張少為

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710018）

觸目驚心的船橋碰撞事故說明橋梁防撞技術(shù)研究成果的實(shí)用性和操作性需要進(jìn)一步論證。筆者以 “ship－bridge collision”為關(guān)鍵詞，使用PDFGeni和Google等引擎搜索網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)利用圖書館資源平臺(tái)對(duì) SpringerLink，Elsevier ScienceDirect等外文數(shù)據(jù)庫(kù)，以及CNKI中文數(shù)據(jù)庫(kù)近10年有關(guān)船橋碰撞研究文獻(xiàn)進(jìn)行了采集，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外基于風(fēng)險(xiǎn)思想的橋梁防撞研究?jī)H限于概率數(shù)學(xué)模型的理論性研究，并存在不完善之處。其中，姜華等［1］對(duì)美國(guó)規(guī)范模型、歐洲規(guī)范模型、拉森模型和昆茲模型4個(gè)代表性船橋碰撞概率模型進(jìn)行了比較，推薦采用美國(guó)規(guī)范模型和拉森模型。Guo［2］優(yōu)化了橋梁傳感器的布置，可以對(duì)船橋碰撞事故進(jìn)行事故前的預(yù)警并通過檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估橋梁的毀壞程度，但該研究低估了在橋墩紊流區(qū)的碰撞概率。因此，本文將在國(guó)內(nèi)外已有成果的基礎(chǔ)上分析橋梁防撞技術(shù)研究現(xiàn)狀，探討相關(guān)研究的局限性，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，意在完善橋梁防撞技術(shù)研究的文獻(xiàn)資料。

1 文獻(xiàn)述評(píng)

目前國(guó)內(nèi)研究大多集中于被動(dòng)防撞技術(shù)，旨在通過提高橋梁自身的防撞能力或者設(shè)置力學(xué)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(rèn)的是橋梁設(shè)計(jì)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(shù)和成本上已經(jīng)有所突破，但高昂的造價(jià)對(duì)于小型橋梁來說是無法接受的?，F(xiàn)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(duì)于橋梁防撞能力的總體提升沒有實(shí)質(zhì)性幫助。被動(dòng)防撞技術(shù)在短期內(nèi)都將是治標(biāo)不治本的一種橋梁防撞技術(shù)，但相比而言，基于風(fēng)險(xiǎn)思想的防撞技術(shù)具有防患于未然的優(yōu)點(diǎn)。從橋梁設(shè)計(jì)角度來說，碰撞概率計(jì)算結(jié)果可以為調(diào)整橋梁設(shè)計(jì)方案或滿足減少風(fēng)險(xiǎn)直至達(dá)到可接受風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求提供科學(xué)依據(jù)［3］。因此，可以運(yùn)用船撞橋梁概率評(píng)估橋梁遭受碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，并借助信息技術(shù)輔助設(shè)施和加強(qiáng)航運(yùn)管理，以最大程度地規(guī)避船撞橋梁的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的采集與梳理，筆者發(fā)現(xiàn)以下概率模型是目前基于風(fēng)險(xiǎn)思想的橋梁防撞技術(shù)研究成果中最具代表性的數(shù)學(xué)模型，描述如下。

1.1 美國(guó)規(guī)范模型（AASHTO模型）

《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（LRFD Bridge Design Code，下文簡(jiǎn)稱《美國(guó)規(guī)范》根據(jù)AASHTO指南，提出船舶對(duì)橋梁的碰撞風(fēng)險(xiǎn)用橋梁構(gòu)件的年倒塌頻率來描述［4］，數(shù)學(xué)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(gè)橋墩及橋梁構(gòu)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(jì)算：

式中：BR為基準(zhǔn)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(shù)；RC為與船只航線平行作用的水流修正系數(shù)；RXC為橫流修正系數(shù)；RD為通航密度修正系數(shù)。

1.2 拉森（O.D.Larsen）模型

1991年，O.D.Larsen［5］在國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)IABSE年會(huì)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(shù)；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(nèi)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(shí)際橋梁的部位；PF，i，k為橋梁倒塌概率。

1.3 歐洲規(guī)范模型

歐洲規(guī)范（Eurocode）在1997年第一卷中提出了一種模型用于計(jì)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(gè)非均勻的泊松過程，假設(shè)泊松過程的失誤概率為λ（x），時(shí)間T內(nèi)的碰撞概率可表示為

式中：PC（T）為時(shí)間T內(nèi)橋梁構(gòu)件被撞至少一次的概率；Pna為由于人員干預(yù)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(fā)生前的停船距離大小以及船舶偏航角度大小為基礎(chǔ)，提出了一個(gè)用于計(jì)算船撞橋概率的數(shù)學(xué)模型。該船撞橋概率公式為

式中：P（T）為在時(shí)間T內(nèi)至少發(fā)生一次碰撞的概率；N為時(shí)間T 內(nèi)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(xiǎn)未得到制止的概率。公式：

