合江长江二桥船舶撞击风险评估

田波

（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院,四川 成都 610041）

合江长江二桥船舶撞击风险评估

田波

（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院,四川 成都 610041）

比较大桥船舶撞击风险评估各代表性模型，采用《美国公路桥梁设计规范(AASHTO)》船舶撞击风险评估方法对合江长江二桥船舶撞击桥墩进行风险评估，根据评估结果进行风险决策，建议采取有效的防撞构造措施，以降低或避免碰撞风险发生的可能。

合江长江二桥；船舶撞击；风险评估；风险决策

1　大桥船舶撞击风险评估方法

船舶撞击桥梁风险是大桥工程风险的重要组成部分，国际上对多座桥梁开展了船撞桥梁的风险评估，并总结出了大桥船撞风险分析的指导性文件和规范。

船桥碰撞的研究始于20世纪60年代，目前船舶撞击风险评估主要有以下几种代表性模型：

（1）Macduff和Fujii在20世纪70年代最早提出船撞桥概率模型，通过假定船舶的几何分布获得撞击或搁浅统计资料来确定事故概率；

（2）Larsen模型是从现象学角度出发，找出可能导致船撞桥事故发生的偏航原因，据此建立船撞桥概率模型；

（3）欧洲规范模型、德国昆兹模型和瑞典佩德森模型等；

（4）美国AASHTO规范船撞桥概率模型。

与AASHTO规范相比，Larsen模型计算公式具有混杂性，且在实际操作中存在很大困难；欧洲规范模型主要是根据内河特点对AASHTO规范进行修正，强调狭窄水域和宽阔水域的区别。而实际操作过程中，美国AASHTO规范船撞桥概率模型与实际情况较为吻合。因此，选用美国AASHTO规范船撞桥概率模型进行合江长江二桥的船舶撞击风险评估。

2　工程简介

合江长江二桥是国家高速公路G93成渝环线跨越长江的特大型桥梁，大桥位于四川省泸州市合江县城上游文桥附近，为双向四车道高速公路桥梁，其主桥为210 m+420 m+210 m双塔双索面混凝土主梁斜拉桥（见图1）。

桥区河段航道列为国家Ⅲ级航道，在最低通航水位（枯水期），主跨跨越了整个可通航水域，对上、下行船舶航线均无影响；在较高通航水位（中洪期），主跨基本覆盖了整个可通航水域，上、下行通航桥孔均为22号（主塔1）和23号（主塔2）桥墩之间的420 m跨径主孔，21号（北岸辅助墩）—22号（主塔1）、23号（主塔2）—24号（南岸辅助墩）桥墩为非通航桥孔。但21号、22号和23号桥墩在通航水域内，存在被船舶撞击的风险。

因此，为了保证航行船舶的安全及确保大桥自身结构的安全，对通航水域范围内的21号、22号和23号三个桥墩进行船舶撞击风险评估是十分必要的。

3　AASHTO船舶撞击概率模型

参照美国AASHTO规范，大桥通航水域各桥墩年撞损频率和每年受撞击频率按以下公式计算：

式中：AF为大桥各桥墩年撞损频率；Fimp为大桥各桥墩每年受撞击频率；N为根据航道船舶类型、尺度和装载情况分类的船舶年通航量（以2050年通航量预测为参考）；PA为船舶偏航概率；PG为船舶与桥墩撞击的几何概率；PC为桥墩受船舶一次撞击的倒塌概率。

（1）偏航概率PA

图1　合江长江二桥主桥布置图（单位：m）

式中：BR为船舶偏离航线的基准概率，对轮船，取BR=0.6×10-4；对驳船，取BR=1.2×10-4。RB为桥位修正系数，与桥位所在航道的顺直程度有关，大桥位于直线水域，RB=1.0；桥区航道转向点距离大桥910 m以内时，RB=1+β/45°（β为航道转角或航道弯曲角度）；桥区航道转向点距离大桥910～1 920 m时，RB=1+β/90°。RC为平行于航向的水流修正系数，与平行于航向的水流流速有关，RC=1+VC/19（VC为平行于航向的流速）。RXC为垂直于航向的水流修正系数，与垂直于航向的水流流速有关，RXC=1.0+0.54 VXC（VXC为垂直于航向的流速）。RD为航行密度修正系数，与过桥船舶密度有关，规定低密度时，RD=1.0；平均密度时，RD=1.3；高密度时，RD=1.6。

