郭智剛,陳 楊,周先通

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院,上海 201418； 2.香港理工大學(xué)土木及結(jié)構(gòu)工程學(xué)系,香港九龍紅磡； 3.椒江二橋建設(shè)指揮部,浙江臺州 318000)

基于風(fēng)險評估的橋梁船撞角度分析

郭智剛1,陳 楊2,周先通3

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院,上海 201418； 2.香港理工大學(xué)土木及結(jié)構(gòu)工程學(xué)系,香港九龍紅磡； 3.椒江二橋建設(shè)指揮部,浙江臺州 318000)

近年來世界范圍內(nèi)發(fā)生了多宗船撞事故,合理地對橋梁進行船撞風(fēng)險評估是非常重要的。AASHTO船撞設(shè)計指南中模型是最常用的計算橋梁年倒塌頻率的模型。然而,與橋梁倒塌頻率有關(guān)的船撞力計算公式中只考慮了船舶的速度,并未考慮船舶撞擊橋梁的方向。以椒江二橋為工程背景,采用美國AASHTO船撞設(shè)計指南中計算橋梁年倒塌頻率的模型對橋梁船撞角度進行分析。在未考慮防撞系統(tǒng)和考慮防撞系統(tǒng)情況下,分析船舶撞擊橋梁時的角度對椒江二橋的年倒塌頻率的影響。結(jié)果表明,在未考慮防撞系統(tǒng)情況下船舶撞擊椒江二橋的角度不能超過31°,在考慮防撞系統(tǒng)情況下船舶撞擊椒江二橋的角度不能超過37°,否則會超過椒江二橋可接受的年倒塌頻率。建議對超過該角度的船舶進行警示,以保證橋梁和船舶的安全。

船撞橋；橋梁年倒塌頻率；風(fēng)險評估；角度分析

自20世紀90年代以來，我國航道上船舶噸位越來越大，同時跨越航道上的橋梁也迅速增多。于是，船撞橋梁風(fēng)險也越來越大。因此，已建和規(guī)劃建設(shè)的橋梁都在進行橋梁船撞風(fēng)險評估，從而如何分析橋梁船撞的風(fēng)險[1-10]就成為工程師關(guān)心的問題。船撞橋梁風(fēng)險評估就是評估橋梁被船舶撞到的概率或年倒塌頻率，是在已知橋梁抗力情況下對橋梁結(jié)構(gòu)做安全驗算。2009年美國制定的AASHTO船撞設(shè)計指南[11](第二版)中對橋梁船撞風(fēng)險進行分析，提出了一個計算橋梁年倒塌頻率的模型，橋梁的年倒塌頻率與船舶的年通航量、偏航概率、碰撞概率、倒塌頻率有關(guān)。姜華和王君杰[12]基于風(fēng)險思想從數(shù)學(xué)上進行推演確定船撞設(shè)防力，對船撞橋梁概率模型進行了評述。陳國虞[13]考慮了船和橋梁有防撞裝置，推導(dǎo)出有防撞裝置的船撞力公式。一些專家基于風(fēng)險思想對潤揚大橋[14]、美國陽光大道橋[15]、嘉陵江大橋[16]、西堠門特大橋[17]、粉房灣長江大橋[18]、上海長江大橋[19]進行了船撞橋梁風(fēng)險評估。

AASHTO船撞設(shè)計指南中模型是最常用的計算橋梁倒塌頻率的模型。然而，與橋梁倒塌頻率有關(guān)的船撞力計算公式中只考慮了船舶的速度，并未考慮船舶撞擊橋梁的方向。因此，以椒江二橋為工程背景，基于AASHTO船撞設(shè)計指南中計算橋梁年倒塌頻率的模型，考慮船舶撞擊橋梁時的方向，計算得到橋梁在未考慮防撞措施和考慮防撞措施情況下的年倒塌頻率，從而分析船舶撞擊橋梁方向?qū)方虻哪甑顾l率的影響，為橋梁設(shè)計和船舶安全航行提供依據(jù)。

1 橋梁船撞倒塌頻率確定方法[11]

1.1 年倒塌頻率的確定

美國的AASHTO規(guī)范在橋梁船撞風(fēng)險評估設(shè)計方面是相對比較完善，因此根據(jù)美國AASHTO規(guī)范，橋梁各個橋墩的年倒塌頻率為

式中,AF為橋梁的年倒塌頻率；N為船舶年通航量；PA為船舶的偏航概率；PG為碰撞的幾何頻率；PC為橋梁倒塌頻率[8]。

1.2 偏航概率PA

偏航概率PA為船舶偏離正常航線可能會撞擊橋梁的統(tǒng)計概率。PA可由歷年來船舶碰撞而導(dǎo)致擱淺的數(shù)據(jù)得到，按下式進行計算

式中BR——偏航基準概率，BR=1.2×10-4(駁船)，BR=0.6×10-4(輪船)；

RB——橋位修正系數(shù)，RB=1.0(橋區(qū)位于直航道上)，RB=1+θ/45°(橋區(qū)位于航道轉(zhuǎn)向點914 m以內(nèi)，θ為航道轉(zhuǎn)角或彎曲度)，RB=1+θ/90°(橋區(qū)位于航道轉(zhuǎn)向點914～1 828 m)；

