歐禮堅(jiān)

摘 要：由于已建跨河橋梁設(shè)計(jì)航道等級(jí)普遍偏低，船舶大型化發(fā)展日趨明顯，雖然船舶大型化具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但是導(dǎo)致超航道等級(jí)船舶通過(guò)橋區(qū)水域安全風(fēng)險(xiǎn)增加。從船舶綜合安全評(píng)估的角度出發(fā)，深入研究船撞橋的安全風(fēng)險(xiǎn)是十分必要的。本文基于AASHTO模型獲得了船撞橋概率，分析了船舶結(jié)構(gòu)損壞程度和傾覆力矩，評(píng)估了船舶翻沉和橋梁倒塌的風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害水平。

關(guān)鍵詞：船撞橋；安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.313 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The large-scale development of ships is becoming increasingly obvious for pursuing the economic benefits， but it results in a fact that there is an increasing safety risk when large cargo ships pass the bridge area waters. From the point of view of vessels integrated safety assessment， its very necessary to make a deep study of the safety risk of ship collision with bridge. Based on the AASHTO model， the probability of ship collision with bridge is obtained， the damage degree and overturning moment of the ship structure are analyzed， and the risk disaster level of the ships overturning and the collapse of the bridge is assessed.

Key words： Ships collision with bridge； Safety risk assessmen

1 引言

船舶大型化有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，其單位運(yùn)力的船舶造價(jià)、能源消耗以及CO2等有害氣體的排放量均顯著下降。但船舶大型化發(fā)展也面臨諸多技術(shù)與管理方面的制約因素。在船舶大型化的進(jìn)程中，必須秉持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，在追求低碳、環(huán)保、節(jié)能、高效和低成本的同時(shí)，應(yīng)降低船舶航行安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，除了研究船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水動(dòng)力性能和建造技術(shù)外，還應(yīng)該加強(qiáng)船舶運(yùn)營(yíng)技術(shù)的研究，特別是評(píng)估船舶營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)[1]。

內(nèi)河船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)日趨明顯。航道維護(hù)等級(jí)以及現(xiàn)有橋梁的設(shè)計(jì)等級(jí)偏低的現(xiàn)象十分普遍，很難滿(mǎn)足內(nèi)河船舶大型化發(fā)展需求，對(duì)大型船舶的航行構(gòu)成較大的安全隱患。廣東省主要航道約有54%的已建跨河橋梁不能滿(mǎn)足規(guī)劃航道等級(jí)所對(duì)應(yīng)的通航凈空尺度要求，嚴(yán)重制約了內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展[2]。從航運(yùn)效益的充分發(fā)揮及經(jīng)濟(jì)環(huán)保角度，船舶大型化是大勢(shì)所趨，在享受船舶大型化的進(jìn)程中帶來(lái)低碳、環(huán)保、節(jié)能、高效和低成本的同時(shí)，應(yīng)通過(guò)評(píng)估船舶營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，降低事故發(fā)生的概率和災(zāi)害水平[3]。

船撞橋風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的災(zāi)害水平是非常巨大的，也是內(nèi)河船舶大型化帶來(lái)的最大風(fēng)險(xiǎn)之一。歐洲內(nèi)河船舶與主橋墩碰撞事故表明：當(dāng)橋的主跨小于2倍船長(zhǎng)或者小于2倍航寬時(shí)，比較容易發(fā)生船撞橋事故[4][5] [6]。O.D.Larsen[7]認(rèn)為：橋區(qū)平直航行水域的長(zhǎng)寬指導(dǎo)值為8倍船長(zhǎng)和3.2倍船長(zhǎng)。因此，橋梁通航凈空尺度對(duì)于船舶通航安全影響最大，從船舶綜合安全評(píng)估的角度出發(fā)，深入研究船舶航行過(guò)程中碰撞橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)是十分必要的。

