船撞桥不是很常发生的事情，但后果可能很严重。
图1 达利号在撞桥大约2分钟前偏离航道，撞上基桥主墩
红线是船应走的航道
图1是2024年3月26日发生在美国巴尔的摩港(Baltimore Harbor)的情况。集装箱船“达利”号 (Dali) 当日凌晨在出港途中因失去动力无法控制而偏离航道，以大约每小时15千米速度撞上了巴尔的摩港上的弗朗西斯·斯科特·基大桥 (Francis Scott Key Bridge，通常简称基桥，Key Bridge，图2)，导致大桥坍塌（图3）。所幸在收到Mayday（无线电求救信号）后大桥管理处还及时把桥上的车辆全部清场。但当时在桥上填补路面坑洞的8名工作人员无法及时撤离，结果全部落水，其中2人获救，6人死亡。
图2 弗朗西斯·斯科特·基大桥Francis Scott Key Bridge
图3 达利号集装箱货轮撞上大桥情况
基桥为四车道的钢桁架结构，主跨366m，全长2600m,通航净高56m，于1977年通车。达利号集装箱船300m长、30m宽，容量为9971TEU(标准箱、20英尺集装箱的容量)，载重吨位为116,851DWT。这样一个庞然大物撞上这样一座桥，桥是完全没有抵抗能力的（图4）。
图4 基桥被撞后的情况
天灾？人祸？
船撞上桥可能是天灾，也可能是人祸！当然也可能是天灾加上人祸！人无法控制的事件是“天灾”：地震，龙卷风，海啸等事情属于天灾。由于失控或失误引起的灾害是“人祸”。船撞桥的事件，天灾的可能不大。主要是由于人的错误或机械故障引起的事件。既然是人祸，就应该有改善的可能！
作为工程师，我们无法阻止“天灾”，但可以防止船撞到桥，尽“人”的责任！从前，譬如100年前，这个问题比较简单。桥梁工程师在桥上安置几个通航净空的标志，余下的都算是船长的事情了！但是，今天这样做不行了。那时候，船的数量不多，船员的素质似乎也好一些。今天，当我们设计一座桥的时候，我们必须同时考虑如何尽可能避免船撞到桥上，尽量减少因此带来或损失。
防撞的理念
目前许多国家都有防止船撞桥的设计规范。防止船撞桥的设计主要有三个重点：提供足够的通航净空，保护桥梁避免被撞和桥被撞之后的善后三个主题。
通航净空
近年来，因为国际货运增加，船造的愈来愈大，很多从前建造的航道容纳不下，有些桥就要被拆除重建。图5是在过去几十年里世界最大的集装箱船容量的纪录。从1968年的1,530TEU 到2018年的22,000TEU，增加了14倍多。
图5 1958到2018的50年里世界最大的集装箱船的尺寸
图6是美国乔治亚州的悉尼．兰尼桥( Sidney Lanier Bridge, Georgia, USA) 原来的样子。通航孔只有76m宽。现在很多船只宽度都在30m之上，200多米长，要通过这样一座桥的确不容易。在被船撞过几次之后，乔治亚交通厅决定建一座大跨度的新桥来替换这座旧桥，这座新桥2002年通车。在我1993年设计这座跨度 381m, 通航净高 56.4m的大桥时，据说世界上只有三艘货轮因为净高问题不能通过。今天当然不只三艘了。
图6A 旧兰尼桥
图6B 新兰尼桥
美国乔治亚州沙凡纳市 (Savannah, Georgia, USA)的谭美桥(Talmadge Bridge) 也是一个好例子。最早的谭美桥是1953年建造的钢桁架结构，图6A，通航净高只有136ft (41.45m)高。由于净高不足，在上世纪70年代被船撞坏了好几次。现在的谭美桥是我设计的，跨度1100ft(335.28m)，通航净高是185ft(56.37m)，在1982年通车。但是，42年后的今天，船的高度又普遍增加了，原来的净空又不够。目前交通厅没有足够的资金去建一座新桥，所以，作为临时措施，现在正在施工，要把桥的纵坡增加，把主跨跨中提高20ft（6.10m）到56.47m。这样需要更换所有拉索，建安费大约 1.89亿美元。完工后比较高的船可以在主跨中部通过。交通厅估计这样可以再用20年，到时就建一座新桥。
图7A 旧的谭美桥
图7B 新的谭美桥