RC——平行水流修正系數(shù)，Rc=1+Vc/19(Vc為平行于航線的水流流速)；

RXC——橫流修正系數(shù)，RXC-=1+0.54VXC(VXC為垂直于航線的水流流速)；

RD——船舶交通密度修正系數(shù)，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。

1.3 幾何概率PG

式(1)中幾何概率PG屬于條件概率，是在船舶靠近橋梁的區(qū)域內(nèi)失去控制而偏離航線的概率。在靠近橋墩區(qū)域，AASHTO規(guī)范中采用的偏離航線是正態(tài)分布曲線。本文船舶偏離航線的均值位置為航道中心線，標準差為船舶長度。因此，幾何概率為船撞橋梁區(qū)域的面積，如圖1所示。

圖1 幾何概率定義

1.4 倒塌頻率PC

式(1)中倒塌頻率PC與橋墩本身的抗撞擊能力有關(guān)。因此，AASHTO規(guī)范[11]規(guī)定由橋墩的極限抗力與船舶撞擊力的比值來確定倒塌頻率PC。

PC的取值分下面幾種情況。

式中H——橋梁的抗力；

P——船舶撞擊力[11]。

倒塌頻率曲線如圖2所示。

圖2 倒塌頻率分布

1.5 船舶撞擊力

對于式(3)～(5)中船舶撞擊力P的取值，美國AASHTO規(guī)范中的計算公式為

式中V——船舶撞擊速度；

DWT——船舶排水量[8]。

1.6 船舶撞擊速度

在模擬偏航船舶的速度分布時，AASHTO規(guī)范采用了三角形分布。同時，AASHTO規(guī)范認為船舶航速從航道邊緣到3倍船舶長度的距離內(nèi)呈線性減小的降低規(guī)律。

因此，船舶的典型航速作為最大速度，平均水流速度作為最小速度。圖3為船舶撞擊速度分布。

注：V—設(shè)計撞擊速度；

x—船舶距橋墩的距離；

VT—船舶的典型航速；

Vmin—船舶撞擊橋墩的最小速度；

xc—船舶距航道邊緣的距離；

xL—離航道中心線3倍船舶長度的距離。

圖3撞擊速度分布

1.7 橋墩撞損概率

根據(jù)AASHTO規(guī)范，一般橋梁的最大年倒塌頻率≤10-3。而重要性橋梁的最大年倒塌頻率≤10-4。椒江二橋?qū)儆谥匾怨こ?，?yīng)該盡量減少椒江二橋受船舶撞擊的風(fēng)險。因此，橋墩整體年倒塌頻率采用10-4。

因此，本文中椒江二橋的年倒塌可接受風(fēng)險確定為AFaccept=1×10-4。風(fēng)險分配總體原則為各可能受撞橋墩基本平分，并且考慮到主塔的重要性，主塔橋墩的風(fēng)險略小于過渡墩和輔助墩等的風(fēng)險。

2 工程背景

椒江二橋工程位于臺州市椒江入?？?，工程全長8.09 km，主橋全長3 702 m。主航道橋為70 m+140 m+480 m+140 m+70 m的鉆石型雙塔雙索面斜拉橋(圖4)。在橋梁船撞風(fēng)險計算中采用表1所示的預(yù)測通航量。

圖4 椒江二橋主航道橋立面(單位：m)

表1 通過椒江二橋的貨運量及船舶數(shù)預(yù)測[20]

3 椒江二橋年倒塌頻率

本文考慮0°、15°、30°、45°四種船撞橋墩角度方向?qū)方虻哪甑顾l率的影響，如圖5所示。因此，考慮船撞橋墩角度的因素，對式(6)進行修正，船撞橋墩力PS沿縱向和橫向進行分解。

由不同噸位的船舶得到船舶的尺寸，根據(jù)1.6節(jié)得到船舶的速度，然后代入到式(7)～式(8)，得到船舶撞擊力。將船舶撞擊力代入到式(3)～式(5)，得到橋梁倒塌頻率PC(此處計算用到的橋梁設(shè)防標準船撞力，主橋墩為41 MN，輔助墩為21.5 MN，過渡墩為13 MN，來自椒江二橋指揮部提供的椒江二橋船撞設(shè)防標準研究報告)。然后分別計算PA和PG，代入式(1)，得到橋梁各個橋墩的年倒塌頻率。

圖5 船撞橋墩角度

3.1 未考慮防撞系統(tǒng)的年倒塌頻率

表2和表3分別為各個撞擊角度在縱向、橫向方向的橋梁年倒塌頻率。從表2和表3可以看出，隨著角度的增大，沿縱向方向年倒塌頻率隨之增大，沿橫向方向年倒塌頻率隨之減小。在30°時年倒塌頻率未超過1.0×10-4，而在45°時年倒塌頻率超過1.0×10-4，并不清楚在30°～45°之間哪個角度時的年倒塌頻率會超過1.0×10-4。因此從30°開始以1°的角度遞增，分析每遞增1°角度時的年倒塌頻率。

