曹佰楊，李嵩林

(1.重慶市城市建設(shè)投資(集團(tuán))有限公司， 重慶　400000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶　400067)

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涪陵烏江大橋復(fù)線橋船撞風(fēng)險(xiǎn)研究

曹佰楊1，李嵩林2

(1.重慶市城市建設(shè)投資(集團(tuán))有限公司， 重慶400000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶400067)

摘要：對(duì)擬建涪陵烏江大橋復(fù)線橋進(jìn)行船撞風(fēng)險(xiǎn)研究。根據(jù)該橋橋址處的水流速度，典型水位，通航船舶密度、航速，通航凈空尺度，航跡線以及橋梁的極限抗船撞能力等，采用三概率積分法，確定該橋拱圈碰撞頻率和倒塌頻率。另外，依據(jù)行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)水平和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣，并結(jié)合三概率積分法計(jì)算結(jié)果來(lái)確定該橋船撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

關(guān)鍵詞：船撞；航跡線；三概率積分；倒塌頻率；風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

涪陵烏江大橋復(fù)線橋位于長(zhǎng)江烏江匯合口上游2.8 km，緊鄰已建烏江大橋下游。其橋軸線為東西向，東接江東片區(qū)，西接涪陵老城區(qū)。工程河段平面順直微彎，屬山區(qū)性河道。河床寬窄相間，深泓線沿程起伏較大，岸線凹凸不規(guī)則，形態(tài)復(fù)雜。低水河寬約140 m，高水河寬約220 m。河流水流方向?yàn)楸睎|-南西向，與橋梁走向基本垂直。三峽水庫(kù)正常蓄水運(yùn)行后，涪陵烏江大橋復(fù)線橋工程所在河段成為三峽水庫(kù)常年回水段，航道等級(jí)已達(dá)到Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，通航1 000 DWT級(jí)船舶或船隊(duì)。涪陵烏江大橋復(fù)線橋采用鋼筋混凝土拱橋方案，主拱跨徑220 m，矢高42 m；橋面全寬12 m，矢跨比1/5。本文主要對(duì)該橋進(jìn)行船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以明確其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。該橋橋型布置如圖1所示。

1船撞風(fēng)險(xiǎn)分析方法

根據(jù)涪陵烏江大橋復(fù)線橋橋址處的水流速度，典型水位，通航船舶密度、航速，通航凈空尺度、航跡線以及橋梁的極限抗船撞能力等，采用三概率積分法[1-4]，確定其拱圈碰撞頻率和倒塌頻率。另外，依據(jù)行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)水平并結(jié)合三概率積分法計(jì)算結(jié)果來(lái)確定該橋船撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。拱圈船撞頻率的三概率參數(shù)積分路徑模型如圖2所示，風(fēng)險(xiǎn)理論計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

圖1　涪陵烏江大橋復(fù)線橋橋型布置示意

式中：pc為橋梁年碰撞頻率；αi為第i種水位出現(xiàn)的頻率；m為水位個(gè)數(shù)；n為船舶分類組數(shù)；pwi為第i種水位下的年碰撞頻率；Nj為按船舶分類方法第j種船舶的年通航量(艘次)；f(x)為航跡橫向分布(幾何分布)密度函數(shù)；D為積分路徑長(zhǎng)度；λ(x)為船舶單位航行距離的失誤概率；F(s)為停住船的概率；f(θ)為船舶偏航角分布密度函數(shù)；μx為船舶的航跡橫向分布(幾何分布)均值；σx為船舶的航跡橫向分布(幾何分布)標(biāo)準(zhǔn)差。

式(1)和(2)考慮了年水位變化對(duì)拱圈船撞頻率的影響，式中的角度θ1、θ2由圖2確定。

圖2　拱圈船撞頻率的三概率參數(shù)積分路徑模型示意

f(x)、f(θ)、F(s)分別如下：

(3)

(4)

(5)

2橋梁極限抗船撞能力

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[5-6]，本文將內(nèi)河船舶的撞擊作用點(diǎn)假定為計(jì)算通航水位線以上2 m的橋墩寬度或長(zhǎng)度的中點(diǎn)，內(nèi)河船舶對(duì)橋梁墩臺(tái)的撞擊作用可按“靜力法”來(lái)計(jì)算。

