基于風險思想的橋梁防船舶撞擊若干問題思考

張少為

（長安大學公路學院 西安 710018）

觸目驚心的船橋碰撞事故說明橋梁防撞技術研究成果的實用性和操作性需要進一步論證。筆者以 “ship－bridge collision”為關鍵詞，使用PDFGeni和Google等引擎搜索網絡資源，同時利用圖書館資源平臺對 SpringerLink，Elsevier ScienceDirect等外文數據庫，以及CNKI中文數據庫近10年有關船橋碰撞研究文獻進行了采集，發現國內外基于風險思想的橋梁防撞研究僅限于概率數學模型的理論性研究，并存在不完善之處。其中，姜華等［1］對美國規范模型、歐洲規范模型、拉森模型和昆茲模型4個代表性船橋碰撞概率模型進行了比較，推薦采用美國規范模型和拉森模型。Guo［2］優化了橋梁傳感器的布置，可以對船橋碰撞事故進行事故前的預警并通過檢測數據評估橋梁的毀壞程度，但該研究低估了在橋墩紊流區的碰撞概率。因此，本文將在國內外已有成果的基礎上分析橋梁防撞技術研究現狀，探討相關研究的局限性，并提出相應的改進措施，意在完善橋梁防撞技術研究的文獻資料。

1 文獻述評

目前國內研究大多集中于被動防撞技術，旨在通過提高橋梁自身的防撞能力或者設置力學防撞裝置來減小撞擊力和降低船撞橋事故的影響，但是必須承認的是橋梁設計幾乎不可能擋住所有的碰撞。例如湛江海灣大橋的大橋主墩柔性吸能防撞裝置雖然在技術和成本上已經有所突破，但高昂的造價對于小型橋梁來說是無法接受的。現有的橋梁防撞裝置不可能得到普及，僅限于密集航道的重要橋梁，對于橋梁防撞能力的總體提升沒有實質性幫助。被動防撞技術在短期內都將是治標不治本的一種橋梁防撞技術，但相比而言，基于風險思想的防撞技術具有防患于未然的優點。從橋梁設計角度來說，碰撞概率計算結果可以為調整橋梁設計方案或滿足減少風險直至達到可接受風險等級標準的要求提供科學依據［3］。因此，可以運用船撞橋梁概率評估橋梁遭受碰撞的風險，并借助信息技術輔助設施和加強航運管理，以最大程度地規避船撞橋梁的風險。通過對國內外文獻的采集與梳理，筆者發現以下概率模型是目前基于風險思想的橋梁防撞技術研究成果中最具代表性的數學模型，描述如下。

1.1 美國規范模型（AASHTO模型）

《美國公路橋梁設計規范》（LRFD Bridge Design Code，下文簡稱《美國規范》根據AASHTO指南，提出船舶對橋梁的碰撞風險用橋梁構件的年倒塌頻率來描述［4］，數學模型為

式中：AF為橋墩年倒塌頻率；N為年船舶流量；PA為船舶偏航概率；PG為偏航船只撞橋的幾何概率；PC為橋梁倒塌概率。算出每個橋墩及橋梁構件的年倒塌頻率，其總和即為整座橋的倒塌年頻率。其中船舶偏航概率PA按下式計算：

式中：BR為基準偏航率，一般船舶取0.6×10－4，駁船取1.2×10－4；RB為橋位修正系數；RC為與船只航線平行作用的水流修正系數；RXC為橫流修正系數；RD為通航密度修正系數。

1.2 拉森（O.D.Larsen）模型

1991年，O.D.Larsen［5］在國際橋梁與結構工程協會IABSE年會上提出了一般性的船撞橋概率模型，描述如下。

式中：F為橋梁年毀壞次數；Ni為年船舶流量；PC，j為因果概率，一般在（0.5～6.3）×10－4范圍內取值；PG，j，k為幾何概率，一般通過船舶過橋航跡幾何分布模型來確定，其中k為實際橋梁的部位；PF，i，k為橋梁倒塌概率。

1.3 歐洲規范模型

歐洲規范（Eurocode）在1997年第一卷中提出了一種模型用于計算船撞橋概率，該模型以航道中心線為X軸、與橋軸線平行的為Y軸，橋墩位于（X＝0，Y＝d）處［6］。船舶碰撞橋墩的過程被看成是一個非均勻的泊松過程，假設泊松過程的失誤概率為λ（x），時間T內的碰撞概率可表示為

式中：PC（T）為時間T內橋梁構件被撞至少一次的概率；Pna為由于人員干預仍不可避免撞橋的概率；λ（x）為船舶單位航程的失誤概率，可參照事故資料確定；PC（x，y）為在給定初始位置（x，y）下的碰撞條件概率；fs（y）代表在Y 方向上船舶的航跡分布。

