货船撞击桥墩力的经验估算 (沥心沙大桥)
对于桥梁工程，无论是陆地上的桥梁，还是河海上的桥梁，岩土工程师的主要职责是详细勘察岩土的物理力学性质，确定桩的侧摩阻力和端阻力，推荐和建议桩的型式、桩的直径和长度以及初步估算桩的承载力，为结构工程师提供尽可能多的地层信息和岩土的"载荷"信息。也就是说，过去与桥梁相关的项目我们仅作"基础(Foundation)岩土工程勘察"这一部分。
几年前一个偶然的机缘，为桥梁工程专业的学生同时上了两门专业基础课，一门课程是《钢筋混凝土设计》，主要内容是上部结构(Superstructure)即桥面和桥面以上的结构分析；另一门课程是《基础工程》，主要内容包括基础(Foundation)和下部结构(Substructure)的分析和施工方法。这两门课程结合在一起，便构成了一个桥梁结构工程师最基本的入门要求，但不足以成为一个真正的桥梁结构工程师。虽然现代CAD技术和有限元技术的发展能够辅助工程师快速地完成一个桥梁设计，甚至不需要了解具体的计算过程，但工程判断力是必须要具备的，否则会酿成大祸。
在自然状态下，河流中桥墩的受力(不包括地震作用)主要有三种型式：水流动和波浪产生的载荷、冰载荷以及船舶撞击载荷，后两种载荷一般按照偶然状况进行设计，偶然状况是指在结构使用过程中出现概率极小且持续时间极短的异常情况时的设计状况，需进行承载能力极限状态设计，保证桥梁承重结构不至于因为非主要承重结构破坏或自身局部损伤而丧失承载能力或发生倒塌。在某些情况下，冰载荷能够造成桥梁损坏甚至坍塌【冰载荷对桥墩的作用(Dynamic Ice Forces on Piers)】。有三本公路规范和规程及到河流中桥墩的受力，分别是：(1) 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2015(2) 公路桥涵地基与基础设计规范 JTG 3363-2019(3) 公路工程结构可靠性设计统一标准JTG 2120-2020这些文档对河流中桥墩的受力作了非常简单的描述，仅给出了船舶撞击作用设计值，没有给出如何确定船舶撞击载荷的参考方法。下面讨论如何经验地确定船舶撞击载荷。
船舶撞击载荷的确定是桥梁工程一个独立的研究方向，远远超出了我们自己的"岩土"工作范围，因此仅简要总结了先前发展的一些估算方法。德国工程师Holger Svensson是这一研究领域的先驱。基于Woisin大型船舶与刚性墙壁直接碰撞的现场试验，他提出了船舶等效平均静态冲击力公式 (1981)：
其中DWT是船的吨位，P是船舶等效平均静态冲击力(MN)。显然，即使相同载重吨位的船舶，由于船体结构和碰撞速度不同结果会产生出巨大差异，因此，作者考虑了上下50%的离散性，如下图所示。
AASHTO方法除了考虑船体的DWT外，同时考虑了船撞击桥墩时的速度V，计算方法如下式所示。
2024年2月份，发生了两起船舶撞击桥墩事故。第一起事故发生在美国，2月8日，一个驳船与密西西比河上的80号高速公路大桥相撞，事故原因是行驶时失去了控制，与桥墩发生了三次碰撞，结果驳船被撞得四分五裂，桥墩和桥梁未出现破坏，不过桥梁主管部门暂时关闭了桥梁，待进行三次检查后确保桥梁可以安全使用。
第二起事故发生在中国，2月22日凌晨5时31分左右，一艘空载集装箱船“良辉688”轮航经南沙洪奇沥水道时，船身触碰广州沥心沙大桥桥墩，致桥面发生断裂，造成5人死亡。破坏的桥墩为19#，下图所示的是卫星地图和设计图的对应关系，同时显示了19#桥墩破坏后的实际状态以及18#桥墩的平面和立面设计图。值得一提的是，GE的水平距离测量相当准确，误差差不多在1m范围之内。根据设计图，推算出桩底到桥底面的距离为60m，桥底面到桥墩底面的距离大约为12m，因此推算出水面下桩的长度大约为48m，但不知道这个估算与实际值相差多少。
根据报道，该船为集装箱船，长度60m，DWT为1284吨，吃水2.4m，撞击时的速度为4节(2.06m/s)，按照第(1)种算法，估算的撞击力为31.5MN，最小的撞击力估算(50%)为15.7MN；按照第(2)种算法，估算的撞击力为8.8MN, 规范给出的设计值应为25.4MN。由于第(2)种算法考虑了船的撞击速度，因此我们更倾向于船的撞击力为8.8MN。
本文主要讨论了船撞击桥墩时冲击力的经验估算方法，对于沥心沙大桥，初略估算的撞击力为8.8MN，假定设计和施工符合规范的话，理论上桥梁应该不会发生破坏。另一方面，桥墩的保护确实有点儿单薄，当然这有历史和经济的原因。此外，现在重要的桥梁理论上应该都安装了传感器，不过对于沥心沙大桥事故，根据事故发生时的情形推测，即使桥上安装了传感器，在5~10分钟的时间内也根本来不及通知桥上行驶的车辆。
