中進行多次撞擊數值模擬前，首先通過與已知實車足尺碰撞數據對照，驗證了數值仿真中前車建模的準確性。分析結果表明，在卡車連續(xù)5次碰撞過程中，不可能發(fā)生災難性破壞和人員重大傷亡。圖16所示第1次撞擊和第5次撞擊后馬尼托巴橋混凝土防撞護欄的有效塑性應變，也表明防撞護欄沒有發(fā)生過大破壞。

圖16 第1次車撞和第5次車撞后馬尼托巴橋混凝土防撞護欄的有效塑性應變[56]

與Sharma等人的研究方法類似，仿真模型的有效性通過與實際碰撞事故中橋梁損傷特征進行驗證的研究方式也值得借鑒。現行規(guī)范中規(guī)定的等效靜力設計力并沒有充分考慮車輛碰撞的多樣性，如車輛類型、質量和碰撞速度等。Wang[57]利用有限元軟件ABAQUS建立了某重型貨車和橋墩的有限元仿真模型，分析了車輛質量和車速對立交橋橋墩沖擊特性的影響，其有限元模型驗證工作就是采用與實際車撞橋梁破壞特征保持一致實現的。結果表明，隨著載重汽車質量和碰撞速度的增加，沖擊力峰值增大。橋墩的高應力區(qū)集中在橋墩的根部和沖擊部位，在45°處形成斜裂縫。為了保護橋墩不受車輛的沖擊、或減小撞擊危害，安裝防撞裝置是有效手段。Pan等[58]設計了一種能量吸收結構（圖17），該結構由薄壁U形鋼和填充復合蜂窩管組成。首先對能量吸收結構進行了材料性能試驗、對實際車輛模型進行標定（依據圖18裝置所得試驗數據[59]）；之后建立有限元模型進行了碰撞系數、角度和車輛類型等參數影響分析，來評價所設計的保護結構在各種車輛碰撞下的動力性能和能量吸收能力。研究表明，高速碰撞情況下更有必要安裝該防撞耗能結構。

圖17 薄壁鋼和玻璃鋼蜂窩填充的吸能結構(單位：mm)[58]

（a）撞擊臺車 （b）防撞結構 （c）剛性墻和鋼墊塊圖18 撞擊試驗裝置布置[59]

與混凝土護欄和波形護欄相比，對公路纜索護欄系統(tǒng)的研究相對較少。Lu[60]根據“公路交通安全設施設計細則”，建立了車輛與纜索護欄系統(tǒng)的耦合有限元模型，并進行了纜索護欄與車體碰撞的全尺寸模擬。為了改善纜索護欄系統(tǒng)的性能，在優(yōu)化過程中，選擇任意兩個樁之間的距離和樁的厚度作為設計變量。將車身的質心加速度和纜索的側向位移定義為目標函數。優(yōu)化后，車身質心加速度的峰值為16.08g，車體的出口角為7.8°，纜索的最大側向位移為263.04mm。在碰撞過程中，車輛的損傷程度比原車輕得多，沒有碰撞效應。從而大大提高了最優(yōu)纜索護欄系統(tǒng)的整體性能，滿足了碰撞要求。廖福勇[61]對某快速路上的防撞裝置進行了理論和數值分析，評估了該裝置的防撞效果，指出應根據道路實際通行情況來匹配其剛度。公路橋梁是保障社會安全和功能的重要基礎設施。自然災害對公路橋梁造成的直接破壞會破壞運輸系統(tǒng)，阻礙救援和恢復活動，給社會造成巨大的經濟損失，合理的風險評估方法至關重要。Li[62]為公路橋梁在多種災害作用下的長期恢復力和長期損失評估提供了一個詳細的框架。計算了四種不同危險情況下恢復模式下的時間依賴函數；對每一種危險情況下的橋梁反應進行了評價。Kim[63]采用風險分析的方法來評價橋梁墩柱的車撞易損性。采用初步分析、簡單分析和詳細分析這三步風險分析方法（圖19），對韓國8267個橋梁的風險水平進行了評估，最終簡單分析階段（SRA）選擇了58個高風險(RLH)等級的橋梁墩柱。根據長細比將這些橋梁分成了5大類，并對這5類橋梁進行詳細分析（DRA）。通過數值分析發(fā)現，當車輛速度和長細比都增加時，橋柱會出現較大的變形。利用在車輛撞擊下的響應高和響應中等類別的橋梁墩柱，根據材料強度統(tǒng)計數據和數值分析結果，給出了橋梁墩柱的易損性曲線。