当我们设计巴拿马运河第二大桥( Second Panama Canal Bridge，后来改名为世纪大桥Centennial Bridge)的时候，对桥的净空有过很广泛的讨论。最后决定为80m。这个高度应该在最近的将来都不会有通航净高的问题了。这样解决了主梁被撞的危险。但是，如何防止船撞到桥塔也一样重要。最后决定把桥塔放到运河的外边，完全避免了船撞桥的可能。所以跨度就定为420m。
图8 巴拿马运河上的世纪大桥
显然，如果可能，把桥墩和桥塔都放在岸上，是最好的办法。可以说是“一劳永逸”！但是，要做到这一点不容易。巴拿马运河是世界上最繁忙水道之一，是大西洋与太平洋唯一的通道，重要性不言可喻！
船撞上桥墩
上面讨论了我们设计桥梁的时候会给船只提供足够的通航净空，理论上应该解决了船撞桥的问题。就是说，如果船都只在注明的水道上行驶，是不应该撞到桥上的。但实际情况并不如此。船只的航行是由人或者机器操控的，人和机器都会犯错，犯错的时候就可能发生意外的事情，包括船撞上桥的事情。上面说的达利号集装箱船把基桥撞塌，就是一个好例子。达利号因为船上的电力系统出问题，失去动力，无法控制，走去不应该去的地方，把基桥撞塌了。防撞措施的目的就是考虑这些不正常的事件发生时，如何提供一个保护桥梁的措施。
如果桥提供了足够的通航净高，船就不会撞到主梁，但仍可能撞到桥墩，桥塔或防撞墩似的保护结构。
在美国佛州坦帕市(Tampa, Florida, USA) 船撞上阳光大道桥的事件比这次达里号撞塌了基桥更严重。原来的阳光大道桥是1971年通车的。是一对单向通行的钢桁架桥。在1980年5月9日，185m长的货轮MS Sumnit Ventue号在大雾中迷失方向，撞上了阳光大道桥的边墩，结果半座桥跌落水中，造成35人死亡。
图9 船把边墩撞断了
图10 桥跌落船上
需要注意的是，图11显示，这艘船撞击边墩时，撞击点不是一般人可能以为的位于水面的墩台，而是墩台上面的立柱。这是一个桥墩最脆弱的地方。如果大家留意看图12里船头的形状，大概就很容易理解为什么会这样。
图11 船撞击的位置
图12 船头的形状
就是说，我们设计防撞措施，必须考虑所有可能被撞的地方。不能认为船只会撞到桥的墩台。
船撞上拱肋
在1960年通车，瑞典的AlmÖ Bridge (奥牟桥) 建于1960年。是一座很漂亮的上承式拱桥。桥长532m, 拱跨290m，拱肋是两个3.8m直径的钢圆管（图13）。20年后，在1980年1月18日1时30分被一艘货轮 Star Clipper (摘星号) 撞塌了。这样一座上承式拱桥，视觉上很难确认通航孔的位置，所以船只很容易走偏。图14是当时的情况。摘星号从一个弯的航道过来，走偏了，撞上了拱肋，整座桥基本上跌落在船上（图15，16）。
图13 AlmÖ Bridge
图14 船偏离了航道
图15 船把拱撞断了
图16 桥跌倒在船上
上面两个例子都是船偏离了正确的航道，结果把桥撞塌了。
船撞桥的力学分析
我们简单说一下船撞桥的力学原理：当船撞上桥的时候，船的动能是 M 乘 v。其中M是船和部分船周边水流的质量，v是船在碰撞时的速度。我们要把船停止下来，我们就要把这动能消耗掉，船才会静止。如果再假设船撞桥后到静止的时间是ΔT，那么船在这段时间里的平均撞击力就大约是
Fav = M v /ΔT (1)
这里，Fav 是一个平均值，不是最大值。M和v是已知的，要减低撞击力F，唯一办法是增加ΔT。就是说，比较柔性的防撞措施的撞击力会比较小。许多防撞设施的设计都从这个理念出发。
保护大桥的方法
刚性防御：把桥墩做的足够坚固是最直接的方法。1981年在美国Rhode Island一艘大货船撞上了纽波特桥(Newport Bridge)的主墩，船撞坏了，桥基本上没问题（图17, 图18）。但是，一般的桥墩都没有这么庞大。这是一个特例！不能作为参考用。
图17 船撞坏了
图18 桥墩没事
柔性防御：上面的方程式 (1)，Fav = M v /ΔT中如果以弹性或塑性阻尼，或其他方法，把船撞桥墩的撞击时间ΔT拉长，撞击力Fav 就会相对减少。这就是柔性防御的基本原理。最普通的办法是在桥墩上加上一层或多层弹性/塑性物体，在撞击时延长撞击的时间。
隔离防御：隔离防御有几种不同的方式：人工岛，浅滩和防撞桩。
图19 马来西亚宾城大桥 保护主塔的人工岛