表2 各個角度在縱向方向年倒塌頻率

表3 各個角度在橫向方向年倒塌頻率

圖6為2030年30°～35°之間的年倒塌頻率，從圖6可以看出，超過31°橋梁的年倒塌頻率超過整橋的最大年倒塌頻率1.0×10-4，是對橋梁不利的。

圖6 不同撞擊角度的年倒塌頻率

3.2 考慮防撞系統(tǒng)的年倒塌頻率

椒江二橋指揮部安裝了橋梁主動防撞系統(tǒng)，橋梁主動防撞系統(tǒng)包括AIS監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。圖7為AIS監(jiān)控船舶軌跡的軟件顯示界面，這里不詳細展開。Larsen[21]提到安裝VTS系統(tǒng)后，船撞橋梁的風(fēng)險將會減少2～3倍。表4為5個國家安裝VTS系統(tǒng)后船撞橋梁風(fēng)險的減少倍數(shù)。盡管椒江二橋安裝的是AIS系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但參考表4，近似認為安裝橋梁主動防撞系統(tǒng)后，年倒塌頻率比沒有考慮防撞措施的年倒塌頻率減少2.5倍。

圖7 AIS監(jiān)控軟件顯示界面

表4 不同國家減少倍數(shù)

表5和表6分別為各個撞擊角度在縱向、橫向方向的橋梁年倒塌頻率。從表4和表5可以看出，隨著角度的增大，沿縱向年倒塌頻率隨之增大，沿橫向年倒塌頻率隨之減小。在30°時年倒塌頻率未超過1.0×10-4，而在45°時年倒塌頻率大于1.0×10-4。因此從30°開始以1°的角度遞增，分析每遞增1°角度時的年倒塌頻率。

圖8為2030年35°～40°之間的年倒塌頻率，從圖8可以看出，超過37°橋梁的年倒塌頻率超過整橋的最大年倒塌頻率1.0×10-4，對橋梁是不利的。

表5 各個角度在縱向方向年倒塌頻率

表6 各個角度在橫向方向年倒塌頻率

圖8 不同撞擊角度的年倒塌頻率

4 結(jié)論

對橋梁進行防撞風(fēng)險評估是一個涉及范圍很廣的研究課題，具有重大的工程背景和現(xiàn)實意義。美國制定的AASHTO船撞設(shè)計提供了很好的船撞橋梁風(fēng)險分析方法。然而，該指南中與橋梁倒塌頻率有關(guān)的船撞力計算公式中只考慮了船舶的速度，并未考慮船舶撞擊橋梁的方向。以椒江二橋為工程背景，考慮了船舶撞擊橋梁方向?qū)方虻哪甑顾l率的影響，對計算橋梁年倒頻概率的公式進行了修正。結(jié)果顯示，在未考慮防撞系統(tǒng)情況下船舶撞擊椒江二橋的角度不能超過31°，在安裝了橋梁主動防撞系統(tǒng)后，船舶撞擊椒江二橋的角度不能超過37°，否則會超過椒江二橋可接受的年倒塌頻率。因此，可以建議航運部門對經(jīng)過橋區(qū)的船舶航跡進行監(jiān)測，對超過該角度的船舶進行警示，以保證橋梁和船舶的安全。并以此可以推廣到其他橋梁，為橋梁設(shè)計和船舶安全航行提供依據(jù)。

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Angle Analysis of Vessel Colliding with Bridge Based on Risk Assessment

GUO Zhi-gang1, CHEN Yang2, ZHOU Xian-tong3

(1. School of Railway Transportation, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China; 2. Department of Civil and Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom, Kowloon, Hong Kong; 3. The Second Jiaojiang Bridge Construction Headquarters, Taizhou 318000, China)

In recent years, ship-bridge collision accidents have been widely reported worldwide and it is of great importance to evaluate the risk of ship-bridge collision. The AASHTO model in the guide specification and commentary for vessel collision prevention design of highway bridges is the most common one to calculate the collapse probability of bridges. However, the ship-bridge collision force formula is only related to the speed of the ship, but fails to consider the direction of ship-bridge collision. The angle of ship-bridge collision is analyzed with AASHTO model. Taking the second Jiaojiang Bridge as the engineering background, the ship-bridge collision angle is analyzed to address the influence of collapse probability with and without anti-collision system. The results show that the angle of ship-bridge collision should not exceed 31 degree without anti-collision system, while the angle of ship-bridge collision should not exceed 37 degree with anti-collision system. Otherwise, the collapse frequency of second Jiaojiang Bridge could exceed the accepted risk criterion. Thus, it is suggested that any ship should be warned once the ship passes the bridge at exceeded angle.

Vessel-bridge collision; Collapse probability of bridge; Risk assessment; Angle analysis

1004-2954(2018)01-0088-05

2017-03-03；

2017-03-17

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目子課題(2013CB036300)；上海市高校青年教師培養(yǎng)資助項目(ZZyy15111)

郭智剛(1984—)，男，講師，2013年畢業(yè)于同濟大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)博士，從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究，E-mail:zhigangguo@sit.edu.cn。

U447

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703030002