田波

（四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院,四川 成都 610041）

合江長江二橋船舶撞擊風險評估

田波

（四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院,四川 成都 610041）

比較大橋船舶撞擊風險評估各代表性模型，采用《美國公路橋梁設計規(guī)范(AASHTO)》船舶撞擊風險評估方法對合江長江二橋船舶撞擊橋墩進行風險評估，根據(jù)評估結(jié)果進行風險決策，建議采取有效的防撞構(gòu)造措施，以降低或避免碰撞風險發(fā)生的可能。

合江長江二橋；船舶撞擊；風險評估；風險決策

1　大橋船舶撞擊風險評估方法

船舶撞擊橋梁風險是大橋工程風險的重要組成部分，國際上對多座橋梁開展了船撞橋梁的風險評估，并總結(jié)出了大橋船撞風險分析的指導性文件和規(guī)范。

船橋碰撞的研究始于20世紀60年代，目前船舶撞擊風險評估主要有以下幾種代表性模型：

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

（2）Larsen模型是從現(xiàn)象學角度出發(fā)，找出可能導致船撞橋事故發(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、德國昆茲模型和瑞典佩德森模型等；

（4）美國AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型。

與AASHTO規(guī)范相比，Larsen模型計算公式具有混雜性，且在實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)河特點對AASHTO規(guī)范進行修正，強調(diào)狹窄水域和寬闊水域的區(qū)別。而實際操作過程中，美國AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型與實際情況較為吻合。因此，選用美國AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型進行合江長江二橋的船舶撞擊風險評估。

2　工程簡介

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

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

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，對通航水域范圍內(nèi)的21號、22號和23號三個橋墩進行船舶撞擊風險評估是十分必要的。

3　AASHTO船舶撞擊概率模型

參照美國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)航道船舶類型、尺度和裝載情況分類的船舶年通航量（以2050年通航量預測為參考）；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　合江長江二橋主橋布置圖（單位：m）

式中：BR為船舶偏離航線的基準概率，對輪船，取BR=0.6×10-4；對駁船，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，大橋位于直線水域，RB=1.0；橋區(qū)航道轉(zhuǎn)向點距離大橋910 m以內(nèi)時，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)向點距離大橋910～1 920 m時，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，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，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)，與過橋船舶密度有關，規(guī)定低密度時，RD=1.0；平均密度時，RD=1.3；高密度時，RD=1.6。

美國AASHTO規(guī)范計算公式計入了實際船舶操縱性能、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)，標準差為設計船長，以航行中心線為正態(tài)曲線的中值位置，對應的船舶撞擊區(qū)以下的面積即為PG。圖2給出了計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)，標準差σ為設計船長，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AASHTO規(guī)范計算公式中，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（見圖3）。

圖3　船舶一次撞擊橋墩的倒塌概率

4　合江長江二橋船舶撞擊橋梁的概率水平

根據(jù)合江長江二橋所處航道、通航船舶特點、橋區(qū)水文條件、橋梁幾何參數(shù)，結(jié)合大橋橋墩實際設計船撞力，研究大橋?qū)嶋H受船舶撞擊損傷的風險水平，采用AASHTO規(guī)范模型計算通航船舶撞擊橋梁的概率水平進行船舶撞擊橋梁風險分析。

表1　合江長江二橋船舶撞擊橋梁參數(shù)選用

表2　合江長江二橋各橋墩每年受撞擊頻率

在計算合江長江二橋船舶撞擊橋梁的風險概率時，主要考慮實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級船舶在2050年的預測量。對應的受船舶撞擊的橋墩為通航水域范圍內(nèi)的21號（非通航孔）、22號和23號（通航孔）三個橋墩，非通航孔21號橋墩受船舶撞擊主要是考慮在中洪水期最高通航水位時，船舶偏航后對橋墩的撞擊。

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、23號橋墩）受1 000 t級船舶撞擊年頻率為0.547次/a；大橋非通航孔橋墩（21號橋墩）受1 000 t級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　合江長江二橋各橋墩年撞損頻率

5　風險評估及決策

根據(jù)相關行業(yè)的風險決策標準，風險決策與風險造成的后果和風險發(fā)生的頻率有關，這是合理的。發(fā)生頻率低于10-6的風險事件一般可以忽略；發(fā)生頻率10-3～10-5的風險事件由決策者做出選擇，考慮成本等經(jīng)濟因素時采取適當?shù)慕档惋L險的措施；高于10-3的發(fā)生頻率是不可接受的。行業(yè)風險評估矩陣及風險決策準則詳見表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，關鍵性橋梁整橋最大的年撞損頻率低于10-4。合江長江二橋?qū)訇P鍵性橋梁工程，應盡量降低大橋受船舶撞塌的風險，橋墩整體采用10-4撞損頻率進行設計控制是合理的。

表4　風險評估矩陣

表5　風險決策準則

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，主墩風險指標應為1D～2D，處于中高風險區(qū)，輔助墩風險指標應為3D～4D，處于低風險區(qū)。

6　結(jié)　語

船舶撞擊橋梁可接受風險標準是多指標的，但作為船撞風險的分析評估，主要以橋梁結(jié)構(gòu)安全為風險分析依據(jù)。參照美國AASHTO規(guī)范，橋梁遭受船舶嚴重碰撞的年頻率低于10-4是可以接受的。通過AASHTO規(guī)范船撞橋概率模型對合江長江二橋的通航水域橋墩進行船撞風險分析及評估后，建議針對22號、23號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險發(fā)生的可能。

U447

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1009-7716（2016）02-0111-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.029

2015-09-11

田波（1974-），男，重慶萬州人，工程碩士，高級工程師，從事橋梁工程設計及研究工作。