牛灣特大橋通航安全評(píng)估

陳 兵，許肇峰，魏 斌，王勇平

(廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550)

0 引言

近年來(lái)，船舶撞擊航道橋梁的事故屢見(jiàn)不鮮，例如2017年8月超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”從珠海正面登陸，事故造成社會(huì)船只橫向撞擊西部沿海高速公路磨刀門大橋水中橋墩[1]，致使橋梁嚴(yán)重受損，被迫封閉交通拆除重建，引發(fā)了社會(huì)輿論的持續(xù)關(guān)注，在造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)也給相關(guān)管理部門帶來(lái)了巨大的壓力。統(tǒng)計(jì)分析表明[2]，造成通航橋梁倒塌的前四位原因分別為洪水、船舶撞擊、設(shè)計(jì)失誤和施工過(guò)程失誤，因此對(duì)于航道橋梁，橋梁船撞安全是必須重點(diǎn)考慮的安全問(wèn)題。

船舶撞擊橋梁事故的影響因素眾多[3]，包括橋區(qū)地質(zhì)水文條件、區(qū)域氣候天氣、水域交通管理、橋梁自身結(jié)構(gòu)特性和船舶駕駛者的能力素質(zhì)等，在經(jīng)費(fèi)和精力有限的情況下，對(duì)以上所有影響因素進(jìn)行掌握和控制是不現(xiàn)實(shí)的。因此在具體的橋梁管理工作中，選擇哪些因素進(jìn)行檢測(cè)控制，如何通過(guò)這些有限的相關(guān)參數(shù)評(píng)估橋梁的通航安全狀態(tài)，是一個(gè)非常迫切且具有實(shí)際意義的問(wèn)題。

本文以新臺(tái)高速公路牛灣特大橋作為工程背景，通過(guò)前期資料調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)檢測(cè)及安全模型分析，介紹了公路橋梁通航安全評(píng)估的具體工作和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

1 工程概況

新臺(tái)高速公路牛灣特大橋跨越潭江，屬內(nèi)河Ⅲ級(jí)通航橋梁，主橋?yàn)?55m+90m+55m)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，全寬24.5m，分左右兩幅。下部結(jié)構(gòu)主墩采用Y型墩，其余橋墩采用整體雙柱式橋墩。該橋于2001年建成，目前已運(yùn)營(yíng)17年。

圖1 牛灣特大橋主橋橋型布置(單位：cm)

牛灣特大橋設(shè)一個(gè)主通航孔(設(shè)計(jì)通航寬度為70m)、兩個(gè)輔通航孔(設(shè)計(jì)通航寬度為35m)，主通航孔的通航凈空尺度按當(dāng)時(shí)內(nèi)河III 級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主橋設(shè)計(jì)船舶撞擊力橫橋向1 800kN，順橋向1 400kN。

牛灣特大橋所跨越的航道為“潭江”，其下游為崖門水道及崖門出?？?，是珠江三角洲高等級(jí)航道網(wǎng)的組成部分?！疤督焙降姥匕端蚪?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、交通繁忙，大量過(guò)往船舶的通行給橋梁運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定的安全隱患。近年來(lái)，僅記錄在冊(cè)的影響較大的船舶撞擊事故就有2起，船舶分別撞擊橋梁的R35-1#立柱和33#橋墩。按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，牛灣特大橋僅允許1 000t級(jí)船舶通行，但根據(jù)廣東省江門航道局新會(huì)航道分局2007年提供的資料顯示，隨著航運(yùn)交通的發(fā)展，牛灣特大橋通航孔存在大量大于原設(shè)計(jì)噸位的船舶通行，記錄到的最大船舶載重噸位為2 228t。

對(duì)于參照舊《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 139-90)(以下簡(jiǎn)稱《90標(biāo)準(zhǔn)》)建造的牛灣特大橋而言，現(xiàn)行的《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139-2014)(以下簡(jiǎn)稱《14標(biāo)準(zhǔn)》)關(guān)于航道、橋梁通航凈空的相關(guān)要求已經(jīng)發(fā)生改變，這加大了牛灣特大橋的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。另外由于實(shí)際通航船舶等級(jí)大大超過(guò)設(shè)計(jì)通航船舶等級(jí)，牛灣特大橋面臨船舶撞擊抗力儲(chǔ)備不足的風(fēng)險(xiǎn)。為了準(zhǔn)確掌握牛灣特大橋的通航安全狀況，急需對(duì)其展開(kāi)相關(guān)安全評(píng)估工作，為橋梁的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)。

