基于风险思想的桥梁防船舶撞击若干问题思考

张少为

（长安大学公路学院 西安 710018）

触目惊心的船桥碰撞事故说明桥梁防撞技术研究成果的实用性和操作性需要进一步论证。笔者以 “ship－bridge collision”为关键词，使用PDFGeni和Google等引擎搜索网络资源，同时利用图书馆资源平台对 SpringerLink，Elsevier ScienceDirect等外文数据库，以及CNKI中文数据库近10年有关船桥碰撞研究文献进行了采集，发现国内外基于风险思想的桥梁防撞研究仅限于概率数学模型的理论性研究，并存在不完善之处。其中，姜华等［1］对美国规范模型、欧洲规范模型、拉森模型和昆兹模型4个代表性船桥碰撞概率模型进行了比较，推荐采用美国规范模型和拉森模型。Guo［2］优化了桥梁传感器的布置，可以对船桥碰撞事故进行事故前的预警并通过检测数据评估桥梁的毁坏程度，但该研究低估了在桥墩紊流区的碰撞概率。因此，本文将在国内外已有成果的基础上分析桥梁防撞技术研究现状，探讨相关研究的局限性，并提出相应的改进措施，意在完善桥梁防撞技术研究的文献资料。

1 文献述评

目前国内研究大多集中于被动防撞技术，旨在通过提高桥梁自身的防撞能力或者设置力学防撞装置来减小撞击力和降低船撞桥事故的影响，但是必须承认的是桥梁设计几乎不可能挡住所有的碰撞。例如湛江海湾大桥的大桥主墩柔性吸能防撞装置虽然在技术和成本上已经有所突破，但高昂的造价对于小型桥梁来说是无法接受的。现有的桥梁防撞装置不可能得到普及，仅限于密集航道的重要桥梁，对于桥梁防撞能力的总体提升没有实质性帮助。被动防撞技术在短期内都将是治标不治本的一种桥梁防撞技术，但相比而言，基于风险思想的防撞技术具有防患于未然的优点。从桥梁设计角度来说，碰撞概率计算结果可以为调整桥梁设计方案或满足减少风险直至达到可接受风险等级标准的要求提供科学依据［3］。因此，可以运用船撞桥梁概率评估桥梁遭受碰撞的风险，并借助信息技术辅助设施和加强航运管理，以最大程度地规避船撞桥梁的风险。通过对国内外文献的采集与梳理，笔者发现以下概率模型是目前基于风险思想的桥梁防撞技术研究成果中最具代表性的数学模型，描述如下。

1.1 美国规范模型（AASHTO模型）

《美国公路桥梁设计规范》（LRFD Bridge Design Code，下文简称《美国规范》根据AASHTO指南，提出船舶对桥梁的碰撞风险用桥梁构件的年倒塌频率来描述［4］，数学模型为

式中：AF为桥墩年倒塌频率；N为年船舶流量；PA为船舶偏航概率；PG为偏航船只撞桥的几何概率；PC为桥梁倒塌概率。算出每个桥墩及桥梁构件的年倒塌频率，其总和即为整座桥的倒塌年频率。其中船舶偏航概率PA按下式计算：

式中：BR为基准偏航率，一般船舶取0.6×10－4，驳船取1.2×10－4；RB为桥位修正系数；RC为与船只航线平行作用的水流修正系数；RXC为横流修正系数；RD为通航密度修正系数。

1.2 拉森（O.D.Larsen）模型

1991年，O.D.Larsen［5］在国际桥梁与结构工程协会IABSE年会上提出了一般性的船撞桥概率模型，描述如下。

式中：F为桥梁年毁坏次数；Ni为年船舶流量；PC，j为因果概率，一般在（0.5～6.3）×10－4范围内取值；PG，j，k为几何概率，一般通过船舶过桥航迹几何分布模型来确定，其中k为实际桥梁的部位；PF，i，k为桥梁倒塌概率。

1.3 欧洲规范模型

欧洲规范（Eurocode）在1997年第一卷中提出了一种模型用于计算船撞桥概率，该模型以航道中心线为X轴、与桥轴线平行的为Y轴，桥墩位于（X＝0，Y＝d）处［6］。船舶碰撞桥墩的过程被看成是一个非均匀的泊松过程，假设泊松过程的失误概率为λ（x），时间T内的碰撞概率可表示为

式中：PC（T）为时间T内桥梁构件被撞至少一次的概率；Pna为由于人员干预仍不可避免撞桥的概率；λ（x）为船舶单位航程的失误概率，可参照事故资料确定；PC（x，y）为在给定初始位置（x，y）下的碰撞条件概率；fs（y）代表在Y 方向上船舶的航迹分布。