圖19 風險分析流程[63]

Petrini等[64]進行了多災害分析，考慮了189m長的多跨公路高架橋在受到重型車輛(罐車)撞擊，同時由于易燃材料的存在火災蔓延的情況；采用多級建模策略來評估公路高架橋危險鏈場景下的結構響應。Chen等[65]對橋梁橋墩碰撞的研究現狀進行了綜述，總結了該領域的研究成果和局限性；參照太平洋地震工程研究中心(PEER)提出的基于性能的抗震設計框架將車輛與橋墩的碰撞研究細分為四個主要問題，即危險分析、結構分析、損傷分析和損失分析。韓艷[66]依據車撞橋墩的研究現狀，認為目前能同時減少車橋碰撞損傷、占地面積小、防撞效果好的城市橋梁橋墩防撞設計措施需要進一步加強研究；且車輛撞擊橋墩事故發(fā)生后，仍缺少評估橋梁損傷程度及剩余承載力的快速合理的方法。按給定的震害等級進行設計的橋墩除承受地震荷載外，在其使用壽命周期內也有可能受到車輛沖擊荷載的影響。Li等人[67]從多危害的角度，利用商業(yè)有限元程序LS-DYNA建立了車輛-橋墩碰撞的精細有限元模型，研究鋼筋混凝土墩柱的抗震能力與沖擊抗力之間的相關性，以及相應的損傷評估方法，提出了初步的多危害設計流程（圖20）。108個碰撞場景的數值模擬結果表明，RCBP的抗震性能與抗沖擊性能密切相關；在車輛撞擊作用下，RCBP表現出5種潛在的破壞模式都受到抗震能力的顯著影響。

圖20 普通鋼筋混凝土柱地震-車撞設計流程圖[70]

列車脫軌不僅會對列車本身造成破壞，還會對周圍的結構造成二次損傷。因此，護欄通常用于防止高風險線路上脫軌列車造成的二次損壞。Lai等[68]采用三維車輛軌道動力學仿真模型和碰撞接觸模型，研究了列車脫軌后的動力學行為以及護欄保護的有效性。呂思雨等人[69]采用Hypermesh 軟件分析了有砟、無砟軌道橋梁上動車組頭車與防護墻碰撞過程，發(fā)現防護墻受損破壞程度與頭車速度和沖擊角度正相關，防護墻增高可有效抑制列車爬墻現象。橋梁車撞問題以確定性指定事件分析居多，鮮有研究將重點放在橋墩車輛撞后的可靠度和工作性能上。樊偉等[70]在鋼筋混凝土柱式橋墩車撞問題研究中，建立了一套車撞橋墩響應面—蒙特卡洛抽樣可靠度分析方法。作者給出了采用蒙特卡洛法抽樣研究結構可靠度的詳盡分析步驟。分析結果表明，采用建立的響應面作為車撞橋墩的替代模型可以提高精度和計算效率，為大樣本概率性分析提供了可能；采用規(guī)范JTG3362-2018中公式所得失效概率計算值偏于不安全。人工智能算法在橋梁撞擊領域也得到了應用。李梁[71]以ANSYS/LS-DYNA計算的110組不同工況下的車輛-橋墩撞擊力數據為訓練樣本、10 組數據作為測試樣本，進行了基于人工神經網絡的車輛—橋墩撞擊力峰值、全局沖量、全局平均碰撞力預測。另外還對參考文獻湖南大學劉飛博士論文中的數值結果進行了預測。結果均表明，BP 神經網絡的預測效果優(yōu)于 RBF 神經網絡。近幾十年來，國內外陸續(xù)建成了十余座采用CFRP纖維增強復合材料拉索的橋梁，但目前對有預張力的CFRP拉索的抗沖擊性能的研究鮮有文獻報道。黃道斌等[72]采用F800 型卡車作為碰撞用標準車，分析了入撞速度、吊索處主梁豎向剛度等不同參數對CFRP拉索車撞響應的影響。研究發(fā)現，CFRP拉索破斷時的峰值索力遠低于其軸向拉伸破斷力，應做專門防撞設計。程龍樹等[73]研究了某大跨度連續(xù)梁拱組合橋在車輛撞擊吊桿損傷后對橋梁結構造成的影響。對車輛撞擊之后單組吊桿斷裂、單組吊桿斷裂旁邊吊桿損傷、兩組吊桿同時斷裂等若干情況下，剩余吊桿軸力與位移以及內力的變化情況。