本次安全評(píng)估工作主要通過(guò)三個(gè)步驟展開(kāi)：首先進(jìn)行資料調(diào)查分析，對(duì)牛灣特大橋目前所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步判斷；然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，對(duì)一些關(guān)鍵性的風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別；最后將資料調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果作為風(fēng)險(xiǎn)分析及船撞力計(jì)算的參數(shù)，對(duì)牛灣特大橋的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體工作流程如圖2所示。

圖2 牛灣特大橋通航安全評(píng)估工作流程

2 資料調(diào)查與分析

2.1 航道調(diào)查

牛灣特大橋于2001年建成，以《90標(biāo)準(zhǔn)》作為設(shè)計(jì)依據(jù)，目前按照《14標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理。另外，根據(jù)竣工圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，牛灣特大橋的通航凈空尺度現(xiàn)狀、航道尺度現(xiàn)狀見(jiàn)表1和表2。

表1 牛灣特大橋通航凈空尺度現(xiàn)狀

通過(guò)表1可見(jiàn)：

(1)除側(cè)高外，牛灣特大橋的通航凈空尺度滿足原先《90標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

(2)牛灣特大橋的設(shè)計(jì)通航凈高為13m，滿足現(xiàn)行《14標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

(3)牛灣特大橋的設(shè)計(jì)通航側(cè)高為5m，不能滿足現(xiàn)行《14標(biāo)準(zhǔn)》6m的要求；設(shè)計(jì)通航凈寬為70m，不能滿足現(xiàn)行《14標(biāo)準(zhǔn)》110m的要求；設(shè)計(jì)通航上底寬為55m，不能滿足現(xiàn)行《14標(biāo)準(zhǔn)》96m的要求。

(4)在現(xiàn)行《14標(biāo)準(zhǔn)》下，船舶撞擊橋梁主梁的可能性很小，船舶撞擊橋墩的可能性較高，這也符合已有的船舶撞擊事故記錄。

表2 牛灣特大橋航道尺度現(xiàn)狀

通過(guò)表2可見(jiàn)：

(1)牛灣特大橋所處“潭江”航道現(xiàn)今的航道尺度滿足原先《90標(biāo)準(zhǔn)》的要求，滿足現(xiàn)行《14標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

(2)航道寬度80m超過(guò)了橋梁設(shè)計(jì)通航凈寬70m，航道交通受到橋梁設(shè)計(jì)通航凈寬的限制。

2.2 通航交通量及船舶調(diào)查

通航交通量的調(diào)查通過(guò)橋梁實(shí)地視頻監(jiān)控和AIS信息服務(wù)平臺(tái)區(qū)域監(jiān)控兩種技術(shù)同步進(jìn)行。通過(guò)在牛灣特大橋主跨中央布設(shè)高清攝像機(jī)，監(jiān)控大橋兩側(cè)過(guò)往船只，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶交通量的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)在中國(guó)海事局AIS信息服務(wù)平臺(tái)上設(shè)置監(jiān)控區(qū)域，抓取通過(guò)監(jiān)控區(qū)域的船只信息，可以獲取船舶ID標(biāo)識(shí)、船型、船體尺寸、吃水深度等具體信息，進(jìn)而可以估計(jì)船舶載重噸位。利用python技術(shù)編寫爬蟲(chóng)程序，可以實(shí)現(xiàn)船舶記錄的監(jiān)控、數(shù)據(jù)整理全自動(dòng)進(jìn)行。

圖3 牛灣特大橋通航船舶視頻監(jiān)控

圖4 AIS信息服務(wù)平臺(tái)區(qū)域監(jiān)控

視頻監(jiān)控記錄可以準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)船舶交通量，但是難以對(duì)船舶載重噸位進(jìn)行判別；AIS區(qū)域監(jiān)控可以完整地記錄大型船舶的通行信息，但是可能會(huì)遺漏部分小型船舶。在實(shí)際調(diào)查中，綜合運(yùn)用兩種技術(shù)手段、相互補(bǔ)充，得到了可信度較高的船舶交通量信息(表3、表4)，每天通過(guò)的船舶流量約為109艘次，通行船舶多為貨船。

表3 牛灣特大橋交通量統(tǒng)計(jì)

