鵝公巖長江大橋船撞風險分析

何佳，張雪松，段鋆

（1重慶市建筑科學研究院，重慶 400016；2重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；3四川藏區高速公路有限責任公司，成都 610047）

鵝公巖長江大橋船撞風險分析

何佳1，張雪松2，段鋆3

（1重慶市建筑科學研究院，重慶 400016；2重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；3四川藏區高速公路有限責任公司，成都 610047）

該文針對目前經常發生的船撞橋事故，依托重慶鵝公巖長江大橋并根據模型水工試驗統計各種計算參數，采用目前國際上應用較多的AASHTO規范方法計算鵝公巖大橋在2010年、2020年和2050年的年碰撞概率和年倒塌概率。由計算出的年碰撞風險概率來評估鵝公巖大橋各橋墩在不同年份下的風險等級，根據各墩所處的風險等級采取相對應的防撞措施來降低大橋運營期間遭受的碰撞風險。

鵝公巖；船撞風險；偏航；倒塌；動能折減；鵝公巖大橋

0 引言

三峽工程分期蓄水至今，隨著長江上游河段的水位不斷上升，河道過水斷面增加，流速減小，船舶通航條件得到較大改善，重慶鵝公巖大橋河段通行的船舶數量逐年遞增，船舶的噸位和尺度均朝著大型化發展，船舶運輸業在重慶社會經濟的比重越來越大。

然而在水運業為經濟發展做貢獻的同時，近些年來逐漸增加的船撞事故也引起了社會的廣泛關注。船撞事故不但涉及到橋梁結構的安全，影響著通航區船舶和橋面車輛的運營安全，同時也對人的生命財產安全帶來了巨大的威脅[1]。隨著水位的升高和船舶通航量的增加，鵝公巖大橋原有的防撞設施已不能滿足船撞的基本要求。為了降低因防撞設施過時給橋梁安全帶來的巨大風險，有必要對鵝公巖大橋進行船撞風險評估，并提出新的防撞設施。

1 工程概況

鵝公巖長江大橋系主城區快速路系統中的東西主干道的組成部分，路線西起成渝高速公路出口處的九龍坡區大公館，經謝家灣跨長江，過重慶經濟技術開發區，東與渝黔高速公路相連。全長1428m，主橋全長1022m，引橋長408m。橋型為三跨連續鋼箱梁懸索橋。橋梁主跨210m+600m+210m，主塔高163.48m，大橋立面圖如圖1所示。

圖1 鵝公巖大橋立面圖

鵝公巖大橋位于長江九龍坡—菜園壩彎曲河段的中部，大橋橋軸線上距九龍坡港區2.7 km，下距長江、嘉陵江兩江交匯口約10km，長江上游航道里程668.9km。大橋河段河勢由南向北微彎，河面寬窄相間，岸線不規則。工程地理位置見圖2。

圖2 橋位地理位置示意圖

2 AASHTO概率模型

對于船撞問題，美國1994的《公路橋梁設計規范》[2]由于其方法明確、應用簡單，因而成為目前國際上應用最為廣泛的一部指南。1994年，在美國公路運輸工作者協會（AASHTO）指導規范推薦的方法Ⅱ的基礎上，《美國公路橋梁設計》（即LRFD）做了適當改進。在此規范中，大橋各橋墩年撞損頻率按以下公式計算：

式中：AF為橋梁受船舶碰撞破壞的概率；N為根據船舶類型、尺度和裝載情況分類的船舶年通航量；PA為船舶的偏航概率；PG為偏航船舶與橋梁構件碰撞的幾何概率 （正態分布模擬）；PC受偏航船舶撞擊橋梁構件倒塌的概率。

公式中去除倒塌概率PC一項后是橋梁遭受船舶撞擊的年頻率。

2.1 偏航概率

偏航概率代表船舶由于人員失誤、機械故障、惡劣環境條件等原因而偏離正常航線，并可能會撞擊橋梁的概率。實際工作中通常采用以下經驗公式進行計算：

式中：PA為船舶偏離航線的基本發生概率；RB為橋位修正系數，與橋位所在航道的順直程度有關；RC為平行于航向的水流修正系數，與平行于航向的水流流速有關；RXC為垂直于航向的水流修正系數，與垂直于航向的水流流速有關；RD為航行密度修正系數，與過橋船舶密度有關。

2.2 幾何概率

偏航船只與橋梁構件相撞的幾何概率PG可以根據船舶撞擊橋墩的歷史資料分析確定。統計資料表明船舶撞擊橋墩的幾何概率密度為正態分布，PG為正態分布函數，其標準差為設計船長，標準分布的中心位置為航行中心線，對應的船橋撞擊區下面畫上陰影的面積即為PG。船舶撞擊的幾何概率分布如圖3所示。