總結與展望

作者嘗試對橋梁撞擊問題2020年研究文獻進行總結、分類，并根據個人理解詳細檢視了其中的幾項研究的相關成果。本文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，認為在以下幾方面的研究是在未來的工作中需要進一步考慮的：（1）汽車、船舶碰撞橋梁事故的統(tǒng)計數據庫和不同類型車輛、船舶參數數據庫的建立。PEER對地震記錄的統(tǒng)計整理極大地方便了抗震科研人員對地震記錄的選用。而在橋梁防撞方面尚缺少類似共享數據庫，目前也缺少有影響的機構組織來承擔橋梁撞擊的基礎統(tǒng)計工作。前事不忘后事之師，必須重視這方面的事故統(tǒng)計分析和不同類型車輛、船舶相關參數的收集整理。另外，考慮到中國車型的獨特性和目前較為精細的車輛模型大多為依據國外車型建立的現狀，建立精細的中國典型車輛數據庫顯得十分必要[7]，同時對典型船舶也需做類似工作。（2）目前橋梁抗撞擊與防護的基礎性試驗數據尚較為缺乏，相關大型試驗方法與數據稀少[7]。例如真實足尺的大型橋梁車撞、船撞和落石沖擊試驗相對匱乏，尤其是在中國幾乎鮮有開展，或尚未公開。2011年Buth等人進行了車輛碰撞試驗，在此試驗結果基礎上，2012年AASHTO即將等效靜設計力從1800kN提高到2670kN。可見，進行實驗研究并得到可靠的實驗數據，對于修訂規(guī)范、指導設計十分必要。（3）橋梁撞擊合理數值分析模型的建立。基于材料性能試驗、部分實驗數據或者現場事故圖片進行建模，在已驗證后的數值模型上再開展參數影響數值研究的方式值得借鑒。真實的大型足尺撞擊試驗成本昂貴，數值分析技術仍然是現在的主要分析手段。但橋梁撞擊分析需要接近真相的數值模擬，數值模型的參數選取要結合實際情況、有所依據；對于結果的分析也不能滿足于試驗和仿真結果一致，或附和試驗數據而令數值仿真淪為“數字游戲”。對于結果不一致的情況更要分析其根本原因，才能在橋梁撞擊仿真技術和試驗方面均有所提高。（4）基于性能的設計方法研究應在橋梁撞擊領域繼續(xù)深入、細化開展。一些研究人員試圖為橋梁撞擊問題建立一種基于性能的設計方法。作者2019的年度進展中對此有所關注，而基于性能的抗撞設計思想在我國2020年發(fā)布的《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》中也已經有明確體現，并給出了兩個作用水準。基于性能的橋梁抗撞設計思想應進一步推廣和完善。（5）多災害耦合作用在現行的橋梁設計規(guī)范中，通常采用單一危害來進行設計和安全評價。然而，多種災害同時發(fā)生或鏈式效應，如洪水沖刷和船舶撞擊、地震落石協(xié)同致災、撞擊伴隨火災發(fā)生等，會對橋梁系統(tǒng)造成更嚴重的破壞、其致災機理和安全評估也更為復雜。國內外在這方面的研究工作正在啟動還需深入。（6）橋梁撞擊發(fā)生后，缺少快速有效評估結構安全性和剩余承載力的方法。另外，神經網絡、深度學習目標檢測等人工智能技術運用于撞擊力預測和風險評估，以實現智能感知和判斷，將為進一步的分析和決策提供技術支持，也是營造數字交通環(huán)境的一條途徑。本文的撰寫過程中，作者閱讀了大量文獻資料，但水平有限，某些觀點可能并不成熟。純粹基于知識分享和交流的角度，作者及時將2020橋梁撞擊研究方面的一些總結和觀點拋出，與各位同仁共享，不當之處敬請來信進行討論，并將在后期文章發(fā)表時進行修訂；同時，如文中某些拙見得到認可，也是我等之榮幸，您的關注和支持是作者繼續(xù)投入更多時間精力做好該項工作的最大動力。

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