表4 牛灣特大橋船舶類型統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表3和表4可見(jiàn)：

(1)牛灣特大橋按設(shè)計(jì)可通航1 000t級(jí)別船舶，實(shí)際通航船舶在1 000t以下所占的百分比為97.25%，超過(guò)1 000t所占的百分比為2.75%。

(2)統(tǒng)計(jì)上平均每天都有超設(shè)計(jì)噸位的船舶通行，對(duì)牛灣特大橋安全運(yùn)營(yíng)較為不利。

(3)從船舶類型上看，牛灣特大橋主要通航各類貨船，包括各類集裝箱船只和運(yùn)砂、運(yùn)煤船只，占比達(dá)到95.41%。

需要指出的是，由于條件限制，本報(bào)告通航交通量調(diào)查的時(shí)間尺度為30d，并以該時(shí)間段內(nèi)的樣本容量對(duì)全年通航交通量進(jìn)行推斷。另外，通過(guò)交通量調(diào)查發(fā)現(xiàn)了以下風(fēng)險(xiǎn)信息：

(1)大噸位船舶(噸位超過(guò)500t)通過(guò)橋梁時(shí)的航速在3m/s附近，在航道交通受到橋梁設(shè)計(jì)通航凈寬的限制情況下，絕大部分船舶在通過(guò)橋梁前沒(méi)有采取制動(dòng)減速措施。小噸位船舶(噸位小于500t)通過(guò)橋梁時(shí)的航速稍快，平均在3.5m/s附近。

(2)在牛灣特大橋副通航孔尚未開(kāi)放的情況下，仍有部分船舶在其間通行。

(3)在牛灣特大橋主通航孔通航凈寬不能滿足《14標(biāo)準(zhǔn)》的情況下，仍有部分船舶選擇在橋梁下方會(huì)船，違反了《廣東省橋梁水域通航安全管理規(guī)定》。

2.3 碼頭調(diào)查

牛灣特大橋上游潭江北側(cè)為開(kāi)平市水口鎮(zhèn)，其為廣東省省級(jí)中心鎮(zhèn)之一，上游潭江南側(cè)為臺(tái)山市大江鎮(zhèn)。水口鎮(zhèn)和大江鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、航運(yùn)繁忙，在潭江沿岸均設(shè)置了大量規(guī)格不一的碼頭。通過(guò)調(diào)查和實(shí)地走訪，將能?？?00t以上船舶的碼頭在圖5中進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

圖5 牛灣特大橋附近碼頭分布

圖6 牛灣特大橋上游裕海物流碼頭

通過(guò)碼頭調(diào)查，得到以下信息：

(1)在牛灣特大橋上下游20km范圍內(nèi)，上游碼頭數(shù)量較多，下游碼頭數(shù)量較少。

(2)各碼頭與橋梁的安全距離，在上游均大于4倍代表船隊(duì)長(zhǎng)度(640m)，在下游均大于2倍代表船隊(duì)長(zhǎng)度(320m)，滿足《河港工程總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 212-2006)的相關(guān)規(guī)定。

2.4 上下游橋梁調(diào)查

對(duì)牛灣特大橋的航道通航條件進(jìn)行安全評(píng)估，必須考慮牛灣特大橋橋位處上、下游相關(guān)橋梁的通航情況。牛灣特大橋所處航道為“潭江水道”，下游部分與“南坦水道”交接。

對(duì)于“潭江水道”，最小通航凈高橋梁和最小通航凈寬橋梁均為公益大橋。公益大橋共設(shè)置2個(gè)單向通航孔，通航凈高為12m，通航凈寬為45m，位于牛灣特大橋上游。

對(duì)于“南坦水道”，最小通航凈高橋梁和最小通航凈寬橋梁均為南坦橋。南坦橋共設(shè)置1個(gè)雙向通航孔，通航凈高為8m，通航凈寬為62m，位于牛灣特大橋下游。

進(jìn)一步調(diào)查牛灣特大橋下游的相關(guān)橋梁：黃宣充大橋(與小岡大橋并列)的主通航孔凈寬101m、凈高13m，輔通航孔凈寬61m、凈高10m；無(wú)限極大橋(與七堡大橋并列)的主通航孔凈寬102m、凈高13m。均大于等于牛灣特大橋的通航孔凈寬70m、凈高13m。

