基于風險可接受程度的橋梁通航凈寬尺度設計

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(武漢理工大學 航運學院，武漢 430063)

目前國內(nèi)橋梁通航凈寬尺度設計多是依據(jù)國家通航標準進行的。標準中規(guī)定，當水上過河建筑物的附近可能出現(xiàn)紊流時，其通航凈寬應在規(guī)定的通航基礎上加大，增加值宜通過模擬實驗研究決定[1]?！锻ê胶］啒蛄和ê綐藴省芬?guī)定橋梁通航凈空寬度等于航道有效寬度與擴大系數(shù)的乘積[2]。無論是紊流區(qū)的增加值還是擴大系數(shù)的確定都還存在爭議[3-5]。目前的橋梁通航凈寬尺度計算主要是基于船橋碰撞的概率，這種方法有一定的局限性。小事故(事故后果較輕微)發(fā)生的概率大，而重大事故(事故后果極其嚴重)發(fā)生的概率小，如果只考慮事故發(fā)生的概率，則會導致對重大事故的預防預警不足。因此，考慮以可接受的風險程度為基礎進行橋梁通航凈寬尺度的計算，并以不同排水量的船舶為例對本模型進行驗算。

1 船橋碰撞風險模型

船橋碰撞風險R是一個包含兩個維度的概念，即碰撞事故發(fā)生的概率f及后果C。

概率f包含了所有船撞橋的情形，如船正面(或側(cè)面)碰撞橋墩，大(小)排水量船舶以高速(低速)碰撞橋墩等，所有這些情況造成的后果各不相同，因此船撞橋的風險R為：

×Ci

(1)

式中：fi——第i種碰撞情形發(fā)生的概率；

Ci——第i種碰撞情形造成的后果。

1.1 船橋碰撞風險的測度

1.1.1 船撞橋概率的測度

目前在船橋碰撞領域廣泛使用的概率模型有很多[6-8]，結(jié)合目前的實際情況考慮采用經(jīng)修正的戴彤宇模型，該計算模型參照的概率分布見圖1。并將該模型表達為

(2)

式中：F——橋梁年碰撞頻率；

Qi——單位時間內(nèi)第i類船的船舶流量；

fi——第i類船的碰撞影響系數(shù)；

Pij——第i類船與第j個橋墩或橋梁構(gòu)件碰撞的幾何概率；

E——橋墩紊流總寬度。

A、B參見圖1。

圖1 修正模型幾何概率分布示意

該船橋碰撞概率模型對戴彤宇模型的主要修正之處在于對船橋碰撞幾何概率Pij的積分區(qū)間增加橋墩紊流區(qū)。這是因為當船身離墩非常近但沒有航行到碰撞橋梁的航線上時，船舶在駛離橋墩的路徑中很可能會發(fā)生船體甩而直接掃到橋墩，類似這樣的事故主要是因為橋墩的阻水作用而使墩周以及兩墩之間的水流情況變得異常復雜。船舶處于橋墩紊流水域時，由于水流流態(tài)紊亂，船舶操縱性能急速下降，船舶擦碰到橋墩的危險性極大，因此在計算船橋碰撞概率時有必要考慮橋墩紊流區(qū)對船舶的影響。

1.1.2 船橋碰撞事故后果的測度

就船橋碰撞系統(tǒng)中的兩個主體船和橋而言，結(jié)果分為兩種：船舶的損傷和橋的損壞。為了定量分析事故的后果，有必要對事故后果指標進行選擇和優(yōu)化。選擇以橋梁的損壞為船橋碰撞事故后果的度量標準。

根據(jù)我國橋梁建筑的劃分習慣，將橋梁損壞劃分為①基本完好、②輕微破壞、③中等破壞、④嚴重破壞、⑤倒塌[9]，相應的量化見表1。

表1 船撞橋后果量化結(jié)果

1.2 基于可接受風險程度的通航凈寬尺度

1.2.1 風險可接受程度

關(guān)于船撞橋事故的風險分析，僅考慮船橋相撞年度風險，即年度船橋碰撞風險曲線。就風險接受而言，目前海事領域還沒有一個通用標準，IMO認可的標準是船員最大可忍受風險值為10-3/年，旅客為年10-4/年，岸上公眾為年10-4/年，可忽略值為年10-6/年。我國水上交通領域通常以10-4/年作為主要安全功能削弱的可能受限值，以10-5/年作為風險頻率的極限[10]。

