基于風險接受準則的橋墩抗撞承載力需求分析

羅佳潤

摘要：本文以一座鐵路橋為研究對象，結(jié)合 AASHTO 規(guī)范的規(guī)定，對該橋進行了詳細的風險評估，并結(jié)合船撞橋的風險接受準則計算得到橋墩抗撞承載力的需求，為橋梁設(shè)計提供依據(jù)，同時還提出了橋墩防撞風險決策的建議。

關(guān)鍵詞： AASHTO;橋墩;風險評估;抗撞;承載力;風險決策

中圖分類號：U443.22 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0096-03

跨通航河道的橋梁中，通常會有橋墩落于水中，而通航水域往往又有船舶航行，這樣就存在船撞橋墩的風險。合理評估橋墩被船撞的風險，對橋墩的科學設(shè)防具有重大意義。從目前國際上的應(yīng)用情況來看，美國 AASHTO 的《公路橋梁船撞設(shè)計指南》（2009版）所提供的橋梁船撞風險評估方法最為實用[1]，該指南中提供了一個計算橋梁年倒塌頻率的模型，根據(jù)這個模型，可以結(jié)合船舶年通航量、偏航概率、幾何概率、倒塌概率等因素計算得到橋梁的年倒塌頻率。

目前國內(nèi)也有不少學者結(jié)合AASHTO提供的模型，對特定橋梁船撞風險評估[2-4]，為橋梁抗撞、防撞提供了一定的依據(jù)。

本文以新建渝黔鐵路麻柳坪郁江大橋為例，結(jié)合 AASHTO 的數(shù)學模型，以關(guān)鍵性橋梁的年撞損概率為目標，來反推橋墩抗撞承載力，為橋墩的設(shè)計提供必要的依據(jù)。

1 AASHTO 風險分析模型簡介[6]

2009年的 AASHTO 船撞設(shè)計指南中，對風險分析提出了三種不同的方法，其中以方法II 的應(yīng)用最為廣泛。方法 II 是一種基于概率的分析程序，方法 II 需要大量的船舶、橋梁和航道特征的輸入數(shù)據(jù)。方法 II 提出了計算由于船撞導(dǎo)致的橋梁年倒塌頻率的模型，其計算表達式為：

AF=（N）（PA）（PG）（PC）（PF）

式中： AF 為由于船撞導(dǎo)致的橋梁年倒塌頻率，應(yīng)針對每個橋梁構(gòu)件和船舶分類進行計算，所有橋梁構(gòu)件的 AF 的總和等于整個橋梁結(jié)構(gòu)的年倒塌頻率; N 為按類型、尺寸和裝載條件分類的可能撞擊橋梁構(gòu)件的船舶年通航數(shù)量; PA 為船舶偏航概率; PG 為異常船舶與橋墩或橋跨碰撞的幾何概率; PC 為由于異常船舶撞擊導(dǎo)致橋梁倒塌的概率; PF 由于上游或下游陸塊或其他阻擋船只的結(jié)構(gòu)造成的船只碰撞，考慮到潛在保護橋墩免受船舶碰撞的調(diào)整系數(shù)。其它更詳細參數(shù)含義參考文獻[6]。

2項目概況

擬建太子坪烏江特大橋所在河段為烏江重慶段，系烏江下游段。大橋橋址區(qū)位于烏江土沱～中咀段內(nèi)，屬低水通航控制河段。

從現(xiàn)狀河道情況來看，橋址位于三峽回水烏江段末端，橋址河段勢彎曲。橋區(qū)河段上為峽谷-廟埡口，水面狹窄，枯水期江面寬僅90～100m，最大水深可達25m 左右，水流流速1.0m/s 左右;洪水期江面展寬110～170m，水陡流急，最大流速增至3.5m/s 及以上。橋址枯水面最窄處僅約200m，洪水期流漫灘后，面寬達約400m。白馬樞紐建成蓄水后，太子坪烏江特大橋位于其常年回區(qū)，橋址附近河道水位將抬升，水深富余，流速變緩，橋區(qū)河段航道條件總體較好。

