鵝公巖長江大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析

何佳，張雪松，段鋆

（1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400016；2重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；3四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，成都 610047）

鵝公巖長江大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析

何佳1，張雪松2，段鋆3

（1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400016；2重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；3四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，成都 610047）

該文針對(duì)目前經(jīng)常發(fā)生的船撞橋事故，依托重慶鵝公巖長江大橋并根據(jù)模型水工試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)各種計(jì)算參數(shù)，采用目前國際上應(yīng)用較多的AASHTO規(guī)范方法計(jì)算鵝公巖大橋在2010年、2020年和2050年的年碰撞概率和年倒塌概率。由計(jì)算出的年碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率來評(píng)估鵝公巖大橋各橋墩在不同年份下的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)各墩所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采取相對(duì)應(yīng)的防撞措施來降低大橋運(yùn)營期間遭受的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

鵝公巖；船撞風(fēng)險(xiǎn)；偏航；倒塌；動(dòng)能折減；鵝公巖大橋

0 引言

三峽工程分期蓄水至今，隨著長江上游河段的水位不斷上升，河道過水?dāng)嗝嬖黾?，流速減小，船舶通航條件得到較大改善，重慶鵝公巖大橋河段通行的船舶數(shù)量逐年遞增，船舶的噸位和尺度均朝著大型化發(fā)展，船舶運(yùn)輸業(yè)在重慶社會(huì)經(jīng)濟(jì)的比重越來越大。

然而在水運(yùn)業(yè)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做貢獻(xiàn)的同時(shí)，近些年來逐漸增加的船撞事故也引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。船撞事故不但涉及到橋梁結(jié)構(gòu)的安全，影響著通航區(qū)船舶和橋面車輛的運(yùn)營安全，同時(shí)也對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的威脅[1]。隨著水位的升高和船舶通航量的增加，鵝公巖大橋原有的防撞設(shè)施已不能滿足船撞的基本要求。為了降低因防撞設(shè)施過時(shí)給橋梁安全帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)鵝公巖大橋進(jìn)行船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出新的防撞設(shè)施。

1 工程概況

鵝公巖長江大橋系主城區(qū)快速路系統(tǒng)中的東西主干道的組成部分，路線西起成渝高速公路出口處的九龍坡區(qū)大公館，經(jīng)謝家灣跨長江，過重慶經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，東與渝黔高速公路相連。全長1428m，主橋全長1022m，引橋長408m。橋型為三跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋。橋梁主跨210m+600m+210m，主塔高163.48m，大橋立面圖如圖1所示。

圖1 鵝公巖大橋立面圖

鵝公巖大橋位于長江九龍坡—菜園壩彎曲河段的中部，大橋橋軸線上距九龍坡港區(qū)2.7 km，下距長江、嘉陵江兩江交匯口約10km，長江上游航道里程668.9km。大橋河段河勢(shì)由南向北微彎，河面寬窄相間，岸線不規(guī)則。工程地理位置見圖2。

圖2 橋位地理位置示意圖

2 AASHTO概率模型

對(duì)于船撞問題，美國1994的《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]由于其方法明確、應(yīng)用簡單，因而成為目前國際上應(yīng)用最為廣泛的一部指南。1994年，在美國公路運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（AASHTO）指導(dǎo)規(guī)范推薦的方法Ⅱ的基礎(chǔ)上，《美國公路橋梁設(shè)計(jì)》（即LRFD）做了適當(dāng)改進(jìn)。在此規(guī)范中，大橋各橋墩年撞損頻率按以下公式計(jì)算：

式中：AF為橋梁受船舶碰撞破壞的概率；N為根據(jù)船舶類型、尺度和裝載情況分類的船舶年通航量；PA為船舶的偏航概率；PG為偏航船舶與橋梁構(gòu)件碰撞的幾何概率 （正態(tài)分布模擬）；PC受偏航船舶撞擊橋梁構(gòu)件倒塌的概率。

公式中去除倒塌概率PC一項(xiàng)后是橋梁遭受船舶撞擊的年頻率。

2.1 偏航概率

偏航概率代表船舶由于人員失誤、機(jī)械故障、惡劣環(huán)境條件等原因而偏離正常航線，并可能會(huì)撞擊橋梁的概率。實(shí)際工作中通常采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：PA為船舶偏離航線的基本發(fā)生概率；RB為橋位修正系數(shù)，與橋位所在航道的順直程度有關(guān)；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(guān)；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(guān)；RD為航行密度修正系數(shù)，與過橋船舶密度有關(guān)。