1.4 昆茲（KUNZ）模型

C.U.Kunz［7］以船撞橋事故發生前的停船距離大小以及船舶偏航角度大小為基礎，提出了一個用于計算船撞橋概率的數學模型。該船撞橋概率公式為

式中：P（T）為在時間T內至少發生一次碰撞的概率；N為時間T 內過橋船舶流量；dλ／ds為單位航行距離的事故率；W1（s）為能碰撞橋墩的船舶軌跡概率；W2（s）為撞橋危險未得到制止的概率。公式：

式中：x為船舶停船距離，即發現撞橋危險并采取應急措施時船與橋墩的距離，為一個正態隨機變量；φ為偏航角度，即船舶航向與預定航線方向之間的夾角。

1.5 戴彤宇簡化模型

戴彤宇等［8］在分析和比較已有研究的基礎上提出了適合我國通航橋梁的船撞橋概率簡化公式，描述如下：

式中：Ni為i類船單位時間內的船舶流量；fi為第i類船的碰撞影響系數；pi為位于可能發生碰撞航道上的船舶碰撞概率；μ為船舶穿過橋軸線的坐標均值；σ為船舶穿過橋軸線位置的均方差。其中pi按船舶航跡正態分布來確定，均值μ和均方差σ通過實際船舶過橋航跡分布計算得出。

上述模型大致分為2類：美國規范模型和拉森模型關注極端情況，計算的是船舶碰撞橋梁后倒塌的概率；歐洲規范模型、昆茲模型和戴彤宇簡化模型則關注完整的船撞橋事件研究，將全部船撞橋事件考慮在內計算概率。排除橋梁倒塌概率后，美國規范模型和拉森模型將與其他3種模型一樣比較實用合理。此外，本研究發現這些概率模型還存在樣本缺乏代表性和模型未體現橋墩紊流區對船橋碰撞的影響。首先，樣本缺乏代表性導致了模型的適用范圍存疑。以戴彤宇簡化模型為例，該簡化模型以南京長江大橋船撞橋事故實例進行校驗證明是可行的，但這只能說明該模型符合長江中下游水域的水文特征。但僅在長江一個水系中，河流通航凈寬、船舶航行方向與橋軸線夾角和船舶停船距離都將產生巨大的變化，公式的適用性顯然存在疑問，更不用說將該模型應用于京杭大運河和黃河等其他水系時的適用性了。其次，這些模型未體現橋墩紊流區對船橋碰撞的影響。水流經過橋墩時會在橋墩周圍產生渦旋，對于表面水層有一定吸引力，這一區域被稱為紊流區，其寬度將受到不同墩型、不同橋位處的河流過水斷面形狀尺寸的影響。當船舶進入橋墩紊流區時會受到一定的指向橋墩的吸引力，如果不考慮實際情況，一味應用現今的概率統計公式來評估風險，就可能低估在橋墩紊流區的碰撞概率。對此國內一些學者簡單地避開橋墩紊流區來防止低估船橋碰撞的風險［9］，筆者認為這就陷入了“船舶只要進入紊流區就會碰撞橋梁”的錯誤認識。由于現今船舶的重量和速度都較大，外側的紊流區也許并不能給船舶帶來影響，一味消極地逃避紊流區會過度壓縮一些通航凈寬不富裕的橋梁。目前的船橋碰撞研究成果缺少對于橋墩紊流區對船撞橋概率影響程度的精確研究，在得出精確的結果前，不應該忽略橋梁紊流區的存在。

2 對未來研究的思考

鑒于碰撞概率模型存在上述局限性，本文提出以下建議，亦即基于風險思想的橋梁防撞技術研究的發展方向。

（1）有意擴大樣本容量。船橋碰撞事故發生的概率相對較小，而且橋梁條件各不相同，因此船撞橋事故的風險評估不能僅依靠現有事故的統計資料，同時還需要借助船撞橋概率模型和模擬潛在事故的實驗方案。國內船撞橋事故的統計資料較為匱乏，樣本較小從而缺少代表性，其適用性存疑，因此可以通過模擬船撞橋事故擴大樣本容量。模擬事故分為計算機模擬和實際模擬2種手段。計算機模擬可以利用有限元數值仿真技術等，模擬船體碰撞力、船橋變形和碰撞過程中的能量變化；實際模擬可以采用碰撞試驗來模擬潛在事故，以此豐富樣本以及采集船橋碰撞時的數據，例如選取典型的橋作為研究對象，選用重量合適的試驗船，在充分做好橋梁以及船舶的緩沖防護設施的前提下模擬在船流量不同、時間不同（清晨、中午、下午）、環境不同（存在光線干擾的夜晚、上水下水、緩流急流、能見度不同、河道彎曲程度不同）情況下的碰撞實驗。2種模擬方法各有利弊：計算機模擬可操作性強，成本低，但是計算機模擬很難將人為因素考慮在內，例如船員注意力不集中等，而人為因素恰恰是船撞橋事故的一個極為重要的原因。實際模擬代價昂貴，操作難度很大，但是可以全面地模擬碰撞時的情況，對于以后的船橋碰撞研究有著更好的參照價值。筆者認為可以有機地結合運用這2種模擬方法，由天氣、水文條件等客觀因素引起的碰撞事故可以使用計算機模擬來擴大樣本，而由于人為因素造成的事故應該進行實際模擬。國內交通基礎設施的發展會使一些老舊橋梁退出水運行業，這些老舊的、計劃拆除的橋梁可以在廢棄前發揮余熱，作為試驗橋梁，也為試驗降低一些成本。