人工岛方式：在桥塔的周边建造人工岛（图19），使船无法撞到桥墩。这些人工岛通常是用天然或者人造石块堆积起来的。
浅滩方式：在桥塔周围建造浅滩，使船在可能撞击桥墩之前搁浅。这个方法适用于比较浅水的地方。
防撞桩：在离桥墩上下游适当距离的地方，设置防撞桩，防止船接近桥墩，是到目前为止最常用的方法。在1980年重新设计阳光大道桥的时候，我们(联合体Skycei)作为全过程审核和施工监理，对防撞措施的设计和建造有过相当广泛的讨论。当时防止船撞桥的设计实例还不多。设置防撞桩是最直接保护桥墩的方法。在阳光大道桥主塔旁边的防撞桩是相当巨大的（图20，图21）。因为边跨地方的水还相当深，船还可以到达，所以许多边墩也设置了防撞桩。
图20 阳光大道桥的防撞桩的安排
图21 阳光大道桥防撞桩结构
防撞桩也被应用在佛州另外一座同时期建造的斜拉桥，但点桥Dames Point Bridge上。不过它跨的Saint Johns River（圣约翰河）比较窄，所以只在一个主塔旁边建造了防撞桩（图22）。
图22 但点桥的防撞桩
船的问题
早期的防撞措施，都是由桥梁工程师设计的。基本上都只考虑桥的问题，就是如何保护大桥，至于撞桥之后船会有什么问题，并不在设计范畴之内。但是，今天设计防撞措施，就必需考虑船的问题。最重要的是因为船撞坏了，可能漏油，污染环境。船上的货物也可能很昂贵，有些船更是不可以撞的：运油的，运LNG的，运一些重要物资的，都必须保证这些货物不会因撞桥而泄漏。
上面这些防撞措施，不论是石岛，浅滩，抑或防撞桩，在船撞桥的时候，都对船有一定的伤害。在今天我们严格的环境保护要求下，都不是最理想的保护方法。
理论上在紧急情况下，如果能对船加一个横向力，改变船行的方向，这样船和桥都不会受伤，应该是最完善的方法（图23）。
图23 一个不大的力可以改变一艘船的航行方向
目前似乎还没有可靠的对船无伤害的防撞措施。我认为，在今天人工智能的帮助下，这样的措施应该是可以设计的。从另外一个角度看，也许船舶自身应该可以设计一个应急的措施，把船推离可能撞击的轨迹。
据报导，达利号船上设有备用的动力系统，如果这是一个完全独立的系统，应该可以在主系统失效时，将船的方向修正。可惜的是，不知道是没有维护，或者是设计错误，它的备用系统也失灵了，导致了这次悲剧。这是不应该发生的！
在桥被撞坏之后，最重要的事情是防止后来的人和车辆跌到水里，也要避免后来的船舶撞到跌倒在水里的破桥。在达利号这次事件中，船发出的Mayday (无线电求救信号)似乎也发挥了作用，防止了在桥上的车辆跌落水里。
总结
船撞桥不是很常发生的事情，但后果可能很严重。在今日人工智能发达的情况下，我认为这些事情是应该可以避免的。但人和机器都有可能出错，所以，防撞设施还是需要的！
1.船撞桥主要是“人为失控”引起；当然，船上的机械也会失误。但机器也是人造的，如果失误，应该也是人的过失！
2.船撞桥不一定只发生在主跨，发生在边墩的可能性也很高。只要有足够的水深，船就可能误闯到那里；所以问题不只限于主跨。
3.要考虑不同的船的造型。船撞桥的位置不一定只发生在墩台上。
4.保护桥墩的措施必须考虑多次撞击的可能。就是在撞击发生之后，在防撞能力还未修复之时，如何保护大桥？
5.尽可能兼顾船和桥的安全。船的价值也很高。尤其要考虑的是，当船在撞击之后，是否会造成漏油等对环境造成二次灾害？
6.善后措施也一样重要，生命的损失常常发生在船撞之后。最重要的是如何防止桥上的人和车辆在不知情的情况下掉到水里以及后来的船撞到跌在水中的桥！
7.最好的防撞措施是防止船撞的发生。在人工智能的帮助下，我们应该有能力建造一套防撞系统，在可能发生撞击之前把船引离撞击的轨道。这样桥和船都不会受伤！
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2024年 第4期 总第120期
作者 / 邓文中
作者系中国工程院外籍院士
编辑 / 陈晨
美编 / 赵雯
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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