基于风险可接受程度的桥梁通航净宽尺度设计

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(武汉理工大学 航运学院，武汉 430063)

目前国内桥梁通航净宽尺度设计多是依据国家通航标准进行的。标准中规定，当水上过河建筑物的附近可能出现紊流时，其通航净宽应在规定的通航基础上加大，增加值宜通过模拟实验研究决定[1]。《通航海轮桥梁通航标准》规定桥梁通航净空宽度等于航道有效宽度与扩大系数的乘积[2]。无论是紊流区的增加值还是扩大系数的确定都还存在争议[3-5]。目前的桥梁通航净宽尺度计算主要是基于船桥碰撞的概率，这种方法有一定的局限性。小事故(事故后果较轻微)发生的概率大，而重大事故(事故后果极其严重)发生的概率小，如果只考虑事故发生的概率，则会导致对重大事故的预防预警不足。因此，考虑以可接受的风险程度为基础进行桥梁通航净宽尺度的计算，并以不同排水量的船舶为例对本模型进行验算。

1 船桥碰撞风险模型

船桥碰撞风险R是一个包含两个维度的概念，即碰撞事故发生的概率f及后果C。

概率f包含了所有船撞桥的情形，如船正面(或侧面)碰撞桥墩，大(小)排水量船舶以高速(低速)碰撞桥墩等，所有这些情况造成的后果各不相同，因此船撞桥的风险R为：

×Ci

(1)

式中：fi——第i种碰撞情形发生的概率；

Ci——第i种碰撞情形造成的后果。

1.1 船桥碰撞风险的测度

1.1.1 船撞桥概率的测度

目前在船桥碰撞领域广泛使用的概率模型有很多[6-8]，结合目前的实际情况考虑采用经修正的戴彤宇模型，该计算模型参照的概率分布见图1。并将该模型表达为

(2)

式中：F——桥梁年碰撞频率；

Qi——单位时间内第i类船的船舶流量；

fi——第i类船的碰撞影响系数；

Pij——第i类船与第j个桥墩或桥梁构件碰撞的几何概率；

E——桥墩紊流总宽度。

A、B参见图1。

图1 修正模型几何概率分布示意

该船桥碰撞概率模型对戴彤宇模型的主要修正之处在于对船桥碰撞几何概率Pij的积分区间增加桥墩紊流区。这是因为当船身离墩非常近但没有航行到碰撞桥梁的航线上时，船舶在驶离桥墩的路径中很可能会发生船体甩而直接扫到桥墩，类似这样的事故主要是因为桥墩的阻水作用而使墩周以及两墩之间的水流情况变得异常复杂。船舶处于桥墩紊流水域时，由于水流流态紊乱，船舶操纵性能急速下降，船舶擦碰到桥墩的危险性极大，因此在计算船桥碰撞概率时有必要考虑桥墩紊流区对船舶的影响。

1.1.2 船桥碰撞事故后果的测度

就船桥碰撞系统中的两个主体船和桥而言，结果分为两种：船舶的损伤和桥的损坏。为了定量分析事故的后果，有必要对事故后果指标进行选择和优化。选择以桥梁的损坏为船桥碰撞事故后果的度量标准。

根据我国桥梁建筑的划分习惯，将桥梁损坏划分为①基本完好、②轻微破坏、③中等破坏、④严重破坏、⑤倒塌[9]，相应的量化见表1。

表1 船撞桥后果量化结果

1.2 基于可接受风险程度的通航净宽尺度

1.2.1 风险可接受程度

关于船撞桥事故的风险分析，仅考虑船桥相撞年度风险，即年度船桥碰撞风险曲线。就风险接受而言，目前海事领域还没有一个通用标准，IMO认可的标准是船员最大可忍受风险值为10-3/年，旅客为年10-4/年，岸上公众为年10-4/年，可忽略值为年10-6/年。我国水上交通领域通常以10-4/年作为主要安全功能削弱的可能受限值，以10-5/年作为风险频率的极限[10]。