圖3船舶碰撞橋墩的幾何概率分布圖

圖3 中Bp為橋墩寬度，Bm為通航船舶寬度。因此，船舶撞擊橋墩的幾何概率分布密度可以表示成為：

式中：X表示船舶過橋時的位置；f(X)表示船舶位于某處航線上的概率密度；μ表示正態分布的位置參數，表示概率分布以船舶航道中心線為對稱軸，左右完全對稱。σ是描述正態分布資料數據分布的離散程度，σ越大，數據分布越分散，σ越小，數據分布越集中；根據美國公路規范規定，σ取為設計船長。

由圖3可知，船舶碰撞橋墩的幾何概率可以用圖中的陰影部分表示，可以用概率分布密度函數積分得到：

2.3 倒塌概率

在計算得出橋梁的船撞力以及橋墩的設計抗撞力后，可以評價發生單次撞擊時橋墩的倒塌概率，用倒塌概率PC可以看出PC受很多因素的影響，包括船舶尺度和型式、船首形狀及船首倉壓載、船舶的行駛速度、撞擊方向及撞擊質量等，并且與橋墩的抗撞強度、防撞裝置的種類、防撞裝置降低船撞力的長度等有關。AASHTO指南中PC是根據橋梁的極限抗力H與船舶撞擊力P的比值來確定的。H是橋梁抗力，P是船舶撞擊力。

PC的取值分下面幾種情況：

美國《公路橋梁船舶撞擊設計指導規范和評述》中采用圖4所示分布的倒塌概率，即當橋梁構件強度大于船舶撞擊力時，PC=0；當橋梁構件強度介于船舶撞擊力的10%～100% 之間時，PC在0到0.1線性變化；當橋梁構件強度小于船撞力的10%時，PC在0.1到1之間線性變化。

圖4 倒塌概率分布

3 船舶航跡線觀測

根據對起控制條件且具代表性船舶在橋區所選觀測范圍的航跡線資料[3]，分別進行了船舶上下行的偏航角度分析。

3.1 船舶上行

上行船舶的偏航角度分布在0°～20°，但分布的集中范圍較窄，而且偏航角度較小，如下圖5所示。由于上行船舶在枯水和洪水期內所選航線的偏航角度較小，因此上行船舶的偏航角度集中分布范圍為0°～4°，且偏航角度集中分布在2°左右。

圖5 上行船舶偏航角度分布直方圖

3.2 船舶下行

下行船舶的偏航角度分布在0°～18°范圍內，但分布的集中范圍較窄，如下圖6所示。集中分布范圍為8°～12°，偏航角度集中分布在9°左右。

圖6 下行船舶偏航角度分布直方圖

4 撞擊速度和計算水位的確定

4.1 撞擊速度的確定

根據鵝公巖長江大橋2#和3#橋墩在天然情況的撞擊速度，并結合河道實際情況，即船舶與2#和3#主墩相遇水位一般在較高水位時可能性較大。因此，船撞速度按較高或高水位時且出現頻率大的撞擊速度進行綜合選取，得到的鵝公巖大橋2#和3#主墩的船舶撞擊速度如表1所示。

表1 鵝公巖大橋兩主墩船舶撞擊速度（km/h)

4.2 計算水位的確定

由鵝公巖長江大橋上下游3個水文站的統計資料和分析可得出：當橋址水位為168.17m時，相應出現的累積頻率較大，為30%；當橋址水位為173.44m時，相應出現的累積頻率較大，達到39%；當橋址水位為181.94m時，相應出現的累積頻率較短，為10%。根據各自出現的累積頻率可知，橋址水位年內保持在168.17m或高于此水位的時間較長，而出現水位為181.94m的時間較短，但綜合船撞風險的角度，高水位需納入作為一種計算工況。各水位出現頻率如表2所示。

表2 橋區計算水位

5 橋墩抗力的確定

5.1 船舶撞擊力的確定

求出船舶撞擊力的方法有許多，包括經驗公式計算法、模型和實體實驗法、有限元瞬態動力數值分析法，上述三種方法均在實際工程中得到了應用。在橋梁工程的可行性研究階段多使用半理論、半經驗的公式計算法，求得準靜態的船撞力，供橋梁設計和選擇防撞設施的參考。到了橋梁的初步設計和施工圖設計階段，以工程設計圖建立模型，使用數值方法。實驗法常用于對計算方法、模型研究方法的驗證，由于實驗法需要先做仔細的設計和計算之后進行，且費時耗資巨大，在必要和可能時才選用。本文認為我國鐵路規范公式原理清楚，公式能夠計入撞擊系統中各個物體的剛度，在一定程度上體現出沖擊動力學的原理。因此鵝公巖長江大橋的船撞力本文推薦采用《鐵路橋涵設計基本規范》TB 10002.1-2005[4]公式進行計算。并參照《船撞橋及其防御》[5]作出如下規定：當用《公路橋涵通用設計規范》JTG D60-2004[6]公式計算出的船撞力與該公式計算出的船撞力相差25%以內時，即認為該公式的估算可用。

