基于風險分析的大跨度橋梁船撞設(shè)防標準研究

李 彪

南寧城市建設(shè)投資集團有限責任公司

1 橋梁船撞風險分析基本方法

1.1 AASHTO分析方法

1991年，美國頒布了AASHTO船舶碰撞設(shè)計指南，其中規(guī)定了三種不同的風險分析方法。方法I 是一種半確定性的簡單方法，適用于淺水航道和小噸位駁船；方法II是復(fù)雜的風險分析程序；方法III是成本效益比分析程序，適用于非常寬的水道且許多橋墩都可能撞到的情況。該指南要求采用方法II，除非在規(guī)范中規(guī)定使用方法I和方法III的某些情況除外。

1.2 中國規(guī)范方法

在我們的國家，《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）將船舶分為兩類：輪船和內(nèi)河駁船。規(guī)范中給出了船舶對橋墩橫向和縱向的沖擊力和船舶載重噸位一一對應(yīng)的關(guān)系，因此給定的橋梁設(shè)計船撞擊力是基于確定性分析的。2020年頒布實施了《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》（JTG∕T 3360—02—2020）提出了基于風險的思想進行橋梁船撞的設(shè)計方法。

2 大跨度橋梁船撞設(shè)防標準確定方法

通過設(shè)計代表船舶或設(shè)防船撞擊力，考慮特定的社會經(jīng)濟條件，并且根據(jù)避免船舶碰撞的風險目標環(huán)境和設(shè)定的防御目標可以確定橋梁船撞設(shè)防標準。本文采用設(shè)防船撞力作為橋梁船撞設(shè)防標準，在確定設(shè)防船撞力的基礎(chǔ)上，根據(jù)橋區(qū)通行船舶的情況確定設(shè)計代表船舶。

根據(jù)AASHTO規(guī)范的規(guī)定，要求對離船舶航跡中心線3倍設(shè)計代表船長范圍以內(nèi)的橋墩進行風險概率計算。可以根據(jù)水深、船的吃水深度以及橋軸上下一定范圍內(nèi)的淺礁分布來初步確定可到達的橋墩范圍，以達到對橋梁船撞風險的一個初步了解，在進行船舶可達性分析的基礎(chǔ)上，對基于船舶可達性分析的橋墩碰撞風險分析范圍內(nèi)橋梁墩每年發(fā)生船舶碰撞事故的概率計算，計算船撞風險時，考慮橋區(qū)水位變化，根據(jù)不同通航水位出現(xiàn)的頻率，在計算出不同水位的每個橋墩發(fā)生碰撞的風險之后，根據(jù)水位的不同和對應(yīng)發(fā)生的頻率進行加權(quán)求和，以得出橋墩每年發(fā)生故障的概率，即：

式中：

αi——為第i種水位出現(xiàn)的頻率；

Pwi——為第i種水位下的船撞風險。

將求得的橋墩年失效概率與可接受風險準則進行比對，通過迭代計算，得到滿足由船舶撞擊引起的橋梁年倒塌頻率低于可接受風險準則的最大船撞力即為橋墩設(shè)防船撞力，在確定橋墩設(shè)防船撞力的基礎(chǔ)上，根據(jù)橋區(qū)船舶典型航速，確定設(shè)計代表船舶。對于可接受風險準則的取值，對于普通橋梁，全橋的最大年失效頻率應(yīng)＜10-3，對于重要性橋梁，全橋的最大年失效頻率應(yīng)＜10-4。

3 基于風險分析確定橋梁船撞設(shè)防標準工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

某斜拉橋主跨通航孔寬度575m，分為上行大型船舶航路（北側(cè)287.5m水域），供船隊和船長50m以上船舶上水航行；北邊孔供船長50m以下的船舶上水航行；下行船舶航路（南側(cè)287.5m水域），供所有船舶（隊）下水航行。

3.2 橋梁船撞風險分析基本參數(shù)