2 船撞橋安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 船撞橋概率計(jì)算

2.1.1船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的概率模型

AASHTO[4]船撞橋概率模型可操作性較強(qiáng)，被廣泛采用。AASHTO 模型采用基于碰撞概率分析方法，假設(shè)船舶在行駛時(shí)有預(yù)定航路，航路與橋梁之間有足夠的安全距離。船舶在航行過(guò)程中，由于某些原因進(jìn)入到可能與橋梁產(chǎn)生碰撞的區(qū)域，若此時(shí)船舶失去了控制，將導(dǎo)致船撞橋事故發(fā)生。AASHTO 模型船撞橋概率包括船舶進(jìn)入可能產(chǎn)生碰撞的航路區(qū)域的概率和船舶失去控制的概率。

船舶進(jìn)入可能碰撞航路區(qū)域的概率稱(chēng)為幾何概率pG，船舶失去控制的概率稱(chēng)為偏航概率pA，則船撞橋概率p為：

P = PA + PG （1）

偏航概率pA代表船舶由于人、機(jī)、環(huán)境因素等導(dǎo)致船舶偏離正常航路的統(tǒng)計(jì)概率。AASHTO [8]模型采用正態(tài)分布來(lái)模擬靠近橋墩的偏航船舶的航路，見(jiàn)圖1。假定正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ為船舶總長(zhǎng)，圖中陰影面積即為幾何概率 pG。

2.1.2 單航次船撞橋概率

船舶從A港航行到B港共通過(guò)n座橋，船舶與每座橋的橋墩碰撞概率分別為P1，P2，……Pi，……Pn。

2.1.3 定航線船舶碰撞橋墩概率

船舶從A港航行到B港共需通過(guò)n座橋，船舶在一年內(nèi)共從A港和B港航行x航次，營(yíng)運(yùn)期限為y年。

則定航線船舶y年?duì)I運(yùn)期內(nèi)與橋墩發(fā)生碰撞的概率P為：

根據(jù)AASHTO模型：

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)決策方法

船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)（R）是船撞橋的概率（p）及其造成的損失（c）的某種函數(shù)形式，其表達(dá)式如下：

基本流程包括風(fēng)險(xiǎn)定義、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。根據(jù)事故的后果將風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度分成若干等級(jí)，并考慮各種災(zāi)害發(fā)生的概率水平，將各種災(zāi)害下的事故后果和災(zāi)害發(fā)生的概率水平結(jié)合起來(lái)，定出風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則。

首先，根據(jù)事故的后果將風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度分成四個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表1）；其次，劃分各種災(zāi)害發(fā)生的概率水平（見(jiàn)表2）；第三，將各種災(zāi)害下的事故后果和災(zāi)害發(fā)生的概率水平結(jié)合起來(lái)決定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（見(jiàn)表3）；最后，確定風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則（見(jiàn)表4）。

3 船撞橋安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用

D水道為珠江三角洲航運(yùn)主干道，由內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道提升為內(nèi)河Ⅱ級(jí)航道并兼顧港澳線航線。由于航道規(guī)劃等級(jí)的調(diào)整，使部分已建跨河橋梁不能完全滿(mǎn)足規(guī)劃航道對(duì)應(yīng)的通航凈空尺度要求。以D水道的典型河段作為研究對(duì)象，7座橋梁均采用單孔雙向通航方式，通航凈高均不小于10 m。其它主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

D水道的船舶通航密度大、船舶噸位大、近年來(lái)水上交通流量平均約550艘次/天，其中大部分為載重量3 000 DWT以上的自卸砂船，主要船型的主尺度（船長(zhǎng)×型寬×吃水×型深（m））為A（83×15.6×4.2×4.8）、B（86.8×20×4.4×5）、C（90×20×4.5×5.1）和D（99.8×20×5.2×5.9）。

3.1 船撞橋概率分析

根據(jù)調(diào)查，貨船每年通過(guò)研究河段的7座橋梁為200航次；船舶單航次偏航概率，普通船舶約為0.6x10-4。假設(shè)不同漂角β，計(jì)算營(yíng)運(yùn)1年期船撞橋的概率如表6。

3.2 船撞橋造成船體結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)分析

船首與剛性物體碰撞時(shí)，船首結(jié)構(gòu)損壞長(zhǎng)度為[4]：

式中：KE為船舶碰撞能量 （kip-ft）；Ps 為船的作用力 （kip）；W為船舶排水量 （tonne）； V為船舶碰撞速度 （ft/s）；CH 為附件質(zhì)量系數(shù)；DWT為船舶載重量 （tonne）；V為船舶碰撞速度 （ft/s）。