根据风险准则、综合表1的后果划分及船桥碰撞的频率，将风险分别用定性和定量的方式表示，见图2。

1.2.2 基于风险可接受程度的桥梁通航净宽

由式(3)可知，船舶与桥梁发生碰撞的频率是关于A、B的函数，而A、B两点的坐标是由桥墩的相对位置确定的(见图1)，则根据可接受风险标准，即碰撞频率与后果的乘积的可接受区间即可求出满足通航安全要求的桥梁通航净空宽度。

图2 风险水平示意

2 算例分析

以某通航桥孔为例，只考虑船舶排水量，假设船舶在桥区水域的航速均为6 kn，船舶均为正面撞击桥墩，所取设计船型为同一种类的船舶，为研究方便，取船型为油船，船舶影响系数均取为0.07，桥墩宽度9 m，紊流区宽度取2.4 m。该水域的船型概况及船舶与桥墩的撞击力见表2。

表2 设计船型概况及船桥碰撞的撞击力

船与桥梁碰撞的频率及桥梁通航净宽尺度的关系见图3。

图3 船桥碰撞频率与桥梁通航净宽尺度关系

将表2与图3的结果与可接受风险水平对照，得到基于风险的桥梁通航净宽尺度，见表3。

表3中的规范计算值是指在一般横流条件及最大横流条件下的值。由表3可知，当桥梁净宽尺度满足广泛可接受区的桥梁通航净宽最小尺度时，基本上可以满足最大横流条件时的桥梁净宽要求，而最低合理可行限度区桥梁通航净空最小尺度与规范中最大横流时的桥梁通航净宽要求有一些差异。可以看出规范设计值相对保守，最低合理可行限度区是指为保证一定的效益，社会能够容忍存在一定范围内的风险。它是不容忽视和需要保持监测的风险界限，如果可能，应进一步减少其程度。表3中广泛可接受区的桥梁通航净宽最小宽度与最低合理可行限度区的桥梁通航净宽最小宽度的计算都依赖于船舶航迹分布参数(μ，σ)，参数取值不同，计算结果也不同。航迹分布参数体现的是驾驶员的操船水平，不同的驾驶员操船水平不同，但是桥梁通航净宽尺度是基于可接受风险水平计算的，即考虑一定水平的航迹分布，而不是考虑所有可能的极端情况。

表3 基于风险可接受的桥梁通航净宽尺度

3 结论

从计算结果来看，该方法一方面体现出船桥碰撞事故发生概率与后果的的关系，即事故发生的频率与事故的后果是负相关的，后果严重事故的发生概率要小一些。这在一定程度上克服了由经验导致的不确定性。另一方面，该方法计算所得桥梁通航净宽尺度与现有规范相比更加严格、谨慎。由于方法是基于风险可接受程度的，不但考虑了安全需要，也在一定程度上体现了成本因素，可以为优化设计提供借鉴。

研究只考虑了船舶排水量因素，而在实际航行过程中，船舶类型、船舶航速、船舶航向对船桥碰撞的概率及后果均有影响，因此，本模型计算结果与实际情况存在一定误差。另外，船舶的航迹分布取决于操船水平，因此对于船舶航迹分布参数的选取还需要人为通过模拟实验或实船实验来获得，在精度上还难以令人满意，这也是今后研究的重点。

[1] 中华人民共和国交通部. (GB 50139—2004)内河通航标准[S].北京：中国计划出版社，2004.

[2] 中华人民共和国交通部. (JTJ311—1997)通航海轮桥梁通航标准[S].北京：人民交通出版社，1997.

[3] 陈明栋,王多银.探讨跨江桥梁通航净空尺度和通航安全保障措施[J].水运工程,2001,4(4):42-45.

[4] 甘浪雄.船舶在桥区安全航行可靠性分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2003,27(4):455-458.

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[6] American Association of State Highway and Transportation Officials. Strategic Highway Safety Plan[S]. LRFD Bridge Design Specification and Commentary. Washington D.C.1994.

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[9] 中华人民共和国交通部. (JTG D62)公路钢筋混泥土及预应力混泥土桥涵设计规范[S].北京：中国计划出版社,2004.

[10] 林铁良.船舶撞击桥梁风险评价[D].上海：同济大学,2006.