根據(jù)風險準則、綜合表1的后果劃分及船橋碰撞的頻率，將風險分別用定性和定量的方式表示，見圖2。

1.2.2 基于風險可接受程度的橋梁通航凈寬

由式(3)可知，船舶與橋梁發(fā)生碰撞的頻率是關(guān)于A、B的函數(shù)，而A、B兩點的坐標是由橋墩的相對位置確定的(見圖1)，則根據(jù)可接受風險標準，即碰撞頻率與后果的乘積的可接受區(qū)間即可求出滿足通航安全要求的橋梁通航凈空寬度。

圖2 風險水平示意

2 算例分析

以某通航橋孔為例，只考慮船舶排水量，假設船舶在橋區(qū)水域的航速均為6 kn，船舶均為正面撞擊橋墩，所取設計船型為同一種類的船舶，為研究方便，取船型為油船，船舶影響系數(shù)均取為0.07，橋墩寬度9 m，紊流區(qū)寬度取2.4 m。該水域的船型概況及船舶與橋墩的撞擊力見表2。

表2 設計船型概況及船橋碰撞的撞擊力

船與橋梁碰撞的頻率及橋梁通航凈寬尺度的關(guān)系見圖3。

圖3 船橋碰撞頻率與橋梁通航凈寬尺度關(guān)系

將表2與圖3的結(jié)果與可接受風險水平對照，得到基于風險的橋梁通航凈寬尺度，見表3。

表3中的規(guī)范計算值是指在一般橫流條件及最大橫流條件下的值。由表3可知，當橋梁凈寬尺度滿足廣泛可接受區(qū)的橋梁通航凈寬最小尺度時，基本上可以滿足最大橫流條件時的橋梁凈寬要求，而最低合理可行限度區(qū)橋梁通航凈空最小尺度與規(guī)范中最大橫流時的橋梁通航凈寬要求有一些差異?？梢钥闯鲆?guī)范設計值相對保守，最低合理可行限度區(qū)是指為保證一定的效益，社會能夠容忍存在一定范圍內(nèi)的風險。它是不容忽視和需要保持監(jiān)測的風險界限，如果可能，應進一步減少其程度。表3中廣泛可接受區(qū)的橋梁通航凈寬最小寬度與最低合理可行限度區(qū)的橋梁通航凈寬最小寬度的計算都依賴于船舶航跡分布參數(shù)(μ，σ)，參數(shù)取值不同，計算結(jié)果也不同。航跡分布參數(shù)體現(xiàn)的是駕駛員的操船水平，不同的駕駛員操船水平不同，但是橋梁通航凈寬尺度是基于可接受風險水平計算的，即考慮一定水平的航跡分布，而不是考慮所有可能的極端情況。

表3 基于風險可接受的橋梁通航凈寬尺度

3 結(jié)論

從計算結(jié)果來看，該方法一方面體現(xiàn)出船橋碰撞事故發(fā)生概率與后果的的關(guān)系，即事故發(fā)生的頻率與事故的后果是負相關(guān)的，后果嚴重事故的發(fā)生概率要小一些。這在一定程度上克服了由經(jīng)驗導致的不確定性。另一方面，該方法計算所得橋梁通航凈寬尺度與現(xiàn)有規(guī)范相比更加嚴格、謹慎。由于方法是基于風險可接受程度的，不但考慮了安全需要，也在一定程度上體現(xiàn)了成本因素，可以為優(yōu)化設計提供借鑒。

研究只考慮了船舶排水量因素，而在實際航行過程中，船舶類型、船舶航速、船舶航向?qū)Υ瑯蚺鲎驳母怕始昂蠊杏绊?，因此，本模型計算結(jié)果與實際情況存在一定誤差。另外，船舶的航跡分布取決于操船水平，因此對于船舶航跡分布參數(shù)的選取還需要人為通過模擬實驗或?qū)嵈瑢嶒瀬慝@得，在精度上還難以令人滿意，這也是今后研究的重點。

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