2.2 幾何概率

偏航船只與橋梁構(gòu)件相撞的幾何概率PG可以根據(jù)船舶撞擊橋墩的歷史資料分析確定。統(tǒng)計(jì)資料表明船舶撞擊橋墩的幾何概率密度為正態(tài)分布，PG為正態(tài)分布函數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)差為設(shè)計(jì)船長，標(biāo)準(zhǔn)分布的中心位置為航行中心線，對(duì)應(yīng)的船橋撞擊區(qū)下面畫上陰影的面積即為PG。船舶撞擊的幾何概率分布如圖3所示。

圖3船舶碰撞橋墩的幾何概率分布圖

圖3 中Bp為橋墩寬度，Bm為通航船舶寬度。因此，船舶撞擊橋墩的幾何概率分布密度可以表示成為：

式中：X表示船舶過橋時(shí)的位置；f(X)表示船舶位于某處航線上的概率密度；μ表示正態(tài)分布的位置參數(shù)，表示概率分布以船舶航道中心線為對(duì)稱軸，左右完全對(duì)稱。σ是描述正態(tài)分布資料數(shù)據(jù)分布的離散程度，σ越大，數(shù)據(jù)分布越分散，σ越小，數(shù)據(jù)分布越集中；根據(jù)美國公路規(guī)范規(guī)定，σ取為設(shè)計(jì)船長。

由圖3可知，船舶碰撞橋墩的幾何概率可以用圖中的陰影部分表示，可以用概率分布密度函數(shù)積分得到：

2.3 倒塌概率

在計(jì)算得出橋梁的船撞力以及橋墩的設(shè)計(jì)抗撞力后，可以評(píng)價(jià)發(fā)生單次撞擊時(shí)橋墩的倒塌概率，用倒塌概率PC可以看出PC受很多因素的影響，包括船舶尺度和型式、船首形狀及船首倉壓載、船舶的行駛速度、撞擊方向及撞擊質(zhì)量等，并且與橋墩的抗撞強(qiáng)度、防撞裝置的種類、防撞裝置降低船撞力的長度等有關(guān)。AASHTO指南中PC是根據(jù)橋梁的極限抗力H與船舶撞擊力P的比值來確定的。H是橋梁抗力，P是船舶撞擊力。

PC的取值分下面幾種情況：

美國《公路橋梁船舶撞擊設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范和評(píng)述》中采用圖4所示分布的倒塌概率，即當(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%～100% 之間時(shí)，PC在0到0.1線性變化；當(dāng)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度小于船撞力的10%時(shí)，PC在0.1到1之間線性變化。

圖4 倒塌概率分布

3 船舶航跡線觀測

根據(jù)對(duì)起控制條件且具代表性船舶在橋區(qū)所選觀測范圍的航跡線資料[3]，分別進(jìn)行了船舶上下行的偏航角度分析。

3.1 船舶上行

上行船舶的偏航角度分布在0°～20°，但分布的集中范圍較窄，而且偏航角度較小，如下圖5所示。由于上行船舶在枯水和洪水期內(nèi)所選航線的偏航角度較小，因此上行船舶的偏航角度集中分布范圍為0°～4°，且偏航角度集中分布在2°左右。

圖5 上行船舶偏航角度分布直方圖

3.2 船舶下行

下行船舶的偏航角度分布在0°～18°范圍內(nèi)，但分布的集中范圍較窄，如下圖6所示。集中分布范圍為8°～12°，偏航角度集中分布在9°左右。

圖6 下行船舶偏航角度分布直方圖

4 撞擊速度和計(jì)算水位的確定

4.1 撞擊速度的確定

根據(jù)鵝公巖長江大橋2#和3#橋墩在天然情況的撞擊速度，并結(jié)合河道實(shí)際情況，即船舶與2#和3#主墩相遇水位一般在較高水位時(shí)可能性較大。因此，船撞速度按較高或高水位時(shí)且出現(xiàn)頻率大的撞擊速度進(jìn)行綜合選取，得到的鵝公巖大橋2#和3#主墩的船舶撞擊速度如表1所示。

