合江長(zhǎng)江二橋船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

田波

（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610041）

合江長(zhǎng)江二橋船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

田波

（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610041）

比較大橋船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各代表性模型，采用《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO)》船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)合江長(zhǎng)江二橋船舶撞擊橋墩進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策，建議采取有效的防撞構(gòu)造措施，以降低或避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能。

合江長(zhǎng)江二橋；船舶撞擊；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)決策

1　大橋船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

船舶撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)是大橋工程風(fēng)險(xiǎn)的重要組成部分，國(guó)際上對(duì)多座橋梁開(kāi)展了船撞橋梁的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并總結(jié)出了大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析的指導(dǎo)性文件和規(guī)范。

船橋碰撞的研究始于20世紀(jì)60年代，目前船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要有以下幾種代表性模型：

（1）Macduff和Fujii在20世紀(jì)70年代最早提出船撞橋概率模型，通過(guò)假定船舶的幾何分布獲得撞擊或擱淺統(tǒng)計(jì)資料來(lái)確定事故概率；

（2）Larsen模型是從現(xiàn)象學(xué)角度出發(fā)，找出可能導(dǎo)致船撞橋事故發(fā)生的偏航原因，據(jù)此建立船撞橋概率模型；

（3）歐洲規(guī)范模型、德國(guó)昆茲模型和瑞典佩德森模型等；

（4）美國(guó)AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型。

與AASHTO規(guī)范相比，Larsen模型計(jì)算公式具有混雜性，且在實(shí)際操作中存在很大困難；歐洲規(guī)范模型主要是根據(jù)內(nèi)河特點(diǎn)對(duì)AASHTO規(guī)范進(jìn)行修正，強(qiáng)調(diào)狹窄水域和寬闊水域的區(qū)別。而實(shí)際操作過(guò)程中，美國(guó)AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型與實(shí)際情況較為吻合。因此，選用美國(guó)AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型進(jìn)行合江長(zhǎng)江二橋的船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2　工程簡(jiǎn)介

合江長(zhǎng)江二橋是國(guó)家高速公路G93成渝環(huán)線跨越長(zhǎng)江的特大型橋梁，大橋位于四川省瀘州市合江縣城上游文橋附近，為雙向四車(chē)道高速公路橋梁，其主橋?yàn)?10 m+420 m+210 m雙塔雙索面混凝土主梁斜拉橋（見(jiàn)圖1）。

橋區(qū)河段航道列為國(guó)家Ⅲ級(jí)航道，在最低通航水位（枯水期），主跨跨越了整個(gè)可通航水域，對(duì)上、下行船舶航線均無(wú)影響；在較高通航水位（中洪期），主跨基本覆蓋了整個(gè)可通航水域，上、下行通航橋孔均為22號(hào)（主塔1）和23號(hào)（主塔2）橋墩之間的420 m跨徑主孔，21號(hào)（北岸輔助墩）—22號(hào)（主塔1）、23號(hào)（主塔2）—24號(hào)（南岸輔助墩）橋墩為非通航橋孔。但21號(hào)、22號(hào)和23號(hào)橋墩在通航水域內(nèi)，存在被船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，為了保證航行船舶的安全及確保大橋自身結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)通航水域范圍內(nèi)的21號(hào)、22號(hào)和23號(hào)三個(gè)橋墩進(jìn)行船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是十分必要的。

3　AASHTO船舶撞擊概率模型

參照美國(guó)AASHTO規(guī)范，大橋通航水域各橋墩年撞損頻率和每年受撞擊頻率按以下公式計(jì)算：

式中：AF為大橋各橋墩年撞損頻率；Fimp為大橋各橋墩每年受撞擊頻率；N為根據(jù)航道船舶類(lèi)型、尺度和裝載情況分類(lèi)的船舶年通航量（以2050年通航量預(yù)測(cè)為參考）；PA為船舶偏航概率；PG為船舶與橋墩撞擊的幾何概率；PC為橋墩受船舶一次撞擊的倒塌概率。

（1）偏航概率PA

圖1　合江長(zhǎng)江二橋主橋布置圖（單位：m）

式中：BR為船舶偏離航線的基準(zhǔn)概率，對(duì)輪船，取BR=0.6×10-4；對(duì)駁船，取BR=1.2×10-4。RB為橋位修正系數(shù)，與橋位所在航道的順直程度有關(guān)，大橋位于直線水域，RB=1.0；橋區(qū)航道轉(zhuǎn)向點(diǎn)距離大橋910 m以內(nèi)時(shí)，RB=1+β/45°（β為航道轉(zhuǎn)角或航道彎曲角度）；橋區(qū)航道轉(zhuǎn)向點(diǎn)距離大橋910～1 920 m時(shí)，RB=1+β/90°。RC為平行于航向的水流修正系數(shù)，與平行于航向的水流流速有關(guān)，RC=1+VC/19（VC為平行于航向的流速）。RXC為垂直于航向的水流修正系數(shù)，與垂直于航向的水流流速有關(guān)，RXC=1.0+0.54 VXC（VXC為垂直于航向的流速）。RD為航行密度修正系數(shù)，與過(guò)橋船舶密度有關(guān)，規(guī)定低密度時(shí)，RD=1.0；平均密度時(shí)，RD=1.3；高密度時(shí)，RD=1.6。

美國(guó)AASHTO規(guī)范計(jì)算公式計(jì)入了實(shí)際船舶操縱性能、通航密度、航道順直度、橋區(qū)水流特性等引發(fā)船舶偏航的多種因素。