牛灣特大橋橋位處上、下游相關(guān)橋梁的平面位置及水道情況如圖7所示。

圖7 上下游相關(guān)橋梁位置

通過(guò)上下游橋梁調(diào)查，得到以下信息：

(1)從“潭江水道”上游經(jīng)過(guò)牛灣特大橋的船舶，其需要滿足公益大橋通航凈空的要求，而公益大橋的通航凈高和凈寬均比牛灣特大橋凈高和凈寬小。需要注意的是，公益大橋共設(shè)置2個(gè)通航凈寬為45m的單向通航孔，而牛灣特大橋僅設(shè)置1個(gè)通航凈寬為70m的單向通航孔。因此，牛灣特大橋不存在船舶超高撞擊主梁的風(fēng)險(xiǎn)，但存在船舶偏航撞擊橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)從“潭江水道”下游經(jīng)過(guò)牛灣特大橋的船舶，由于黃宣充大橋與七堡大橋的通航凈高為13m，與牛灣特大橋通航凈高相等;同時(shí)，黃宣充大橋與七堡大橋的通航凈寬均大于牛灣特大橋通航凈寬，因此，牛灣特大橋不存在船舶超高撞擊主梁的風(fēng)險(xiǎn)，但存在船舶偏航撞擊橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)經(jīng)過(guò)“南坦水道”通過(guò)牛灣特大橋的船舶，由于南坦橋的通航凈高和凈寬均比牛灣特大橋凈高和凈寬小，因此，牛灣特大橋不存在船舶超高撞擊主梁的風(fēng)險(xiǎn)，但存在船舶偏航撞擊橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 橋梁附近航標(biāo)設(shè)置情況調(diào)查

內(nèi)河航標(biāo)是船舶在內(nèi)河安全航行的重要助航設(shè)施，考慮到牛灣特大橋所處河道彎曲程度較大，航標(biāo)的合理設(shè)置是船舶安全通過(guò)橋梁水域的重要保證措施，因此有必要對(duì)橋梁附近航標(biāo)設(shè)置情況進(jìn)行調(diào)查。

根據(jù)廣東省高速公路有限公司臺(tái)山分公司和廣東省江門航道局臺(tái)山航標(biāo)與測(cè)繪所提供的資料，牛灣特大橋上下游2km范圍內(nèi)的航標(biāo)設(shè)置情況如下：

(1)牛灣特大橋上游689m左右配有一座沿岸標(biāo)，牛灣特大橋下游568m左右配有一座過(guò)河標(biāo)，如圖8和圖9所示。

圖8 牛灣特大橋上游航標(biāo)布置

圖9 牛灣特大橋下游航標(biāo)布置

(2)橋梁通航橋孔中央共設(shè)置橋涵標(biāo)2座，上下游各一座。橋梁通航孔兩側(cè)主墩共設(shè)置橋柱燈16盞，如圖10所示。

圖10 牛灣特大橋橋涵標(biāo)及橋柱燈

相關(guān)航標(biāo)設(shè)置均符合《內(nèi)河助航標(biāo)志》(GB 5863-93)和省航道局有關(guān)航標(biāo)設(shè)置質(zhì)量等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，航標(biāo)日常維護(hù)工作由廣東省江門航道局臺(tái)山航標(biāo)與測(cè)繪所實(shí)施。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與分析

3.1 河床掃測(cè)

本次安全評(píng)估以橋梁軸線為基準(zhǔn)，進(jìn)行了上游側(cè)橋墩外25m、上游側(cè)橋墩外5m、橋軸線、下游側(cè)橋墩外5m、下游側(cè)橋墩外25m五個(gè)斷面的河床掃測(cè)工作。河床的現(xiàn)狀資料見(jiàn)表5。

(1)對(duì)比2016河床高度,31#～37#墩對(duì)應(yīng)上游側(cè)5m河床變化值在-0.8m～0.4m區(qū)間；31#～37#墩對(duì)應(yīng)橋梁中軸線處河床變化值在-0.1m～0.3m區(qū)間；31#～37#墩對(duì)應(yīng)下游側(cè)5m河床變化值在0.2m～1.2m區(qū)間。

(2)對(duì)比原地面高度,31#～37#墩對(duì)應(yīng)橋梁中軸線處河床變化值在-1.9m～1.6m區(qū)間，考慮各橋墩樁底標(biāo)高較深，河床標(biāo)高變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力影響較小。

(3)牛灣特大橋下方河床總體保持穩(wěn)定，航道維護(hù)質(zhì)量較高。

3.2 航跡線觀測(cè)