表1 鵝公巖大橋兩主墩船舶撞擊速度（km/h)

4.2 計(jì)算水位的確定

由鵝公巖長江大橋上下游3個(gè)水文站的統(tǒng)計(jì)資料和分析可得出：當(dāng)橋址水位為168.17m時(shí)，相應(yīng)出現(xiàn)的累積頻率較大，為30%；當(dāng)橋址水位為173.44m時(shí)，相應(yīng)出現(xiàn)的累積頻率較大，達(dá)到39%；當(dāng)橋址水位為181.94m時(shí)，相應(yīng)出現(xiàn)的累積頻率較短，為10%。根據(jù)各自出現(xiàn)的累積頻率可知，橋址水位年內(nèi)保持在168.17m或高于此水位的時(shí)間較長，而出現(xiàn)水位為181.94m的時(shí)間較短，但綜合船撞風(fēng)險(xiǎn)的角度，高水位需納入作為一種計(jì)算工況。各水位出現(xiàn)頻率如表2所示。

表2 橋區(qū)計(jì)算水位

5 橋墩抗力的確定

5.1 船舶撞擊力的確定

求出船舶撞擊力的方法有許多，包括經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、模型和實(shí)體實(shí)驗(yàn)法、有限元瞬態(tài)動(dòng)力數(shù)值分析法，上述三種方法均在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。在橋梁工程的可行性研究階段多使用半理論、半經(jīng)驗(yàn)的公式計(jì)算法，求得準(zhǔn)靜態(tài)的船撞力，供橋梁設(shè)計(jì)和選擇防撞設(shè)施的參考。到了橋梁的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段，以工程設(shè)計(jì)圖建立模型，使用數(shù)值方法。實(shí)驗(yàn)法常用于對(duì)計(jì)算方法、模型研究方法的驗(yàn)證，由于實(shí)驗(yàn)法需要先做仔細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算之后進(jìn)行，且費(fèi)時(shí)耗資巨大，在必要和可能時(shí)才選用。本文認(rèn)為我國鐵路規(guī)范公式原理清楚，公式能夠計(jì)入撞擊系統(tǒng)中各個(gè)物體的剛度，在一定程度上體現(xiàn)出沖擊動(dòng)力學(xué)的原理。因此鵝公巖長江大橋的船撞力本文推薦采用《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》TB 10002.1-2005[4]公式進(jìn)行計(jì)算。并參照《船撞橋及其防御》[5]作出如下規(guī)定：當(dāng)用《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D60-2004[6]公式計(jì)算出的船撞力與該公式計(jì)算出的船撞力相差25%以內(nèi)時(shí)，即認(rèn)為該公式的估算可用。

根據(jù)鐵路規(guī)范TB 10002.1-2005公式，墩臺(tái)承受船只或排筏的撞擊力可按下式計(jì)算：

式中：F為撞擊力（kN）；γ為動(dòng)能折減系數(shù)（s/m1/2），當(dāng)船只或排筏斜向撞擊墩臺(tái)時(shí)可采用0.2，正向撞擊時(shí)可用0.3；υ為船只或排筏撞擊墩臺(tái)時(shí)的速度（m/s），此項(xiàng)速度對(duì)于船只采用航運(yùn)部門提供的數(shù)據(jù)，對(duì)于排筏可采用筏運(yùn)期水流的速度；α為船只或排筏駛近方向與墩臺(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=20O；W為船只重或排筏重力（kN）；C1、C2為船只或排筏和墩臺(tái)圬工的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時(shí)可假定C1+C2=0.0005m/kN。

根據(jù)鐵路規(guī)范提供的計(jì)算公式，得出該橋的船舶撞擊力如表3、表4所示。

表3 鵝公巖大橋計(jì)算船撞力-正撞力/MN

表4 鵝公巖大橋計(jì)算船撞力-側(cè)撞力/MN

（1） 正撞力計(jì)算結(jié)果

（2）側(cè)撞力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)鐵路規(guī)范，本文取側(cè)撞角度α=20O進(jìn)行計(jì)算，從而側(cè)撞力按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：P為最大正撞力。