美国AASHTO规范计算公式计入了实际船舶操纵性能、通航密度、航道顺直度、桥区水流特性等引发船舶偏航的多种因素。

（2）几何概率PG

统计资料表明船舶撞击桥墩的几何概率密度呈正态分布，本次研究中PG取为正态分布函数，标准差为设计船长，以航行中心线为正态曲线的中值位置，对应的船舶撞击区以下的面积即为PG。图2给出了计算船舶撞击桥墩的几何概率的示意。

已知N为正态分布函数，标准差σ为设计船长，μ=0,变量Y～N（0,σ2）,x为船舶航行道中线与桥墩轴线的距离，BM为船舶宽度，BP为桥墩宽度。

（3）一次撞击倒塌概率PC

美国AASHTO规范计算公式中，桥墩受船舶一次撞击的破坏概率即倒塌概率PC，是根据桥墩抗撞能力H和船舶最大撞击力P的比值确定的（见图3）。

图3　船舶一次撞击桥墩的倒塌概率

4　合江长江二桥船舶撞击桥梁的概率水平

根据合江长江二桥所处航道、通航船舶特点、桥区水文条件、桥梁几何参数，结合大桥桥墩实际设计船撞力，研究大桥实际受船舶撞击损伤的风险水平，采用AASHTO规范模型计算通航船舶撞击桥梁的概率水平进行船舶撞击桥梁风险分析。

表1　合江长江二桥船舶撞击桥梁参数选用

表2　合江长江二桥各桥墩每年受撞击频率

在计算合江长江二桥船舶撞击桥梁的风险概率时，主要考虑实际船舶撞击桥墩一般都是以单船形式撞击桥墩，船舶年通航量为该航道通航水域的代表船型1 000 t级船舶在2050年的预测量。对应的受船舶撞击的桥墩为通航水域范围内的21号（非通航孔）、22号和23号（通航孔）三个桥墩，非通航孔21号桥墩受船舶撞击主要是考虑在中洪水期最高通航水位时，船舶偏航后对桥墩的撞击。

表1～表3中给出了通航船舶撞击大桥桥墩的偏航概率和几何概率，大桥通航孔主墩（22号、23号桥墩）受1 000 t级船舶撞击年频率为0.547次/a；大桥非通航孔桥墩（21号桥墩）受1 000 t级船舶撞击年频率大约为0.376次/a。主桥桥墩年撞损频率为3.35×10-4，非通航孔桥墩年撞损频率为0.63×10-4。

表3　合江长江二桥各桥墩年撞损频率

5　风险评估及决策

根据相关行业的风险决策标准，风险决策与风险造成的后果和风险发生的频率有关，这是合理的。发生频率低于10-6的风险事件一般可以忽略；发生频率10-3～10-5的风险事件由决策者做出选择，考虑成本等经济因素时采取适当的降低风险的措施；高于10-3的发生频率是不可接受的。行业风险评估矩阵及风险决策准则详见表4及表5。

根据AASHTO规范，一般桥梁整桥最大的年撞损频率低于10-3，关键性桥梁整桥最大的年撞损频率低于10-4。合江长江二桥属关键性桥梁工程，应尽量降低大桥受船舶撞塌的风险，桥墩整体采用10-4撞损频率进行设计控制是合理的。

表4　风险评估矩阵

表5　风险决策准则

从表3可知：主桥桥墩年撞损频率3.35×10-4（大于 1.0×10-4）；非通航孔桥墩年撞损频率0.63×10-4（小于1.0×10-4）；船撞损大桥的概率，主墩风险指标应为1D～2D，处于中高风险区，辅助墩风险指标应为3D～4D，处于低风险区。

6　结　语

船舶撞击桥梁可接受风险标准是多指标的，但作为船撞风险的分析评估，主要以桥梁结构安全为风险分析依据。参照美国AASHTO规范，桥梁遭受船舶严重碰撞的年频率低于10-4是可以接受的。通过AASHTO规范船撞桥概率模型对合江长江二桥的通航水域桥墩进行船撞风险分析及评估后，建议针对22号、23号主桥桥墩采取有效的防撞构造措施，以降低或避免碰撞风险发生的可能。

U447

B

1009-7716（2016）02-0111-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.029

2015-09-11

田波（1974-），男，重庆万州人，工程硕士，高级工程师，从事桥梁工程设计及研究工作。