擬建太子坪特大橋中心里程： DK160+635.05，橋長2313.85m。其中，跨越烏江段主孔布置為（131+300+131） m 雙塔斜拉橋。大橋28#、29#墩間橋孔為通航孔，跨度300m，通航孔梁底高程為231.17m。大橋28#～29#主墩均為圓端矩形墩，橋墩尺寸均為24×12m（橫橋向×順橋向，下同），橋墩下設(shè)圓端矩形承臺，承臺尺寸均為40.8×26×6.0m，承臺頂高均基本位于河床面以下。

擬建太子坪烏江特大橋位于烏江白馬～中咀段，現(xiàn)狀航道等級為Ⅳ級，航道維護尺度為1.9×30×330m。太子坪烏江特大橋所在的烏江航道規(guī)劃為Ⅲ級，對應(yīng)航道尺度為2.7×45×480m，通航保證率98%，通行1000t 船舶。

3船撞風險評估

3.1通航水位的選取

根據(jù)文獻[5]，橋區(qū)下游的白馬樞紐建成后，對橋區(qū)的水位將產(chǎn)生影響。

據(jù)此，本文進行船撞風險評估時，綜合考慮以白馬樞紐建成后對應(yīng)的四個水位作為通航水位進行評估。

3.2水流速度及航行速度

根據(jù)文獻[5]整理得到表2插值得出180.08下的水流流速并求得速度分量。

3.3通航密度

在2005年以前，彭水及銀盤兩級樞紐尚未開工，烏江航運正處在黃金階段，太子坪烏江特大橋、黃草烏江大橋和清水坪烏江大橋所在的烏江河段船舶流量為16～20艘/日。2005-2010年銀盤樞紐實行明渠通航，5000m3/s 以上流量停航，加上彭水樞紐斷航，船舶流量減少為6～10艘/日。2010年底烏江銀盤樞紐工程截流斷航，船舶實行翻壩運輸或貨物改走路上運輸，受其影響，本江段船舶總流量大幅下降。根據(jù)當?shù)馗酆焦芾聿块T統(tǒng)計資料顯示，2011年至2014年，全年通過本江段的船舶僅900艘次，且多為小型短途運輸船。銀盤樞紐蓄水運行后，船閘具備通航條件，但受烏江航運萎縮的影響，現(xiàn)階段工程所在烏江河段過壩船舶很少，僅有些私營的貨船及漁船，船舶流量不大，日均流量約1～4艘次，且主要為貨船。

烏江渡至涪陵段航道全長594km，是烏江干流的主要航道。烏涪段的6座水電站樞紐中（含待建的白馬樞紐），思林、銀盤、白馬等3座樞紐的庫區(qū)死水位與其上游樞紐最低通航水位相銜接，這3座樞紐建成后，其庫區(qū)航道將成為常年庫區(qū)航道[7]。由于太子坪烏江特大橋所在的烏江航道規(guī)劃為Ⅲ級，故船舶的通航量參照下游同屬Ⅲ級航道的涪陵大橋處通航量，主要船型及參數(shù)見表4。

船舶航行速度根據(jù)文獻[5]，船舶航行速度上行3.89m/s，下行6.94m/s。分析中按上下行船舶數(shù)量相等進行。

3.4橋年倒塌可接受風險

考慮鐵路的重要性，結(jié)合橋梁可接受風險的要求，確定該橋年倒塌可接受風險以0.0001次/年作為參考。

3.5評估計算

根據(jù)已有參數(shù)計算，結(jié)合《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定計算得到船舶撞擊力如下表5。

經(jīng)過分析，在最高通航水位下，船舶的可達區(qū)域涉及 P1-P5五個墩，因此，將這5個墩作為研究對象，其中 P2、P3為橋塔。限于篇幅，僅列出190.39m 水位下的分析：