由表7可知，船舶碰撞橋墩導(dǎo)致船首結(jié)構(gòu)損壞長(zhǎng)度較小，未損壞防撞艙壁，結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)后果屬于輕微的。結(jié)合災(zāi)害概率分類(lèi)和風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)屬于中風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點(diǎn)安全檢查和管理。

3.3 船撞橋造成船舶傾覆風(fēng)險(xiǎn)分析

墩臺(tái)承受船舶撞擊力可按下式計(jì)算[5]：

式中：γ為動(dòng)能折減系數(shù)（s/m0.5）。當(dāng)船舶斜向撞擊墩臺(tái)（指船舶航行方向與撞擊點(diǎn)處墩臺(tái)面法線方向不一致）時(shí)可取γ=0.2；正向撞擊（指船舶航行方向與撞擊點(diǎn)墩臺(tái)面處法線方向一致）時(shí)可取γ=0.3；V為船舶撞擊墩臺(tái)時(shí)的速度（m/s）；α為船舶航行方向與墩臺(tái)撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角，應(yīng)根據(jù)具體情況確定， 如有困難，可采用α=20°，W為船舶重量（kN）；C1 、C2為船舶彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)彈性變形系數(shù)， 缺乏資料時(shí)可取C1 +C2 =0.000 5 。

側(cè)向碰撞力產(chǎn)生的傾覆力矩和力臂：

式中：M為傾覆力矩 （kN.m）； F為側(cè)向碰撞力（kN）；Zg為垂向重心高（m）； Zf為側(cè)向力作用點(diǎn)高（m）；l為傾覆力臂 （m）；g為重量加速度（m/s2）

若l>Lqo，則船撞橋?qū)е麓皟A覆。

由表8可知，船舶若發(fā)生與橋墩側(cè)碰，船舶不傾覆則后果屬于輕微的。結(jié)合災(zāi)害概率分類(lèi)和風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)屬于中風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點(diǎn)安全檢查和管理。

3.4 船撞橋造成橋梁損壞風(fēng)險(xiǎn)分析

在計(jì)算得出橋梁的船撞力以及橋墩的抗撞能力后，可以評(píng)價(jià)發(fā)生單次撞擊時(shí)橋墩的破壞概率，用Pc表示，其含義是指船撞力大于橋墩抗撞能力從而引起橋墩破壞的概率。美國(guó)AASHTO規(guī)范給出橋梁結(jié)構(gòu)被撞以后的安全狀態(tài)，提出了以橋梁抵抗力與撞擊力比值為基礎(chǔ)的倒塌概率曲線，見(jiàn)圖2。

當(dāng)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度大于船舶撞擊力時(shí)，Pc=0；當(dāng)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度介于船舶撞擊力的10%和100%之間時(shí)，Pc在0到0.1之間線性變換；當(dāng)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度小于船舶撞擊力的10%時(shí)，Pc在0.1到1之間線性變化。美國(guó)AASHTO規(guī)范的模型，是應(yīng)用最為廣泛的。

根據(jù)式（9）可計(jì)算船舶碰撞橋墩撞擊力，如表9所示。

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)撞擊作用力與船舶撞擊力的比值，查圖2可得橋梁倒塌概率，再結(jié)合船舶在該航道營(yíng)運(yùn)1年碰撞橋墩的概率，即可得出船舶營(yíng)運(yùn)1年造成橋梁坍塌的概率，如表10所示。

由表10可知，船舶以限制航速航行時(shí)，碰撞橋墩導(dǎo)致橋梁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)屬于中風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點(diǎn)安全檢查和管理。

4 結(jié)論

根據(jù)水上交通事故統(tǒng)計(jì)資料，2012～2015年間水上交通事故呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，D水道水上交通事故共28宗，均為一般等級(jí)事故。船舶大型化并沒(méi)有導(dǎo)致船撞橋事故的惡化，這與本文采用安全評(píng)估方法獲得的“中風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點(diǎn)安全檢查和管理”的結(jié)論是一致的。

參考文獻(xiàn)

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