3.2.1 水文參數(shù)

根據(jù)對橋區(qū)河段洪、中、枯期水流流速、流向觀測，得到橋軸線上水流流速和流向的特征如表1所示。

表1 橋位水流特征

計算三種水位下的橋梁船撞風險，分別為最高通航水位18.97m，最低通航水位2.9m、平均通航水位9.8m。

3.2.2 通航船舶參數(shù)

根據(jù)大橋橋位處船舶航速的實際觀測，得到船舶典型航速如表2所示。

表2 船舶通過大橋航速選取表

通過實際觀測橋區(qū)船舶流量，得到全年船舶通行量。并通過取船舶分類噸位的平均值作為計算船舶撞擊力噸位，例如當船舶噸級為4000t～5000t 時，其撞擊力計算時所用噸位為4500t，其他類推。

3.3 橋梁船撞風險分析的范圍

對離船舶航跡中心線3倍設(shè)計代表船長以內(nèi)的橋墩需進行風險概率計算。

主通航孔的典型船舶長度取113m，風險分析的范圍包括北主墩，南主墩，北輔助墩號和北過渡墩。南過渡墩和南輔助墩不在船撞風險范圍以內(nèi)，按最小撞擊力要求確定設(shè)防船撞力。

3.4 船舶可達性分析

船舶可達性分析中考慮的代表船舶在空載和滿載條件下的吃水深度見表3。

表3 船艏吃水線深度

根據(jù)水位資料，橋區(qū)最高通航水位為18.97m，最低通航水位為2.90m，中水位為9.80m，由此計算得到各個橋墩處的水深，進而分析了三種水位情況下，1000t 級船舶、3000t 級船舶、5000t 級船舶、10000t級船舶、滿載吃水深度和空載吃水深度情況下船舶的到達情況。

3.5 橋梁船撞概率風險分析

基于前述橋梁船撞風險分析參數(shù)，得到各墩船撞風險結(jié)果見表4。

表4 各墩船撞風險分析結(jié)果

3.6 橋梁船撞設(shè)防標準的確定

通過迭代分析，得到滿足由船舶撞擊引起的橋梁年倒塌頻率低于可接受風險準則的橋墩設(shè)防船撞力和設(shè)計代表船舶如表5所示。

表5 各墩設(shè)防船撞力和設(shè)計代表船舶

對于風險分析范圍以外的南輔助墩和南過渡墩，按最小撞擊力確定設(shè)防船撞力，設(shè)計的最小撞擊力計算采用空載排水量200t駁船以等于水域上的平均水流速度的漂浮速度產(chǎn)生的撞擊力來確定，水流速度取洪水期、中水期、枯水期水流速度的平均值進行計算，即1.56m∕s，由此確定最小設(shè)防船撞力3.06MN。

根據(jù)風險分析結(jié)果，建議限制60m 長度以上船舶通過備用通航孔，根據(jù)設(shè)防船撞力確定合理的防撞結(jié)構(gòu)設(shè)施，加強船舶的航行管理，降低船舶的偏航風險。

4 結(jié)論

為確定大跨度橋梁防船撞的設(shè)防標準，本文提出一種基于風險分析的方法。根據(jù)不同通航水位出現(xiàn)的頻率，計算出不同水位下各墩的橋梁船撞風險，通過加權(quán)求和得到橋墩年失效概率。根據(jù)各個橋墩的可接受風險，通過迭代計算，可以得到滿足由船舶撞擊引起的橋梁年倒塌頻率低于可接受風險準則的橋墩設(shè)防船撞力，并提出進一步降低橋墩船撞風險的建議和措施。以實際工程為例，利用本文建立的方法，對大橋進行了橋梁船撞分析，在此基礎(chǔ)確定了橋梁船撞設(shè)防力和設(shè)計代表船舶，為該方法在實際工程中的應(yīng)用提供了參考。