某大型跨海橋梁抗船撞性能分析及設(shè)防標準研究

摘" 要：近年來船撞橋事故時有發(fā)生，通過合理的風險評估選取適宜的防撞措施對于保障跨航道橋梁安全運營而言具有至關(guān)重要的作用。針對某大型跨海橋梁臺風期進港船舶數(shù)量顯著增加的特殊環(huán)境，采用JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》船撞風險概率分析方法分別計算該橋年碰撞概率和倒塌概率，同時計算臺風期及非臺風期的橋梁抗撞性能。計算結(jié)果表明，距離通航孔距離越遠的橋墩，其設(shè)防代表船型越低；臺風期由于橋區(qū)航道流速較高，失控船舶撞擊力較大，部分橋墩安全系數(shù)較低。

關(guān)鍵詞：跨海大橋；船撞概率；設(shè)防標準；風險評估；橋梁安全性能

中圖分類號：U447" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0033-05

Abstract： In recent years， ship collision accidents occur frequently， so it is very important to select appropriate anti-collision measures through reasonable risk assessment to ensure the safe operation of cross-channel bridges. In view of the special environment in which the number of ships entering the port of a large cross-sea bridge increases significantly during the typhoon period， the annual collision probability and collapse probability of the bridge are calculated respectively by using the ship collision risk analysis method of the JTG/T 3360-02—2020 \"Code for Anti-collision Design of Highway Bridges\"， and the anti-collision performance of the bridge in the typhoon period and non-typhoon period are calculated at the same time. The calculation results show that the longer the distance from the navigation hole is， the lower the fortification represents the ship type; during the Taiwan wind period， due to the higher velocity of the channel in the bridge area， the impact force of the ship out of control is larger， and the safety factor of some piers is lower.

Keywords： cross-sea bridge; ship collision probability; fortification standard; risk assessment; bridge safety performance

隨著跨航道橋梁及通航船舶數(shù)量的增加，近年來船舶撞擊橋梁的安全事故屢見不鮮。相關(guān)統(tǒng)計資料表明，橋梁遭受船舶撞擊是跨航道橋梁發(fā)生倒塌的重要原因之一[1]。然而通航橋梁由于橋梁結(jié)構(gòu)、橋區(qū)通航環(huán)境的不同，其設(shè)防標準具有顯著的差異，采用統(tǒng)一的防護標準將導致資源浪費。因此針對跨航道橋梁通過開展船撞風險分析進而針對性地選用適宜的抗撞性能提升方案逐漸被橋梁工程設(shè)計人員所采用。彭聰[2]針對廣東某斜拉橋的抗撞性能進行了分析，并比較了國內(nèi)外計算船撞力的公式，同時深入分析了不同防撞設(shè)施的防護效果。黃飛龍等[3]通過建立橋梁有限元模型，分析了某大橋在通航代表船型撞擊力作用下的安全系數(shù)。馮佳佳等[4]針對某大橋分析了不同撞擊工況下的抗撞性能，并探尋了撞擊工況下橋梁結(jié)構(gòu)的最大受力部位。廖鴻鈞等[5]針對某大橋的船撞風險概率進行了分析，并詳細分析了影響橋梁碰撞概率的敏感性參數(shù)。郭健等[6]通過調(diào)研詳細收集了影響船撞橋梁的多重因素，進而采用模糊數(shù)學理論通過對眾多影響因素賦予不同權(quán)重分析了某跨海大橋的船撞風險概率。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多通過將橋梁基礎(chǔ)抗力與通航船舶撞擊力的大小進行比較進而判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否滿足抗撞性能要求，鮮有通過船撞風險概率分析方法來確定各涉水墩的設(shè)防標準。此類分析方法雖能滿足通航孔的抗撞性能評估，但對于涉水墩數(shù)量較多的跨海橋梁而言，由于非通航孔橋墩同樣具有船舶撞擊風險，通過主觀選取其設(shè)防代表船舶進而開展抗撞性能提升措施工作難免造成標準不一。因此，本文通過采用JTG/T 3360-02—2020《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》[7]（以下簡稱《規(guī)范》）船撞風險概率分析方法分析了全橋各涉水墩的設(shè)防代表船型，為該橋后續(xù)開展抗撞性能提升治理工作提供了基礎(chǔ)，同時相關(guān)研究方法可為其他大型跨海橋梁抗撞性能評估提供參考。