根據鐵路規范TB 10002.1-2005公式，墩臺承受船只或排筏的撞擊力可按下式計算：

式中：F為撞擊力（kN）；γ為動能折減系數（s/m1/2），當船只或排筏斜向撞擊墩臺時可采用0.2，正向撞擊時可用0.3；υ為船只或排筏撞擊墩臺時的速度（m/s），此項速度對于船只采用航運部門提供的數據，對于排筏可采用筏運期水流的速度；α為船只或排筏駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角，應根據具體情況確定，如有困難，可采用α=20O；W為船只重或排筏重力（kN）；C1、C2為船只或排筏和墩臺圬工的彈性變形系數，缺乏資料時可假定C1+C2=0.0005m/kN。

根據鐵路規范提供的計算公式，得出該橋的船舶撞擊力如表3、表4所示。

表3 鵝公巖大橋計算船撞力-正撞力/MN

表4 鵝公巖大橋計算船撞力-側撞力/MN

（1） 正撞力計算結果

（2）側撞力計算結果

根據鐵路規范，本文取側撞角度α=20O進行計算，從而側撞力按下式進行計算：

式中：P為最大正撞力。

5.2 橋墩抗力計算

承載能力通常在橋梁設計時由設計人計算，但當進行防撞設計時會提出更多的情況，有的橋在建成和使用過程中會不斷與實際相結合，如船的特征改變（愈來愈大，愈來愈快，愈來愈密）；環境改變；流速、風速、彎道、沖刷、淤積等會有改變；潮位的變化也影響碰撞著力點，從而影響承載力。鵝公巖大橋橋墩抗力表5。

表5 鵝公巖大橋橋墩抗力表

根據表中計算數據得出：橫橋向的橋墩抗力控制全橋的倒塌概率。

6 船撞風險計算結果

根據AASHTO規范中的計算公式及美國國防部《系統安全綱要規定》所提供的風險評估矩陣，計算出鵝公巖長江大橋的船撞風險概率[7]如表6所示，并繪制了2#和3#橋墩年碰撞概率和年倒塌概率趨勢圖，如圖7、圖8所示。

圖7 2號墩船撞風險變化趨勢

表6 鵝公巖大橋的船撞風險等級

7 結論及建議

圖9 浮式變截面自導向橋墩防撞設施

根據鵝公巖長江大橋船撞風險研究可得到以下結論。

（1）由AASHTO規范規定，重要橋梁年倒塌概率應小于10-4的風險準則，2010年各橋墩均處于4B級（中等風險）；2020年，2號主墩和3號主墩相繼進入4C級 （高風險）；2050年，2號主墩和3號主墩均處于4C級（高風險）。

（2）在2020年，當滿足可接受風險10-4時：P2橋墩所需抗力為37.3MN，而實際抗力為14～25MN，抗力差約12～23MN；P3號橋墩所需抗力為40MN，而實際抗力為14～23MN，抗力差約為17～26MN。

（3）根據分析結果，應從以下兩方面降低鵝公巖大橋的碰撞風險。①主動防撞。對于此方法，可以采取以下幾個措施：加強橋區通航安全管理、改善通航環境、加強船員管理及加強船舶管理。②被動防撞。通過設置浮式消能防撞設施進行設防，如圖9所示。

[1]耿波，王君杰，汪宏，等.橋梁船撞風險評估系統總體研究[J].土木工程學報，2007，40（5）：34-35.

[2]美國各州公路和運輸工作者協會（AASHTO）.美國公路橋梁設計規范[M].辛濟平，譯.北京：人民交通出版社，1998：94-105.

[3]重慶交通學院.重慶鵝公巖長江大橋通航條件水工模型試驗研究報告[R].重慶交通學院，1997.

[4]鐵道第三勘察設計院.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5]陳國虞，王禮立.船撞橋及其防御[M].北京：中國鐵道出版社，2006：147-158.

[6]中交公路規劃設計院.JTGD60—2004公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]重慶市橋梁協會，重慶交通大學，林同棪國際（中國）工程咨詢有限公司.重慶鵝公巖長江大橋船撞風險分析報告[R].重慶市橋梁協會，2009.

Analysis of Vessel Collision Risk of Egongyan Yangtze river Bridge

In view of the frequent ship collision with bridge accidents at present,and based on the Chongqing Egongyan Yangtze River Bridge and the various calculation parameters obtained through hydraulic tests on the model,the annual collision probability and collapse probability of the Bridge in 2010,2020 and 2050 are calculated with the most used AASHTO standard method.The annual collision probability is adopted to evaluate the risk levels of the Bridge's piers in each year,and the risk levels of the piers are applied to take the corresponding measures to reduce the collision risk of the Bridge in operation.

Egongyan;ship collision risk;yaw;collapse;kinetic energy reduction;Egongyan Yangtze River Bridge

U442.5

A

1671-9107（2017）12-0037-05

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.12.37

2017-05-08

何佳（1986-），男，寧夏中衛人，研究生，工程師，主要從事橋梁檢測及房屋鑒定類工作。

責任編輯：孫蘇，李紅