1.4 昆兹（KUNZ）模型

C.U.Kunz［7］以船撞桥事故发生前的停船距离大小以及船舶偏航角度大小为基础，提出了一个用于计算船撞桥概率的数学模型。该船撞桥概率公式为

式中：P（T）为在时间T内至少发生一次碰撞的概率；N为时间T 内过桥船舶流量；dλ／ds为单位航行距离的事故率；W1（s）为能碰撞桥墩的船舶轨迹概率；W2（s）为撞桥危险未得到制止的概率。公式：

式中：x为船舶停船距离，即发现撞桥危险并采取应急措施时船与桥墩的距离，为一个正态随机变量；φ为偏航角度，即船舶航向与预定航线方向之间的夹角。

1.5 戴彤宇简化模型

戴彤宇等［8］在分析和比较已有研究的基础上提出了适合我国通航桥梁的船撞桥概率简化公式，描述如下：

式中：Ni为i类船单位时间内的船舶流量；fi为第i类船的碰撞影响系数；pi为位于可能发生碰撞航道上的船舶碰撞概率；μ为船舶穿过桥轴线的坐标均值；σ为船舶穿过桥轴线位置的均方差。其中pi按船舶航迹正态分布来确定，均值μ和均方差σ通过实际船舶过桥航迹分布计算得出。

上述模型大致分为2类：美国规范模型和拉森模型关注极端情况，计算的是船舶碰撞桥梁后倒塌的概率；欧洲规范模型、昆兹模型和戴彤宇简化模型则关注完整的船撞桥事件研究，将全部船撞桥事件考虑在内计算概率。排除桥梁倒塌概率后，美国规范模型和拉森模型将与其他3种模型一样比较实用合理。此外，本研究发现这些概率模型还存在样本缺乏代表性和模型未体现桥墩紊流区对船桥碰撞的影响。首先，样本缺乏代表性导致了模型的适用范围存疑。以戴彤宇简化模型为例，该简化模型以南京长江大桥船撞桥事故实例进行校验证明是可行的，但这只能说明该模型符合长江中下游水域的水文特征。但仅在长江一个水系中，河流通航净宽、船舶航行方向与桥轴线夹角和船舶停船距离都将产生巨大的变化，公式的适用性显然存在疑问，更不用说将该模型应用于京杭大运河和黄河等其他水系时的适用性了。其次，这些模型未体现桥墩紊流区对船桥碰撞的影响。水流经过桥墩时会在桥墩周围产生涡旋，对于表面水层有一定吸引力，这一区域被称为紊流区，其宽度将受到不同墩型、不同桥位处的河流过水断面形状尺寸的影响。当船舶进入桥墩紊流区时会受到一定的指向桥墩的吸引力，如果不考虑实际情况，一味应用现今的概率统计公式来评估风险，就可能低估在桥墩紊流区的碰撞概率。对此国内一些学者简单地避开桥墩紊流区来防止低估船桥碰撞的风险［9］，笔者认为这就陷入了“船舶只要进入紊流区就会碰撞桥梁”的错误认识。由于现今船舶的重量和速度都较大，外侧的紊流区也许并不能给船舶带来影响，一味消极地逃避紊流区会过度压缩一些通航净宽不富裕的桥梁。目前的船桥碰撞研究成果缺少对于桥墩紊流区对船撞桥概率影响程度的精确研究，在得出精确的结果前，不应该忽略桥梁紊流区的存在。

2 对未来研究的思考

鉴于碰撞概率模型存在上述局限性，本文提出以下建议，亦即基于风险思想的桥梁防撞技术研究的发展方向。

（1）有意扩大样本容量。船桥碰撞事故发生的概率相对较小，而且桥梁条件各不相同，因此船撞桥事故的风险评估不能仅依靠现有事故的统计资料，同时还需要借助船撞桥概率模型和模拟潜在事故的实验方案。国内船撞桥事故的统计资料较为匮乏，样本较小从而缺少代表性，其适用性存疑，因此可以通过模拟船撞桥事故扩大样本容量。模拟事故分为计算机模拟和实际模拟2种手段。计算机模拟可以利用有限元数值仿真技术等，模拟船体碰撞力、船桥变形和碰撞过程中的能量变化；实际模拟可以采用碰撞试验来模拟潜在事故，以此丰富样本以及采集船桥碰撞时的数据，例如选取典型的桥作为研究对象，选用重量合适的试验船，在充分做好桥梁以及船舶的缓冲防护设施的前提下模拟在船流量不同、时间不同（清晨、中午、下午）、环境不同（存在光线干扰的夜晚、上水下水、缓流急流、能见度不同、河道弯曲程度不同）情况下的碰撞实验。2种模拟方法各有利弊：计算机模拟可操作性强，成本低，但是计算机模拟很难将人为因素考虑在内，例如船员注意力不集中等，而人为因素恰恰是船撞桥事故的一个极为重要的原因。实际模拟代价昂贵，操作难度很大，但是可以全面地模拟碰撞时的情况，对于以后的船桥碰撞研究有着更好的参照价值。笔者认为可以有机地结合运用这2种模拟方法，由天气、水文条件等客观因素引起的碰撞事故可以使用计算机模拟来扩大样本，而由于人为因素造成的事故应该进行实际模拟。国内交通基础设施的发展会使一些老旧桥梁退出水运行业，这些老旧的、计划拆除的桥梁可以在废弃前发挥余热，作为试验桥梁，也为试验降低一些成本。