1" 工程概況

某大型跨海橋梁為（40×16+124+300+124+40×16） m的三跨雙塔雙索面鋼-混凝土組合梁斜拉橋，橋梁全寬34 m，主橋布置圖如圖1所示。橋塔承臺采用圓端形，厚度為6 m，橫橋向長58.75 m，順橋向?qū)挒?5.6 m，主塔下設(shè)36根直徑為2.5 m的鉆孔灌注樁。過渡墩采用單柱式薄壁墩，截面尺寸為4 m×2 m，承臺與主塔承臺外形一致，采用圓端形，厚度為3 m，橫橋向長20.95 m，順橋向長8.2 m，單個承臺基礎(chǔ)下設(shè)6根直徑為2.0 m的鉆孔灌注樁。全橋設(shè)有一單孔雙向通航孔，凈空尺度為200 m×25 m，最高通航水位下全橋共計13個橋墩具有船舶撞擊風險。

由于大橋所處位置距離出?？?.7 km，且上游為天然港灣，使得臺風期進港靠泊船舶數(shù)量激增。如2021年我國第18號臺風“圓規(guī)”于橋區(qū)所在省份登陸，研究團隊通過中華人民共和國海事局AIS信息服務(wù)平臺上對橋區(qū)附近船舶進行了統(tǒng)計，如圖2所示。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，臺風期間橋區(qū)附近共計168艘船舶，其中船長小于50 m的占76.19%，約128艘；船長為50～100 m的船舶占21.43%，約36艘；船長為100～200 m的船舶和200 m以上的船舶比例均為1.19%，各約2艘。作為對比，圖3列出了該橋非臺風期橋區(qū)附近船舶數(shù)量及不同船型的密度分布情況。

2" 橋梁船撞風險分析

2.1" 橋梁船撞風險概率分析方法

目前，國際范圍內(nèi)在對橋梁進行船撞風險評估分析過程中，應(yīng)用較多的主要有3類模型：AASHTO模型、KUNZI模型和歐洲規(guī)范模型。其中AASHTO模型由于理論方法較為完善且計算方式較為簡單使得其被多國所采納[5]，然而該模型并未考慮一些強制的停船措施使得其計算結(jié)果不能合理反映實際的船舶碰撞概率；KUNZI模型雖考慮了人為因素在船舶碰撞橋梁過程中的影響，但未考慮通航船舶在橋區(qū)所在航道橫向分布的影響；而歐洲規(guī)范模型同時考慮了船舶橫向分布、橋區(qū)所在航道單位航程碰撞事故率等因素的影響，理論推導更為嚴謹。然而該模型缺乏定量表達式，使得其并未被大范圍采用。針對上述分析模型的不足，《規(guī)范》提出了三參數(shù)概率積分路徑模型，即同時考慮不同水位分布概率、通航船舶航跡橫向分布密度、船舶單位航行距離的失誤概率及人為因素影響下的停船概率，使得分析模型更為符合實際。

2.2" 橋梁極限抗船撞能力計算方法

根據(jù)《規(guī)范》第6.1.4條的規(guī)定，船舶撞擊力的作用點可選為計算通航水位以上2m處，船舶撞擊力計算公式為《規(guī)范》第5.1.3條規(guī)定即

式中：F為輪船撞擊力設(shè)計值，MN；a為輪船撞擊力系數(shù)，取0.33；η為幾何尺寸的修正系數(shù)；γ為撞擊角度的修正系數(shù)；V為船舶撞擊速度，m/s；CM為附連水質(zhì)量系數(shù)；M為滿載排水量，t；ΔH為被撞體厚度，m；Hs為船艏高度，m；β為統(tǒng)計系數(shù)取4.0；θ為船舶軸線與碰撞面法線夾角，°；a0，b0參數(shù)參考《規(guī)范》5.1.3取值。

在計算得到船撞力數(shù)值大小之后，將其以節(jié)點力的方式加載到通過Midas Civil建立得到的橋梁有限元模型對應(yīng)節(jié)點上，進而得到橋梁結(jié)構(gòu)最大受力部位，并進一步針對最不利控制截面進行M-φ曲線分析以判斷橋梁結(jié)構(gòu)抗撞性能是否滿足相應(yīng)要求。

2.3 橋梁抗力計算有限元模型及計算工況

采用Midas Civil建立全橋有限元模型（圖4），并采用“m法”考慮土-基礎(chǔ)的相互作用?？棺残阅茯炈銜r所采用的荷載組合為自重+二期恒載+車輛+船撞力。為確保本次分析是基于橋梁目前的結(jié)構(gòu)特性，建模時采用了定期檢測報告的檢測索力。