式中：x為船舶停船距離，即發(fā)現(xiàn)撞橋危險(xiǎn)并采取應(yīng)急措施時(shí)船與橋墩的距離，為一個(gè)正態(tài)隨機(jī)變量；φ為偏航角度，即船舶航向與預(yù)定航線方向之間的夾角。

1.5 戴彤宇簡(jiǎn)化模型

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

式中：Ni為i類船單位時(shí)間內(nèi)的船舶流量；fi為第i類船的碰撞影響系數(shù)；pi為位于可能發(fā)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(biāo)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(tài)分布來確定，均值μ和均方差σ通過實(shí)際船舶過橋航跡分布計(jì)算得出。

上述模型大致分為2類：美國(guó)規(guī)范模型和拉森模型關(guān)注極端情況，計(jì)算的是船舶碰撞橋梁后倒塌的概率；歐洲規(guī)范模型、昆茲模型和戴彤宇簡(jiǎn)化模型則關(guān)注完整的船撞橋事件研究，將全部船撞橋事件考慮在內(nèi)計(jì)算概率。排除橋梁倒塌概率后，美國(guó)規(guī)范模型和拉森模型將與其他3種模型一樣比較實(shí)用合理。此外，本研究發(fā)現(xiàn)這些概率模型還存在樣本缺乏代表性和模型未體現(xiàn)橋墩紊流區(qū)對(duì)船橋碰撞的影響。首先，樣本缺乏代表性導(dǎo)致了模型的適用范圍存疑。以戴彤宇簡(jiǎn)化模型為例，該簡(jiǎn)化模型以南京長(zhǎng)江大橋船撞橋事故實(shí)例進(jìn)行校驗(yàn)證明是可行的，但這只能說明該模型符合長(zhǎng)江中下游水域的水文特征。但僅在長(zhǎng)江一個(gè)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(chǎn)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(yīng)用于京杭大運(yùn)河和黃河等其他水系時(shí)的適用性了。其次，這些模型未體現(xiàn)橋墩紊流區(qū)對(duì)船橋碰撞的影響。水流經(jīng)過橋墩時(shí)會(huì)在橋墩周圍產(chǎn)生渦旋，對(duì)于表面水層有一定吸引力，這一區(qū)域被稱為紊流區(qū)，其寬度將受到不同墩型、不同橋位處的河流過水?dāng)嗝嫘螤畛叽绲挠绊?。?dāng)船舶進(jìn)入橋墩紊流區(qū)時(shí)會(huì)受到一定的指向橋墩的吸引力，如果不考慮實(shí)際情況，一味應(yīng)用現(xiàn)今的概率統(tǒng)計(jì)公式來評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，就可能低估在橋墩紊流區(qū)的碰撞概率。對(duì)此國(guó)內(nèi)一些學(xué)者簡(jiǎn)單地避開橋墩紊流區(qū)來防止低估船橋碰撞的風(fēng)險(xiǎn)［9］，筆者認(rèn)為這就陷入了“船舶只要進(jìn)入紊流區(qū)就會(huì)碰撞橋梁”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。由于現(xiàn)今船舶的重量和速度都較大，外側(cè)的紊流區(qū)也許并不能給船舶帶來影響，一味消極地逃避紊流區(qū)會(huì)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(duì)于橋墩紊流區(qū)對(duì)船撞橋概率影響程度的精確研究，在得出精確的結(jié)果前，不應(yīng)該忽略橋梁紊流區(qū)的存在。

2 對(duì)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(fēng)險(xiǎn)思想的橋梁防撞技術(shù)研究的發(fā)展方向。

（1）有意擴(kuò)大樣本容量。船橋碰撞事故發(fā)生的概率相對(duì)較小，而且橋梁條件各不相同，因此船撞橋事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不能僅依靠現(xiàn)有事故的統(tǒng)計(jì)資料，同時(shí)還需要借助船撞橋概率模型和模擬潛在事故的實(shí)驗(yàn)方案。國(guó)內(nèi)船撞橋事故的統(tǒng)計(jì)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(kuò)大樣本容量。模擬事故分為計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)際模擬2種手段。計(jì)算機(jī)模擬可以利用有限元數(shù)值仿真技術(shù)等，模擬船體碰撞力、船橋變形和碰撞過程中的能量變化；實(shí)際模擬可以采用碰撞試驗(yàn)來模擬潛在事故，以此豐富樣本以及采集船橋碰撞時(shí)的數(shù)據(jù)，例如選取典型的橋作為研究對(duì)象，選用重量合適的試驗(yàn)船，在充分做好橋梁以及船舶的緩沖防護(hù)設(shè)施的前提下模擬在船流量不同、時(shí)間不同（清晨、中午、下午）、環(huán)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(shí)驗(yàn)。2種模擬方法各有利弊：計(jì)算機(jī)模擬可操作性強(qiáng)，成本低，但是計(jì)算機(jī)模擬很難將人為因素考慮在內(nèi)，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(gè)極為重要的原因。實(shí)際模擬代價(jià)昂貴，操作難度很大，但是可以全面地模擬碰撞時(shí)的情況，對(duì)于以后的船橋碰撞研究有著更好的參照價(jià)值。筆者認(rèn)為可以有機(jī)地結(jié)合運(yùn)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(jì)算機(jī)模擬來擴(kuò)大樣本，而由于人為因素造成的事故應(yīng)該進(jìn)行實(shí)際模擬。國(guó)內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展會(huì)使一些老舊橋梁退出水運(yùn)行業(yè)，這些老舊的、計(jì)劃拆除的橋梁可以在廢棄前發(fā)揮余熱，作為試驗(yàn)橋梁，也為試驗(yàn)降低一些成本。