航跡線能反映過(guò)往船舶通過(guò)水域時(shí)的習(xí)慣航路，是水域水文環(huán)境、地理?xiàng)l件、氣象因素、船舶操作人員素質(zhì)等因素的綜合反映，航跡線的分布能在一定程度上反映船舶撞擊橋梁的風(fēng)險(xiǎn)量[4]。

本次航跡線觀測(cè)采用GPS追蹤過(guò)往船舶的習(xí)慣航路，共觀測(cè)記錄上下行各4條航跡線。從實(shí)測(cè)的航跡線可以得到以下信息：

(1)船舶的航行路線主要位于主通航孔，較為靠近33#主墩，船舶通過(guò)橋梁時(shí)存在一定的偏航現(xiàn)象。航跡線的中心區(qū)域距33#主墩中心37.5m，距32#主墩中心52.5m。通過(guò)實(shí)地考察，這可能是33#主墩較32#主墩更加接近江面中心所導(dǎo)致。

(2)33#主墩面臨船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)比其他橋墩(柱)高。牛灣特大橋已有的兩次船舶撞擊事故中，船舶分別撞擊橋梁的R35-1#立柱和33#主墩，可作為該結(jié)論的佐證。

(3)船舶通過(guò)橋梁時(shí)的航向基本垂直于橋梁軸線。

表5 新臺(tái)高速公路牛灣特大橋歷年河床變化

注：1.河床標(biāo)高是根據(jù)測(cè)深參照點(diǎn)換算而來(lái)的；2.變化量為正值，說(shuō)明本期河床位于上期河床線以上，即為河床抬升；變化量為負(fù)值，說(shuō)明本期河床位于上期河床線以下，即為河床下切。

3.3 流跡線觀測(cè)

流跡線是反映河流水文特征的重要參數(shù)，是無(wú)動(dòng)力漂浮物僅在河水水力作用下運(yùn)動(dòng)的軌跡，直觀顯示了河水的水流方向、對(duì)河岸的沖刷等信息，在一定程度上能反映水流對(duì)船舶航行的影響。本次流跡線觀測(cè)采用浮標(biāo)法，從大橋上、下游500m處投放浮標(biāo)進(jìn)行流跡線觀測(cè)。漲落潮各分別投放4個(gè)浮標(biāo)，觀測(cè)4條流跡線。

根據(jù)《通航海輪橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ 311-97)條文解釋2.0.4，以及《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139-2014)條文解釋5.2.1-5.2.3，橋梁軸線的法線方向與航道主流的交角超過(guò)5°時(shí)，會(huì)加大船舶操縱難度，增加船舶安全通過(guò)橋梁的風(fēng)險(xiǎn)。

從實(shí)測(cè)的流跡線可以得到以下信息：

(1)潭江水流受潮汐影響較大，在月中大潮2018年3月30日(農(nóng)歷二月十四)至2018年3月31日(二月十五)期間，潭江水流流向發(fā)生改變。

(2)潭江水流方向基本平行于兩側(cè)河岸，與牛灣特大橋軸線的垂線方向約呈15°夾角，這會(huì)加大過(guò)往船舶的操縱難度，增加船舶安全通過(guò)橋梁的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)《內(nèi)河助航標(biāo)志》(GB 5863-1993)關(guān)于橋區(qū)航道航標(biāo)的配布要求，當(dāng)橋梁位于彎曲河段上或水流流向與橋梁軸線的垂線之間的夾角超過(guò)10°時(shí)，在由上游駛向橋孔的航道上，應(yīng)設(shè)置兩對(duì)側(cè)面標(biāo)：第一對(duì)側(cè)面標(biāo)距離橋梁100～300m，第二對(duì)側(cè)面標(biāo)距離橋梁400～800m，每對(duì)側(cè)面標(biāo)的連線應(yīng)與橋梁平行。必要時(shí)還可再增設(shè)側(cè)面標(biāo)，其與橋梁的距離可以根據(jù)具體條件適當(dāng)增大，幾對(duì)側(cè)面標(biāo)的中心線應(yīng)與水流流向平行。據(jù)調(diào)查，牛灣特大橋橋體上已經(jīng)設(shè)置了橋涵標(biāo)和橋柱燈，但在其附近水域未設(shè)置側(cè)面標(biāo)，由于潭江水流方向與牛灣特大橋軸線的垂線方向約呈15°夾角，應(yīng)考慮增設(shè)相應(yīng)的側(cè)面標(biāo)。