由于本項目橋區(qū)環(huán)境的特殊性，臺風期間船舶大量靠港，且靠港船舶離引橋墩較近。而船舶碰撞橋梁事故往往由惡劣天氣導致，且臺風期不僅增加了船舶斷錨風險，同時一定程度上還將增加船舶的撞擊速度。本次分析中非臺風期水流速度取1.5 m/s，臺風期取7 m/s。綜上，依據(jù)船舶可達性分析基礎(chǔ)上，選取了計算工況見表1。表1中工況1—工況13為非臺風期，工況14—工況17為臺風期。

3 計算分析結(jié)果

3.1 全橋設(shè)防代表船型計算

由于設(shè)防代表船型以及設(shè)防船撞力的大小與橋梁可接受風險選取有關(guān)。因此為得到該跨海大橋各涉水墩滿足可接受風險時對應(yīng)設(shè)防船撞力，計算了不同設(shè)防船撞力下的橋梁倒塌概率，并選取1×10-4為可接受臨界風險概率進而得到橋梁年倒塌風險隨橋墩設(shè)防船撞力變化的曲線如圖5所示。

計算結(jié)果表明，隨著各橋墩設(shè)防船撞力不斷增大，全橋的船撞年倒塌風險呈逐步減小。當大橋各涉水橋墩設(shè)防船撞力為C組時，全橋的年倒塌頻率可降低至可接受風險1×10-4/a。此時，P11—P23墩設(shè)防船撞力依次為1.98、2.5、2.7、3.0、4.6、6.0、15.0、19.2、9.0、4.67、3.0、2.7、1.98 MN。進一步，根據(jù)設(shè)防船撞力反算得到各涉水墩的設(shè)防代表船型以及船舶撞擊速度見表3。

3.2" 結(jié)構(gòu)自身抗撞性能計算

在根據(jù)船撞風險概率分析方法計算得到各涉水墩設(shè)防船撞力及設(shè)防代表船舶的基礎(chǔ)之上，將對應(yīng)噸位船舶的撞擊力以節(jié)點荷載的形式加載到各涉水墩的有限元模型上以判斷其是否滿足抗撞性能要求。計算結(jié)果見表4。

計算結(jié)果表明，非臺風期各橋墩在設(shè)防代表船型的時程荷載作用下的船撞效應(yīng)均滿足截面抗撞性能要求。然而臺風期由于水流速度增加，各涉水墩當遭受設(shè)防代表船舶以7 m/s的速度撞擊時，安全系數(shù)較低，P14、P15不滿足抗撞性能要求。

3.3" 船撞風險分析

在詳細收集橋區(qū)通航密度、通航船舶船速、水流速度及不同水位分布密度，以及橋梁各涉水墩自身抗力等基礎(chǔ)之上，計算得到該跨海大橋各涉水墩的年碰撞概率及年倒塌概率見表5。

計算結(jié)果表明，根據(jù)規(guī)范方法的計算結(jié)果，大橋在遠期通航密度下的年碰撞頻率約為0.196次/a；年倒塌頻率為4.04×10-6，低于可接受風險1×10-4/a。全橋年倒塌概率的風險值主要來源于引橋墩P14、P15、P20、P21，且距離通航孔越遠的橋墩其遭受船舶撞擊的概率越低。

4" 結(jié)論

1）根據(jù)風險概率分析結(jié)果，全橋各涉水墩的設(shè)防代表船型與通航孔的距離有關(guān)，總體呈梯次遞減的關(guān)系。

2）臺風期由于靠港船舶數(shù)量較多且橋區(qū)流速較大，在船舶撞擊力的作用下，原橋安全系數(shù)較小。

參考文獻：

[1] 王鵬，油川洲.某鋼箱梁斜拉橋船撞設(shè)防標準研究[J].公路交通技術(shù)，2021，37（6）：122-127.

[2] 彭聰.廣東某橋船撞數(shù)值模擬與防撞設(shè)施設(shè)計[J].廣東土木與建筑，2022，29（9）：64-68.

[3] 黃飛龍，黃科榜，林云，等.南寧三岸邕江大橋通航安全風險及抗撞性能研究[J].西部交通科技，2022（5）：116-120.

[4] 馮佳佳，朱登遠，雷艷紅，等.清云高速肇云大橋抗撞性能分析[J].山西建筑，2022，48（20）：11-14.

[5] 廖鴻鈞，柳春.既有橋梁的船橋碰撞風險評估[J].四川建筑，2022，42（4）：103-106.

[6] 郭健，何威超.跨海橋梁船撞風險綜合評估[J].海洋工程，2020，38（5）：125-133.

[7] 公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范：JTG/T 3360-02—2020[S].2020.

第一作者簡介：梁波（1978-），男，碩士，正高級經(jīng)濟師，工程師。研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)沖擊防護。