（2）在設計中應用最新的船橋碰撞概率模型。船撞橋事故的風險評估需要借助船撞橋概率模型，筆者認為在設計中要應用不斷發展中的概率模型來計算模擬船橋碰撞概率。風險評估的目的在于減少船橋碰撞事故的發生，為橋梁設計方案的調整和完善提供依據。在一套橋梁設計方案確立后，先應用最新的概率模型來模擬分析預測所有可能出現的船撞橋事故，從而為橋梁跨度、橋位以及航道設計的修改提供理論依據。不斷重復預測和設計，從全盤考慮，直至所設計橋梁的被撞概率達到最低，然后再將設計付諸施工；碰撞風險大的部分可以通過設置防撞裝置或者改善航運管理來規避風險。很顯然，比起建成一座橋后再對其進行概率統計分析，然后在被撞概率高的部分設置防撞裝置，這樣的防撞措施會更有效。正如前面所建議的，船橋碰撞概率模型中應該考慮橋墩紊流區對船撞橋概率的影響，其影響程度與橋墩紊流區自身的尺寸、水流強度等有著密切的關系。基于對影響橋墩紊流區形成的各個因素的綜合考慮，現用fT來表示橋墩紊流區對船橋碰撞概率的影響系數：

式中：k為實際影響船舶行駛的修正系數；D為橋墩尺寸；β為水流方向與橋軸線夾角；v1為墩前水流流速；v2為墩前風速；h為橋墩附近水深。上述5種模型經過修正，且排除橋梁倒塌概率后，成為適用性相對更好的模型。

上述模型能夠更精確地反映橋墩紊流區對船橋碰撞概率的影響，從而為航道寬度的設計提供更明確的指導。同時還可以配合一些橋梁主動防撞技術來減小橋墩紊流區對于船只的影響。例如可以設置簡單的紅外線檢測系統，當發現船舶進入具有實際影響力的橋墩紊流區時進行警示降低船橋碰撞的概率。此外，還可以與市政部門進行合作，減少橋梁周圍的光線干擾，同時增加橋涵標燈和橋區浮標等的亮度，保證在能見度較低時（如夜晚、大霧天氣）能夠采取有效的引導措施。

3 結語

本文在梳理國內外已有文獻和歸納分析5個代表性船撞橋概率數學模型的過程中，發現目前的船橋碰撞數學模型的適用范圍值得質疑，同時這些數學模型都未充分考慮橋墩紊流區的影響。針對這些局限性，對這些概率模型進行了修正，橋墩紊流區對船橋碰撞概率的影響系數fT在計算時被加以考慮。同時還建議采取碰撞試驗等方式來擴大樣本容量，增加樣本代表性；充分應用不斷發展中的船撞橋概率研究成果并輔以橋梁主動防撞技術來提高橋梁的防撞能力。但受限于實驗條件，本文目前無法精確確定橋墩紊流區對于船橋碰撞概率影響系數fT的數值，提出的只不過是一種假想。旨在將船撞橋概率研究成果更成熟地應用到橋梁的防撞技術研究上，并進一步完善相關文獻資料。

致謝：同濟大學橋梁工程博士、長安大學公路學院姜華老師對本文的撰寫給予了很大幫助，在此表示衷心的感謝！

［1］姜 華，王君杰.基于風險思想確定橋梁船撞設防力［J］.結構工程師，2009（6）：67－71.

［2］GUO Y L.Monitoring－based assessment of bridges subject to ship collision［D］.The Hong Kong Polytechnic University，2010.

［3］KNOTT M A.Vessel collision design codes and experience in the United States［C］／／Gluver ＆ Olsen.Ship Collision Analysis.A.A.Balkema，Rotterdam，1998：75－84.

［4］AASHTO.AASHTO LRFD bridge design specification and commentary［S］.American Association of State Highway and Transportation Officials，Washing D.C.，1994.

［5］LARSE O D.Ship collision with bridges：Interaction between vessel traffic and bridge structures［C］／／Structural Engineering Documents（SED 4）.Switzerland：IABSE，1993.

［6］VROUWENVELDER A C W M.Design for ship impact according to Eurocode 1Part 2.7［C］.A.A.Balkema，Rotterdam，1998：123－132.

［7］KUNZ C U.Ship bridge collision in river traffic analysis and design practice［C］／／Gluver ＆ Olsen.Ship Collision Analysis.A.A.Balkema，Rotterdam，1998：13－22.

［8］戴彤宇，劉偉力，聶 武.船撞橋概率分析與預報［J］.哈爾濱工程大學學報，2003（1）：23－29.

［9］龔 婷.船撞橋事故概率研究［D］.武漢：武漢理工大學，2010.