3.4 流速觀測(cè)

本次流速測(cè)量日期選擇為2018年3月30日(農(nóng)歷二月十四)至2018年3月31日(二月十五)，在此期間進(jìn)行26h連續(xù)觀測(cè)，此時(shí)處于大潮，江水流速較快。在大橋附近布置2條測(cè)流垂線(分別位于曾被撞擊的32#、35#橋墩附近)，進(jìn)行兩點(diǎn)同步流速、流向測(cè)量，具體流速測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

通過(guò)流速觀測(cè)，可以得到以下信息：

(1)潭江水流平緩，在布設(shè)測(cè)流垂線附近無(wú)急流、湍流存在。

(2)潭江水流的流速在時(shí)間尺度上受潮汐影響較大，在空間尺度上無(wú)明顯規(guī)律。

(3)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，潭江水流平均流速在0.2 m/s～0.6m/s之間，變異系數(shù)基本在0.5～1.0之間，水流流速變化范圍較小。

表6 32#墩附近流速統(tǒng)計(jì)

表7 35#墩附近流速統(tǒng)計(jì)

4 船舶撞擊橋墩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及撞擊力計(jì)算

4.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

參照美國(guó)AASHTO[5]的《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications》(2017年第8版)，橋梁各橋墩每年因船舶撞擊倒塌的頻率可按照以下公式計(jì)算：

AF=N×PA×PG×PC×PF

(1)

式中：AF為橋梁的年倒塌頻率；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，表示代表船舶由于人員失誤、機(jī)械故障、惡劣環(huán)境等原因而偏離正常航線，并可能會(huì)撞擊橋梁的概率；PG為船舶的幾何概率，用正態(tài)分布進(jìn)行模擬；PC為橋墩被撞擊后的倒塌概率；PF為橋墩防護(hù)調(diào)整系數(shù)，考慮橋墩防護(hù)措施或其他保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁倒塌概率的降低。

其中，船舶的偏航概率PA可定義為：

PA=BR×RB×RC×RXC×RD

(2)

式中：BR為偏航基準(zhǔn)概率，依據(jù)通航船舶的類型取值；RB為橋位修正系數(shù)，依據(jù)橋區(qū)附近一定范圍內(nèi)航道的順直、彎曲狀況取值；RC為平行于船舶航線的修正系數(shù)，根據(jù)橋梁跨越水道的順船向水流流速計(jì)算；RXC為垂直于船舶航線的修正系數(shù)，根據(jù)橋梁跨越水道的橫船向水流流速計(jì)算；RD為船舶交通密度修正系數(shù)。

圖11 船撞橋墩概率分布

船舶的幾何概率PG可以定義為船舶靠近橋梁的區(qū)域已經(jīng)失去控制而偏航的概率，屬于條件概率。AASHTO規(guī)范把幾何概率定義為正態(tài)分布密度函數(shù)曲線下陰影部分的面積，它以橋墩的寬度加上橋墩兩側(cè)各1/2船舶寬度為其界限，示意圖如圖11所示。

橋墩被撞擊后的倒塌概率PC是許多變量的函數(shù)，如船舶大小、類型、速度、撞擊方向等，PC也依賴于橋墩本身的抗沖擊能力。AASHTO規(guī)范中PC是根據(jù)橋梁的極限抗力H與船舶撞擊力的比值來(lái)確定的，H為橋梁抗力，P為船舶撞擊力。

PC的取值分為以下幾種情況：

當(dāng)0≤H/P<0.1時(shí)，

PC=0.1+9×(0.1-H/P)

(3)

當(dāng)0.1≤H/P<1.0時(shí)，

PC=1/9×(1-H/P)

(4)

當(dāng)1.0≤H/P時(shí)，

PC=0

(5)

橋墩防護(hù)調(diào)整系數(shù)PF可以表述為PF=1-PP。PP為橋墩的保護(hù)程度，如果防護(hù)措施能提供100%的保護(hù)，那么PP=1。由于牛灣特大橋沒(méi)有采取橋墩被動(dòng)保護(hù)措施，取PP=0。

基于上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，計(jì)算船舶通過(guò)牛灣特大橋時(shí)發(fā)生碰撞事故的概率(表8)。

表8 牛灣特大橋風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

注：風(fēng)險(xiǎn)分析只對(duì)主橋(兩主墩+兩過(guò)渡墩)進(jìn)行。

4.2 船舶撞擊力計(jì)算

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139-2014)按照可通航船舶的噸級(jí)將航道劃分為7級(jí)，并明確指出船舶的噸級(jí)按照載重噸(DWT)確定。