本文采用有限元分析軟件Midas Civil 2010計(jì)算涪陵烏江大橋復(fù)線橋主拱圈在不同高度橫向撞擊力作用下的最大內(nèi)力，并用橋梁博士軟件按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算其拱圈危險(xiǎn)截面的正截面抗壓承載能力，從而求出該橋拱圈的船撞抗力。主橋計(jì)算模型及計(jì)算高程分別如圖3、圖4所示，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖3　主橋拱圈抗力計(jì)算模型

圖4　拱圈自身極限船撞力計(jì)算示意

撞擊點(diǎn)高程/m內(nèi)力軸力/kN彎矩/(kN·m)抗力/kN192.7-1169493368708000185.7-11694933700012900179.7-11694933713429500178-11694933474446200175.3-11694924576051200

注：表中軸力受壓為負(fù)。

3概率評(píng)估綜合分析

3.1參數(shù)取值

3.1.1計(jì)算水位及水流參數(shù)

根據(jù)涪陵烏江大橋復(fù)線橋通航論證報(bào)告，得出其具體水流參數(shù)，見表2。

計(jì)算船撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，考慮到全年的水位變化，先計(jì)算出不同水位下各拱圈單元以及全橋的船撞風(fēng)險(xiǎn)，然后再按照不同水位出現(xiàn)的概率進(jìn)行加權(quán)求和。

3.1.2通航船舶密度及航速

涪陵烏江大橋復(fù)線橋斷面的船舶通航密度見表3。船舶的典型航速上下水分別為4.0、5.0 m/s。

表2　典型水位

表3　橋位處船舶通航量預(yù)測(cè)

3.1.3其他參數(shù)

根據(jù)涪陵烏江大橋復(fù)線橋主橋通航凈空尺度設(shè)計(jì)資料，上下水主航道的航跡均取其航道的中心線，即上水取38.5 m，下水取-38.5 m，標(biāo)準(zhǔn)差取典型船舶船長(zhǎng)85 m。橋梁處于轉(zhuǎn)向水域，轉(zhuǎn)角約80°。偏航角標(biāo)準(zhǔn)值取0°，偏航角標(biāo)準(zhǔn)差取10°。

本文根據(jù)相關(guān)規(guī)定[7]及相關(guān)研究資料[8]對(duì)典型橋梁可接受風(fēng)險(xiǎn)的要求，確定涪陵烏江大橋復(fù)線橋年倒塌可接受風(fēng)險(xiǎn)以10-4/年作為參考。

3.2船撞概率安全評(píng)估結(jié)果及分析

2015、2025和2050年涪陵烏江大橋復(fù)線橋主拱圈在不同水位下的船撞概率安全評(píng)估結(jié)果及其不同區(qū)域的碰撞頻率見表4和圖5。受水流、通航凈高的影響，高水位下拱圈的碰撞范圍較低水位大，碰撞頻率也較高。綜合考慮不同水位出現(xiàn)的概率后得到主拱圈的船撞概率安全評(píng)估結(jié)果。

從圖5可以看出，涪陵烏江大橋復(fù)線橋拱腳部位碰撞風(fēng)險(xiǎn)較高，且隨著年份的增加，碰撞風(fēng)險(xiǎn)也增加。

表4數(shù)據(jù)可以看出，2015年主拱圈年倒塌頻率為5.67×10-7/年，2025主拱圈年倒塌頻率為2.75×10-6/年，2050主拱圈年倒塌頻率為1.10×10-5/年，呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但均低于規(guī)范中重要橋梁的可接受風(fēng)險(xiǎn)10-4/年。

3.3綜合分析

根據(jù)涪陵烏江大橋復(fù)線橋橫橋向船撞主拱圈年碰撞頻率、年倒塌頻率計(jì)算結(jié)果，得到了主拱圈隨年份變化的年碰撞頻率和年倒塌頻率的趨勢(shì)圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著年份增加(通航量不斷增加)，主拱圈年碰撞頻率和年倒塌頻率均不斷增大。盡管隨著通航業(yè)的發(fā)展，涪陵烏江大橋復(fù)線橋船撞風(fēng)險(xiǎn)逐年增加，但至2050年，其主拱圈的船撞風(fēng)險(xiǎn)仍低于重要橋梁可接受風(fēng)險(xiǎn)10-4/年的規(guī)定。

