基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的橋梁船撞角度分析

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(tái)州 318000)

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(tái)州 318000)

近年來(lái)世界范圍內(nèi)發(fā)生了多宗船撞事故,合理地對(duì)橋梁進(jìn)行船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是非常重要的。AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南中模型是最常用的計(jì)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(jì)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?yàn)楣こ瘫尘?采用美國(guó)AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南中計(jì)算橋梁年倒塌頻率的模型對(duì)橋梁船撞角度進(jìn)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(shí)的角度對(duì)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(huì)超過椒江二橋可接受的年倒塌頻率。建議對(duì)超過該角度的船舶進(jìn)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(xiǎn)評(píng)估；角度分析

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)航道上船舶噸位越來(lái)越大，同時(shí)跨越航道上的橋梁也迅速增多。于是，船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大。因此，已建和規(guī)劃建設(shè)的橋梁都在進(jìn)行橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而如何分析橋梁船撞的風(fēng)險(xiǎn)[1-10]就成為工程師關(guān)心的問題。船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就是評(píng)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)做安全驗(yàn)算。2009年美國(guó)制定的AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南[11](第二版)中對(duì)橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，提出了一個(gè)計(jì)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(xiǎn)思想從數(shù)學(xué)上進(jìn)行推演確定船撞設(shè)防力，對(duì)船撞橋梁概率模型進(jìn)行了評(píng)述。陳國(guó)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(xiǎn)思想對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋[14]、美國(guó)陽(yáng)光大道橋[15]、嘉陵江大橋[16]、西堠門特大橋[17]、粉房灣長(zhǎng)江大橋[18]、上海長(zhǎng)江大橋[19]進(jìn)行了船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南中模型是最常用的計(jì)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(jì)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?yàn)楣こ瘫尘?，基于AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南中計(jì)算橋梁年倒塌頻率的模型，考慮船舶撞擊橋梁時(shí)的方向，計(jì)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(jì)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(guó)的AASHTO規(guī)范在橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)計(jì)方面是相對(duì)比較完善，因此根據(jù)美國(guó)AASHTO規(guī)范，橋梁各個(gè)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(huì)撞擊橋梁的統(tǒng)計(jì)概率。PA可由歷年來(lái)船舶碰撞而導(dǎo)致擱淺的數(shù)據(jù)得到，按下式進(jìn)行計(jì)算

式中BR——偏航基準(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)RD=1.0，平均密度時(shí)RD=1.3，高密度時(shí)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(biāo)準(zhǔn)差為船舶長(zhǎng)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(lái)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(duì)于式(3)～(5)中船舶撞擊力P的取值，美國(guó)AASHTO規(guī)范中的計(jì)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(shí)，AASHTO規(guī)范采用了三角形分布。同時(shí)，AASHTO規(guī)范認(rèn)為船舶航速?gòu)暮降肋吘壍?倍船舶長(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)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怨こ蹋瑧?yīng)該盡量減少椒江二橋受船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。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(xiǎn)確定為AFaccept=1×10-4。風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)略小于過渡墩和輔助墩等的風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程背景

椒江二橋工程位于臺(tái)州市椒江入?？?，工程全長(zhǎng)8.09 km，主橋全長(zhǎng)3 702 m。主航道橋?yàn)?0 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(xiǎn)計(jì)算中采用表1所示的預(yù)測(cè)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(yùn)量及船舶數(shù)預(yù)測(cè)[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(duì)式(6)進(jìn)行修正，船撞橋墩力PS沿縱向和橫向進(jìn)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(jì)算用到的橋梁設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)船撞力，主橋墩為41 MN，輔助墩為21.5 MN，過渡墩為13 MN，來(lái)自椒江二橋指揮部提供的椒江二橋船撞設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告)。然后分別計(jì)算PA和PG，代入式(1)，得到橋梁各個(gè)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(gè)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(shí)年倒塌頻率未超過1.0×10-4，而在45°時(shí)年倒塌頻率超過1.0×10-4，并不清楚在30°～45°之間哪個(gè)角度時(shí)的年倒塌頻率會(huì)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(shí)的年倒塌頻率。

表2 各個(gè)角度在縱向方向年倒塌頻率

表3 各個(gè)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(duì)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(dòng)防撞系統(tǒng)，橋梁主動(dòng)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(xì)展開。Larsen[21]提到安裝VTS系統(tǒng)后，船撞橋梁的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)減少2～3倍。表4為5個(gè)國(guó)家安裝VTS系統(tǒng)后船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)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(rèn)為安裝橋梁主動(dòng)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(guó)家減少倍數(shù)

表5和表6分別為各個(gè)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(shí)年倒塌頻率未超過1.0×10-4，而在45°時(shí)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(shí)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(duì)橋梁是不利的。

表5 各個(gè)角度在縱向方向年倒塌頻率

表6 各個(gè)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(duì)橋梁進(jìn)行防撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一個(gè)涉及范圍很廣的研究課題，具有重大的工程背景和現(xiàn)實(shí)意義。美國(guó)制定的AASHTO船撞設(shè)計(jì)提供了很好的船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)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(jì)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?yàn)楣こ瘫尘?，考慮了船舶撞擊橋梁方向?qū)方虻哪甑顾l率的影響，對(duì)計(jì)算橋梁年倒頻概率的公式進(jìn)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(dòng)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(huì)超過椒江二橋可接受的年倒塌頻率。因此，可以建議航運(yùn)部門對(duì)經(jīng)過橋區(qū)的船舶航跡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)超過該角度的船舶進(jìn)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(jì)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目子課題(2013CB036300)；上海市高校青年教師培養(yǎng)資助項(xiàng)目(ZZyy15111)

郭智剛(1984—)，男，講師，2013年畢業(yè)于同濟(jì)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(cè)研究，E-mail:zhigangguo@sit.edu.cn。

U447

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703030002