（2）在设计中应用最新的船桥碰撞概率模型。船撞桥事故的风险评估需要借助船撞桥概率模型，笔者认为在设计中要应用不断发展中的概率模型来计算模拟船桥碰撞概率。风险评估的目的在于减少船桥碰撞事故的发生，为桥梁设计方案的调整和完善提供依据。在一套桥梁设计方案确立后，先应用最新的概率模型来模拟分析预测所有可能出现的船撞桥事故，从而为桥梁跨度、桥位以及航道设计的修改提供理论依据。不断重复预测和设计，从全盘考虑，直至所设计桥梁的被撞概率达到最低，然后再将设计付诸施工；碰撞风险大的部分可以通过设置防撞装置或者改善航运管理来规避风险。很显然，比起建成一座桥后再对其进行概率统计分析，然后在被撞概率高的部分设置防撞装置，这样的防撞措施会更有效。正如前面所建议的，船桥碰撞概率模型中应该考虑桥墩紊流区对船撞桥概率的影响，其影响程度与桥墩紊流区自身的尺寸、水流强度等有着密切的关系。基于对影响桥墩紊流区形成的各个因素的综合考虑，现用fT来表示桥墩紊流区对船桥碰撞概率的影响系数：

式中：k为实际影响船舶行驶的修正系数；D为桥墩尺寸；β为水流方向与桥轴线夹角；v1为墩前水流流速；v2为墩前风速；h为桥墩附近水深。上述5种模型经过修正，且排除桥梁倒塌概率后，成为适用性相对更好的模型。

上述模型能够更精确地反映桥墩紊流区对船桥碰撞概率的影响，从而为航道宽度的设计提供更明确的指导。同时还可以配合一些桥梁主动防撞技术来减小桥墩紊流区对于船只的影响。例如可以设置简单的红外线检测系统，当发现船舶进入具有实际影响力的桥墩紊流区时进行警示降低船桥碰撞的概率。此外，还可以与市政部门进行合作，减少桥梁周围的光线干扰，同时增加桥涵标灯和桥区浮标等的亮度，保证在能见度较低时（如夜晚、大雾天气）能够采取有效的引导措施。

3 结语

本文在梳理国内外已有文献和归纳分析5个代表性船撞桥概率数学模型的过程中，发现目前的船桥碰撞数学模型的适用范围值得质疑，同时这些数学模型都未充分考虑桥墩紊流区的影响。针对这些局限性，对这些概率模型进行了修正，桥墩紊流区对船桥碰撞概率的影响系数fT在计算时被加以考虑。同时还建议采取碰撞试验等方式来扩大样本容量，增加样本代表性；充分应用不断发展中的船撞桥概率研究成果并辅以桥梁主动防撞技术来提高桥梁的防撞能力。但受限于实验条件，本文目前无法精确确定桥墩紊流区对于船桥碰撞概率影响系数fT的数值，提出的只不过是一种假想。旨在将船撞桥概率研究成果更成熟地应用到桥梁的防撞技术研究上，并进一步完善相关文献资料。

致谢：同济大学桥梁工程博士、长安大学公路学院姜华老师对本文的撰写给予了很大帮助，在此表示衷心的感谢！

［1］姜 华，王君杰.基于风险思想确定桥梁船撞设防力［J］.结构工程师，2009（6）：67－71.

［2］GUO Y L.Monitoring－based assessment of bridges subject to ship collision［D］.The Hong Kong Polytechnic University，2010.

［3］KNOTT M A.Vessel collision design codes and experience in the United States［C］／／Gluver ＆ Olsen.Ship Collision Analysis.A.A.Balkema，Rotterdam，1998：75－84.

［4］AASHTO.AASHTO LRFD bridge design specification and commentary［S］.American Association of State Highway and Transportation Officials，Washing D.C.，1994.

［5］LARSE O D.Ship collision with bridges：Interaction between vessel traffic and bridge structures［C］／／Structural Engineering Documents（SED 4）.Switzerland：IABSE，1993.

［6］VROUWENVELDER A C W M.Design for ship impact according to Eurocode 1Part 2.7［C］.A.A.Balkema，Rotterdam，1998：123－132.

［7］KUNZ C U.Ship bridge collision in river traffic analysis and design practice［C］／／Gluver ＆ Olsen.Ship Collision Analysis.A.A.Balkema，Rotterdam，1998：13－22.

［8］戴彤宇，刘伟力，聂 武.船撞桥概率分析与预报［J］.哈尔滨工程大学学报，2003（1）：23－29.

［9］龚 婷.船撞桥事故概率研究［D］.武汉：武汉理工大学，2010.