4船撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

4.1行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)水平及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣

為了確定橋梁船撞各風(fēng)險(xiǎn)事態(tài)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣中所處的位置，本文以相關(guān)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合涪陵烏江大橋復(fù)線橋船撞風(fēng)險(xiǎn)自身特點(diǎn)，得到該橋船撞風(fēng)險(xiǎn)概率水平分級(jí)(A～E)，見表5。

表4　2015—2050年涪陵烏江大橋復(fù)線橋主拱圈不同水位下的評(píng)估結(jié)果

圖5　主拱圈不同區(qū)域的碰撞頻率示意

圖6　主拱圈船撞風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)

同時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷程度、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，結(jié)合涪陵烏江大橋復(fù)線橋船撞風(fēng)險(xiǎn)具體的特點(diǎn)制定了船撞風(fēng)險(xiǎn)后果水平分級(jí)(1～5)，見表6。

結(jié)合上述風(fēng)險(xiǎn)概率水平分級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)后果水平分級(jí)，本文提出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，見表7。

4.2等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果及決策

根據(jù)前述風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果和等級(jí)評(píng)價(jià)方法，確定了涪陵烏江大橋復(fù)線橋拱圈的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見表8。

表5　船撞風(fēng)險(xiǎn)概率水平分級(jí)

表6　船撞風(fēng)險(xiǎn)后果水平分級(jí)

表7　船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣

從表8數(shù)據(jù)可知，涪陵烏江大橋復(fù)線橋主拱圈目前處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，但隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)將提高至中風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，故大橋運(yùn)營(yíng)期間需注意并加強(qiáng)管理。

5結(jié)論

1) 根據(jù)船撞風(fēng)險(xiǎn)方法評(píng)估結(jié)果，涪陵烏江大橋復(fù)線橋主拱圈在2015、2025和2050年預(yù)測(cè)通航密度下其年倒塌頻率分別為8.65×10-7/年、4.14×10-6/年、1.60×10-5/年，均小于重要橋梁可接受風(fēng)險(xiǎn)10-4/年的規(guī)范要求。

2) 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估結(jié)果，涪陵烏江大橋復(fù)線橋拱圈處于低風(fēng)險(xiǎn)-中風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，但在橋梁運(yùn)營(yíng)期間需加強(qiáng)管理。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡志強(qiáng)，崔維成.船舶碰撞機(jī)理與耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究綜述[J].船舶力學(xué)，2005，9(2)：131-141.

[2]王君杰，耿波.橋梁船撞概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與措施[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3]戴彤宇.船撞橋及其風(fēng)險(xiǎn)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2002.

[4]莊元，劉祖源.失控船舶撞橋概率分析與預(yù)報(bào)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31(6)：962-965.

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[7]重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì).DBJ/T50-106—2010重慶市三峽庫(kù)區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計(jì)指南[S].重慶：重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，2010.

[8]耿波.橋梁船撞安全評(píng)估[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

Research on Ship Collision Risk of Double-line Bridge in Fuling Wujiang River Bridge

CAO Baiyang1, LI Songlin2

Abstract:The paper studies ship collision risk of double-line bridge in Fuling Wujiang River Bridge to be constructed. In accordance with water flow rate, typical water level, navigation density and speed of ships, net clearance dimension of navigation, track line and limit resistance of bridge to ship collision, etc., the paper determines collision frequency and collapse frequency of arch ring of the bridge by means of the three probability integral method. In addition, the paper determines the risk grade of ship collision the bridge according to the risk level of industry and risk assessment matrix and in combination with the calculated results of the three probability integral method.

Key words:ship collision; track line; three probability integral; collapse frequency; risk grade

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0051-06

中圖分類號(hào)：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：曹佰楊(1982-)，男，重慶市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51008266)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.012