5.2 橋墩抗力計(jì)算

承載能力通常在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)由設(shè)計(jì)人計(jì)算，但當(dāng)進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)提出更多的情況，有的橋在建成和使用過程中會(huì)不斷與實(shí)際相結(jié)合，如船的特征改變（愈來愈大，愈來愈快，愈來愈密）；環(huán)境改變；流速、風(fēng)速、彎道、沖刷、淤積等會(huì)有改變；潮位的變化也影響碰撞著力點(diǎn)，從而影響承載力。鵝公巖大橋橋墩抗力表5。

表5 鵝公巖大橋橋墩抗力表

根據(jù)表中計(jì)算數(shù)據(jù)得出：橫橋向的橋墩抗力控制全橋的倒塌概率。

6 船撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)AASHTO規(guī)范中的計(jì)算公式及美國國防部《系統(tǒng)安全綱要規(guī)定》所提供的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，計(jì)算出鵝公巖長江大橋的船撞風(fēng)險(xiǎn)概率[7]如表6所示，并繪制了2#和3#橋墩年碰撞概率和年倒塌概率趨勢(shì)圖，如圖7、圖8所示。

圖7 2號(hào)墩船撞風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)

表6 鵝公巖大橋的船撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

7 結(jié)論及建議

圖9 浮式變截面自導(dǎo)向橋墩防撞設(shè)施

根據(jù)鵝公巖長江大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)研究可得到以下結(jié)論。

（1）由AASHTO規(guī)范規(guī)定，重要橋梁年倒塌概率應(yīng)小于10-4的風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則，2010年各橋墩均處于4B級(jí)（中等風(fēng)險(xiǎn)）；2020年，2號(hào)主墩和3號(hào)主墩相繼進(jìn)入4C級(jí) （高風(fēng)險(xiǎn)）；2050年，2號(hào)主墩和3號(hào)主墩均處于4C級(jí)（高風(fēng)險(xiǎn)）。

（2）在2020年，當(dāng)滿足可接受風(fēng)險(xiǎn)10-4時(shí)：P2橋墩所需抗力為37.3MN，而實(shí)際抗力為14～25MN，抗力差約12～23MN；P3號(hào)橋墩所需抗力為40MN，而實(shí)際抗力為14～23MN，抗力差約為17～26MN。

（3）根據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)從以下兩方面降低鵝公巖大橋的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。①主動(dòng)防撞。對(duì)于此方法，可以采取以下幾個(gè)措施：加強(qiáng)橋區(qū)通航安全管理、改善通航環(huán)境、加強(qiáng)船員管理及加強(qiáng)船舶管理。②被動(dòng)防撞。通過設(shè)置浮式消能防撞設(shè)施進(jìn)行設(shè)防，如圖9所示。

[1]耿波，王君杰，汪宏，等.橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)總體研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（5）：34-35.

[2]美國各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（AASHTO）.美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[M].辛濟(jì)平，譯.北京：人民交通出版社，1998：94-105.

[3]重慶交通學(xué)院.重慶鵝公巖長江大橋通航條件水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].重慶交通學(xué)院，1997.

[4]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5]陳國虞，王禮立.船撞橋及其防御[M].北京：中國鐵道出版社，2006：147-158.

[6]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTGD60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]重慶市橋梁協(xié)會(huì)，重慶交通大學(xué)，林同棪國際（中國）工程咨詢有限公司.重慶鵝公巖長江大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告[R].重慶市橋梁協(xié)會(huì)，2009.

Analysis of Vessel Collision Risk of Egongyan Yangtze river Bridge

In view of the frequent ship collision with bridge accidents at present,and based on the Chongqing Egongyan Yangtze River Bridge and the various calculation parameters obtained through hydraulic tests on the model,the annual collision probability and collapse probability of the Bridge in 2010,2020 and 2050 are calculated with the most used AASHTO standard method.The annual collision probability is adopted to evaluate the risk levels of the Bridge's piers in each year,and the risk levels of the piers are applied to take the corresponding measures to reduce the collision risk of the Bridge in operation.

Egongyan;ship collision risk;yaw;collapse;kinetic energy reduction;Egongyan Yangtze River Bridge

U442.5

A

1671-9107（2017）12-0037-05

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.12.37

2017-05-08

何佳（1986-），男，寧夏中衛(wèi)人，研究生，工程師，主要從事橋梁檢測及房屋鑒定類工作。

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