（2）在設(shè)計(jì)中應(yīng)用最新的船橋碰撞概率模型。船撞橋事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要借助船撞橋概率模型，筆者認(rèn)為在設(shè)計(jì)中要應(yīng)用不斷發(fā)展中的概率模型來計(jì)算模擬船橋碰撞概率。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的在于減少船橋碰撞事故的發(fā)生，為橋梁設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和完善提供依據(jù)。在一套橋梁設(shè)計(jì)方案確立后，先應(yīng)用最新的概率模型來模擬分析預(yù)測(cè)所有可能出現(xiàn)的船撞橋事故，從而為橋梁跨度、橋位以及航道設(shè)計(jì)的修改提供理論依據(jù)。不斷重復(fù)預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，從全盤考慮，直至所設(shè)計(jì)橋梁的被撞概率達(dá)到最低，然后再將設(shè)計(jì)付諸施工；碰撞風(fēng)險(xiǎn)大的部分可以通過設(shè)置防撞裝置或者改善航運(yùn)管理來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。很顯然，比起建成一座橋后再對(duì)其進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，然后在被撞概率高的部分設(shè)置防撞裝置，這樣的防撞措施會(huì)更有效。正如前面所建議的，船橋碰撞概率模型中應(yīng)該考慮橋墩紊流區(qū)對(duì)船撞橋概率的影響，其影響程度與橋墩紊流區(qū)自身的尺寸、水流強(qiáng)度等有著密切的關(guān)系。基于對(duì)影響橋墩紊流區(qū)形成的各個(gè)因素的綜合考慮，現(xiàn)用fT來表示橋墩紊流區(qū)對(duì)船橋碰撞概率的影響系數(shù)：

式中：k為實(shí)際影響船舶行駛的修正系數(shù)；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(fēng)速；h為橋墩附近水深。上述5種模型經(jīng)過修正，且排除橋梁倒塌概率后，成為適用性相對(duì)更好的模型。

上述模型能夠更精確地反映橋墩紊流區(qū)對(duì)船橋碰撞概率的影響，從而為航道寬度的設(shè)計(jì)提供更明確的指導(dǎo)。同時(shí)還可以配合一些橋梁主動(dòng)防撞技術(shù)來減小橋墩紊流區(qū)對(duì)于船只的影響。例如可以設(shè)置簡(jiǎn)單的紅外線檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)船舶進(jìn)入具有實(shí)際影響力的橋墩紊流區(qū)時(shí)進(jìn)行警示降低船橋碰撞的概率。此外，還可以與市政部門進(jìn)行合作，減少橋梁周圍的光線干擾，同時(shí)增加橋涵標(biāo)燈和橋區(qū)浮標(biāo)等的亮度，保證在能見度較低時(shí)（如夜晚、大霧天氣）能夠采取有效的引導(dǎo)措施。

3 結(jié)語

本文在梳理國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)和歸納分析5個(gè)代表性船撞橋概率數(shù)學(xué)模型的過程中，發(fā)現(xiàn)目前的船橋碰撞數(shù)學(xué)模型的適用范圍值得質(zhì)疑，同時(shí)這些數(shù)學(xué)模型都未充分考慮橋墩紊流區(qū)的影響。針對(duì)這些局限性，對(duì)這些概率模型進(jìn)行了修正，橋墩紊流區(qū)對(duì)船橋碰撞概率的影響系數(shù)fT在計(jì)算時(shí)被加以考慮。同時(shí)還建議采取碰撞試驗(yàn)等方式來擴(kuò)大樣本容量，增加樣本代表性；充分應(yīng)用不斷發(fā)展中的船撞橋概率研究成果并輔以橋梁主動(dòng)防撞技術(shù)來提高橋梁的防撞能力。但受限于實(shí)驗(yàn)條件，本文目前無法精確確定橋墩紊流區(qū)對(duì)于船橋碰撞概率影響系數(shù)fT的數(shù)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(yīng)用到橋梁的防撞技術(shù)研究上，并進(jìn)一步完善相關(guān)文獻(xiàn)資料。

致謝：同濟(jì)大學(xué)橋梁工程博士、長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院姜華老師對(duì)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(fēng)險(xiǎn)思想確定橋梁船撞設(shè)防力［J］.結(jié)構(gòu)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(yù)報(bào)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)，2010.