根據(jù)實測的航跡線來看，各個水位線航跡偏差不大，故針對不同的水位，采用一致的航跡線進行分析。

根據(jù)橋年倒塌可接受風險：0.0001次/年，經(jīng)過反復(fù)計算迭代，得出 P2，P3抗力為35.5MN，P1，P3， P4抗力為26.5MN 的前提下，全橋年倒塌可接受風險能滿足要求。

4結(jié)論與建議

從分析結(jié)果來看，按2050年的預(yù)測數(shù)據(jù)，全橋一年被撞的次數(shù)達到0.13182次，其中 P2墩被撞的風險最大，達到0.08891次/年。對于 P1，P4，P5，由于在高通航水位時，會處于水中，雖其被撞風險較小，但一旦被撞，造成的后果會比較嚴重。對于上行船舶，速度較小，撞擊力也較小，對橋墩的抗撞承載力需求不起控制作用。根據(jù) AASHTO 的船撞橋風險接受準則及本次計算分析，對于通航孔的抗撞設(shè)防承載力需要滿足最大通航船舶撞擊力的要求，同時要尤其注意距離通航孔不遠處的水中輔助墩抗撞風險，這類墩往往承載力較低，一旦被遭受較大的撞擊力，會產(chǎn)生嚴重后果。如果要將全橋的年倒塌風險降至10-4以下的話，僅僅從提高抗力的角度出發(fā)，將會以較高的通航船舶的撞擊力來設(shè)計通航孔的橋墩，對于非通航孔的橋墩，這樣做的代價會比較高昂。

基于以上的分析，給出以下風險決策建議：

（1）由于橋梁所在航段的船舶在目前情況下所列船型，由于后期白馬樞紐的建成后，會對航道有重大影響，所以可以結(jié)合當前情況，做好當前的橋墩抗防撞設(shè)計，確保近期橋梁安全;

（2）結(jié)合后期的航道的變化，動態(tài)搜集航道及船型信息，適時做好相應(yīng)的船撞風險評估，并作出相應(yīng)的調(diào)整;

（3）當前情況下，需做好航道的導(dǎo)助航措施，有效減少船舶的偏航概率;

（4）對于有通航需求的橋梁，前期可結(jié)合此方法計算橋墩抗撞承載力需求，確定墩尺度及材料或先行確定尺寸及材料后再結(jié)合此方法驗算。

參考文獻：

[1]耿波，王福敏，汪宏.三峽庫區(qū)橋梁船撞技術(shù)與工程實踐[M].人民交通出版社.2016

[2]張少為 ， 毛瀚概.嘉陵江黃花園大橋船橋碰撞概率的 AASHTO 計算法解析[A].中國公路學會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會、遼寧省公路學會、中朝鴨綠江界河公路大橋項目指揮部.中國公路學會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會2013年全國橋梁學術(shù)會議論文集[C].中國公路學會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會、遼寧省公路學會、 中朝鴨綠江界河公路大橋項目指揮部：中國公路學會 ，2013：6.

[3]鄧安妍 ， 高建東 ， 杜躍亭.基于 AASHTO 模型算法的橋梁船撞風險分析[J].世界橋梁 ，2011（01）：55-58.

[4]高驍 ， 趙宏元 ， 姚浩楨.基于 AASHTO 規(guī)范的城市內(nèi)河航道船橋碰撞風險分析[J].港工技術(shù) ，2020，57（S1）：116-119.

[5]重慶西科水運工程咨詢中心，湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司.新建重慶至黔江鐵路跨河橋梁航道通航條件影響評價報告[R].，2019.12

[6]AASHTO.Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges （2nd edition）[Z].American Association? of State? Highway? and? Transportation? Officials， Washington D.C.2009

[7]姚育勝.烏江水電開發(fā)對航運的影響及對策研究[J].武漢交通職業(yè)學院學報 ，2016，18（03）：5-10.

[8]曹佰楊 ， 李嵩林.涪陵烏江大橋復(fù)線橋船撞風險研究[J].公路交通技術(shù) ，2016，32（02）：51-56