國(guó)內(nèi)外規(guī)范在計(jì)算船舶撞擊力時(shí)，通常使用船舶載重噸(DWT)或船舶重量這兩個(gè)指標(biāo)，而最大船舶重量=滿載排水量噸=空載排水量噸+載重噸。船舶載重噸和最大船舶重量這兩個(gè)指標(biāo)之間并沒(méi)有確切的關(guān)系，同濟(jì)大學(xué)王君杰通過(guò)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得了這兩指標(biāo)之間的擬合關(guān)系曲線，對(duì)于貨船有y=1.799 73×x0.957 88，y為最大船舶重量，x為船舶載重噸。因此在實(shí)際進(jìn)行船撞力計(jì)算時(shí)，采用表9所示的噸位數(shù)據(jù)。

表9 航道等級(jí)劃分及船舶噸位

表10 主通航孔船舶撞擊力計(jì)算

表11 輔通航孔船舶撞擊力計(jì)算

注：為了對(duì)比的需要，在船舶撞擊力計(jì)算時(shí)，撞擊速度均取為3m/s。

船舶撞擊力可采用以下4種規(guī)范進(jìn)行計(jì)算：

(1)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)。規(guī)范并沒(méi)有給出橋梁船舶撞擊力的計(jì)算公式，但是給出了漂流物橫橋向撞擊力的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法，可作為參考：

(6)

式中:W為漂浮物重力(kN)；V為水流速度，此處考慮為航速(m/s)；g為重力加速度(m/s2)；T為撞擊時(shí)間，取為1(s)。

(2)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002-2017)。橋梁墩臺(tái)考慮船舶撞擊作用時(shí)，其撞擊作用力可按照下式計(jì)算：

(7)

式中:F為撞擊力(kN)；γ為動(dòng)能折減系數(shù)，正向撞擊時(shí)取0.3(s/m0.5)；v為撞擊速度(m/s)；α為撞擊夾角，正向撞擊時(shí)取α=90°；W為船只或漂浮物重力(kN)；C1、C2分別為船舶和墩臺(tái)的彈性變形系數(shù)，缺乏資料時(shí)可取C1+C2=0.000 5m/kN。

(3)《美國(guó)AASHTO-2017規(guī)范》。船舶對(duì)橋墩的撞擊作用力可按照下式計(jì)算：

(8)

式中：F為撞擊力(kN)；V為撞擊速度(m/s)；DWT為船舶載重噸(kN)。

(4)《歐洲統(tǒng)一規(guī)范(Eurocode 1)Actions on structures》。輪船對(duì)橋墩的撞擊作用力可按照下式計(jì)算：

(9)

式中：F為撞擊力(MN)；V為撞擊速度，對(duì)于內(nèi)陸航道船舶取為3(m/s)；K為撞擊時(shí)船舶與橋梁之間的相互作用剛度，對(duì)于內(nèi)陸航道船舶取為5(MN/m)；M為船舶重量(kg)。

將牛灣特大橋主通航孔、輔通航孔的設(shè)計(jì)代表船型進(jìn)行不同規(guī)范下的船撞力計(jì)算。

對(duì)比主橋設(shè)計(jì)船舶撞擊力橫橋向1 800kN和順橋向1 400kN，依據(jù)規(guī)范計(jì)算的船舶撞擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)安全值。且在通航交通量調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，平均每天都會(huì)有載重噸超2 000t的船舶通行，橋梁安全運(yùn)營(yíng)面臨一定的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，牛灣特大橋目前面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)因素如下：

(1)牛灣特大橋的通航側(cè)高、凈寬、上底寬均不能滿足現(xiàn)行《14標(biāo)準(zhǔn)》的要求，航道交通受到橋梁設(shè)計(jì)通航凈寬的限制，船舶撞擊橋墩的可能性較高。

(2)牛灣特大橋平均每天通航船舶為109艘，其中超設(shè)計(jì)噸位(1 000t)的船舶比例為2.75%。

(3)潭江水流方向與牛灣特大橋軸線約呈15°夾角，這將加大船舶操縱難度，增加船舶安全通過(guò)橋梁的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)船舶駕駛者經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)較少減速緩行、選擇在橋梁下方會(huì)船、在尚未開(kāi)放的輔通航孔通行等。