（2）幾何概率PG

統(tǒng)計(jì)資料表明船舶撞擊橋墩的幾何概率密度呈正態(tài)分布，本次研究中PG取為正態(tài)分布函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，以航行中心線為正態(tài)曲線的中值位置，對(duì)應(yīng)的船舶撞擊區(qū)以下的面積即為PG。圖2給出了計(jì)算船舶撞擊橋墩的幾何概率的示意。

已知N為正態(tài)分布函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差σ為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，μ=0,變量Y～N（0,σ2）,x為船舶航行道中線與橋墩軸線的距離，BM為船舶寬度，BP為橋墩寬度。

（3）一次撞擊倒塌概率PC

美國(guó)AASHTO規(guī)范計(jì)算公式中，橋墩受船舶一次撞擊的破壞概率即倒塌概率PC，是根據(jù)橋墩抗撞能力H和船舶最大撞擊力P的比值確定的（見(jiàn)圖3）。

圖3　船舶一次撞擊橋墩的倒塌概率

4　合江長(zhǎng)江二橋船舶撞擊橋梁的概率水平

根據(jù)合江長(zhǎng)江二橋所處航道、通航船舶特點(diǎn)、橋區(qū)水文條件、橋梁幾何參數(shù)，結(jié)合大橋橋墩實(shí)際設(shè)計(jì)船撞力，研究大橋?qū)嶋H受船舶撞擊損傷的風(fēng)險(xiǎn)水平，采用AASHTO規(guī)范模型計(jì)算通航船舶撞擊橋梁的概率水平進(jìn)行船舶撞擊橋梁風(fēng)險(xiǎn)分析。

表1　合江長(zhǎng)江二橋船舶撞擊橋梁參數(shù)選用

表2　合江長(zhǎng)江二橋各橋墩每年受撞擊頻率

在計(jì)算合江長(zhǎng)江二橋船舶撞擊橋梁的風(fēng)險(xiǎn)概率時(shí)，主要考慮實(shí)際船舶撞擊橋墩一般都是以單船形式撞擊橋墩，船舶年通航量為該航道通航水域的代表船型1 000 t級(jí)船舶在2050年的預(yù)測(cè)量。對(duì)應(yīng)的受船舶撞擊的橋墩為通航水域范圍內(nèi)的21號(hào)（非通航孔）、22號(hào)和23號(hào)（通航孔）三個(gè)橋墩，非通航孔21號(hào)橋墩受船舶撞擊主要是考慮在中洪水期最高通航水位時(shí)，船舶偏航后對(duì)橋墩的撞擊。

表1～表3中給出了通航船舶撞擊大橋橋墩的偏航概率和幾何概率，大橋通航孔主墩（22號(hào)、23號(hào)橋墩）受1 000 t級(jí)船舶撞擊年頻率為0.547次/a；大橋非通航孔橋墩（21號(hào)橋墩）受1 000 t級(jí)船舶撞擊年頻率大約為0.376次/a。主橋橋墩年撞損頻率為3.35×10-4，非通航孔橋墩年撞損頻率為0.63×10-4。

表3　合江長(zhǎng)江二橋各橋墩年撞損頻率

5　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及決策

根據(jù)相關(guān)行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)決策標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)險(xiǎn)決策與風(fēng)險(xiǎn)造成的后果和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率有關(guān)，這是合理的。發(fā)生頻率低于10-6的風(fēng)險(xiǎn)事件一般可以忽略；發(fā)生頻率10-3～10-5的風(fēng)險(xiǎn)事件由決策者做出選擇，考慮成本等經(jīng)濟(jì)因素時(shí)采取適當(dāng)?shù)慕档惋L(fēng)險(xiǎn)的措施；高于10-3的發(fā)生頻率是不可接受的。行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣及風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則詳見(jiàn)表4及表5。

根據(jù)AASHTO規(guī)范，一般橋梁整橋最大的年撞損頻率低于10-3，關(guān)鍵性橋梁整橋最大的年撞損頻率低于10-4。合江長(zhǎng)江二橋?qū)訇P(guān)鍵性橋梁工程，應(yīng)盡量降低大橋受船舶撞塌的風(fēng)險(xiǎn)，橋墩整體采用10-4撞損頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)控制是合理的。

表4　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣

表5　風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則

從表3可知：主橋橋墩年撞損頻率3.35×10-4（大于 1.0×10-4）；非通航孔橋墩年撞損頻率0.63×10-4（小于1.0×10-4）；船撞損大橋的概率，主墩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)應(yīng)為1D～2D，處于中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，輔助墩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)應(yīng)為3D～4D，處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

6　結(jié)　語(yǔ)

船舶撞擊橋梁可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)是多指標(biāo)的，但作為船撞風(fēng)險(xiǎn)的分析評(píng)估，主要以橋梁結(jié)構(gòu)安全為風(fēng)險(xiǎn)分析依據(jù)。參照美國(guó)AASHTO規(guī)范，橋梁遭受船舶嚴(yán)重碰撞的年頻率低于10-4是可以接受的。通過(guò)AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型對(duì)合江長(zhǎng)江二橋的通航水域橋墩進(jìn)行船撞風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)估后，建議針對(duì)22號(hào)、23號(hào)主橋橋墩采取有效的防撞構(gòu)造措施，以降低或避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能。

U447

B

1009-7716（2016）02-0111-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.029

2015-09-11

田波（1974-），男，重慶萬(wàn)州人，工程碩士，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)及研究工作。