鹅公岩长江大桥船撞风险分析

何佳，张雪松，段鋆

（1重庆市建筑科学研究院，重庆 400016；2重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；3四川藏区高速公路有限责任公司，成都 610047）

鹅公岩长江大桥船撞风险分析

何佳1，张雪松2，段鋆3

（1重庆市建筑科学研究院，重庆 400016；2重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；3四川藏区高速公路有限责任公司，成都 610047）

该文针对目前经常发生的船撞桥事故，依托重庆鹅公岩长江大桥并根据模型水工试验统计各种计算参数，采用目前国际上应用较多的AASHTO规范方法计算鹅公岩大桥在2010年、2020年和2050年的年碰撞概率和年倒塌概率。由计算出的年碰撞风险概率来评估鹅公岩大桥各桥墩在不同年份下的风险等级，根据各墩所处的风险等级采取相对应的防撞措施来降低大桥运营期间遭受的碰撞风险。

鹅公岩；船撞风险；偏航；倒塌；动能折减；鹅公岩大桥

0 引言

三峡工程分期蓄水至今，随着长江上游河段的水位不断上升，河道过水断面增加，流速减小，船舶通航条件得到较大改善，重庆鹅公岩大桥河段通行的船舶数量逐年递增，船舶的吨位和尺度均朝着大型化发展，船舶运输业在重庆社会经济的比重越来越大。

然而在水运业为经济发展做贡献的同时，近些年来逐渐增加的船撞事故也引起了社会的广泛关注。船撞事故不但涉及到桥梁结构的安全，影响着通航区船舶和桥面车辆的运营安全，同时也对人的生命财产安全带来了巨大的威胁[1]。随着水位的升高和船舶通航量的增加，鹅公岩大桥原有的防撞设施已不能满足船撞的基本要求。为了降低因防撞设施过时给桥梁安全带来的巨大风险，有必要对鹅公岩大桥进行船撞风险评估，并提出新的防撞设施。

1 工程概况

鹅公岩长江大桥系主城区快速路系统中的东西主干道的组成部分，路线西起成渝高速公路出口处的九龙坡区大公馆，经谢家湾跨长江，过重庆经济技术开发区，东与渝黔高速公路相连。全长1428m，主桥全长1022m，引桥长408m。桥型为三跨连续钢箱梁悬索桥。桥梁主跨210m+600m+210m，主塔高163.48m，大桥立面图如图1所示。

图1 鹅公岩大桥立面图

鹅公岩大桥位于长江九龙坡—菜园坝弯曲河段的中部，大桥桥轴线上距九龙坡港区2.7 km，下距长江、嘉陵江两江交汇口约10km，长江上游航道里程668.9km。大桥河段河势由南向北微弯，河面宽窄相间，岸线不规则。工程地理位置见图2。

图2 桥位地理位置示意图

2 AASHTO概率模型

对于船撞问题，美国1994的《公路桥梁设计规范》[2]由于其方法明确、应用简单，因而成为目前国际上应用最为广泛的一部指南。1994年，在美国公路运输工作者协会（AASHTO）指导规范推荐的方法Ⅱ的基础上，《美国公路桥梁设计》（即LRFD）做了适当改进。在此规范中，大桥各桥墩年撞损频率按以下公式计算：

式中：AF为桥梁受船舶碰撞破坏的概率；N为根据船舶类型、尺度和装载情况分类的船舶年通航量；PA为船舶的偏航概率；PG为偏航船舶与桥梁构件碰撞的几何概率 （正态分布模拟）；PC受偏航船舶撞击桥梁构件倒塌的概率。

公式中去除倒塌概率PC一项后是桥梁遭受船舶撞击的年频率。

2.1 偏航概率

偏航概率代表船舶由于人员失误、机械故障、恶劣环境条件等原因而偏离正常航线，并可能会撞击桥梁的概率。实际工作中通常采用以下经验公式进行计算：

式中：PA为船舶偏离航线的基本发生概率；RB为桥位修正系数，与桥位所在航道的顺直程度有关；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；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；RD为航行密度修正系数，与过桥船舶密度有关。

2.2 几何概率

偏航船只与桥梁构件相撞的几何概率PG可以根据船舶撞击桥墩的历史资料分析确定。统计资料表明船舶撞击桥墩的几何概率密度为正态分布，PG为正态分布函数，其标准差为设计船长，标准分布的中心位置为航行中心线，对应的船桥撞击区下面画上阴影的面积即为PG。船舶撞击的几何概率分布如图3所示。

图3船舶碰撞桥墩的几何概率分布图

图3 中Bp为桥墩宽度，Bm为通航船舶宽度。因此，船舶撞击桥墩的几何概率分布密度可以表示成为：

式中：X表示船舶过桥时的位置；f(X)表示船舶位于某处航线上的概率密度；μ表示正态分布的位置参数，表示概率分布以船舶航道中心线为对称轴，左右完全对称。σ是描述正态分布资料数据分布的离散程度，σ越大，数据分布越分散，σ越小，数据分布越集中；根据美国公路规范规定，σ取为设计船长。

由图3可知，船舶碰撞桥墩的几何概率可以用图中的阴影部分表示，可以用概率分布密度函数积分得到：

2.3 倒塌概率

在计算得出桥梁的船撞力以及桥墩的设计抗撞力后，可以评价发生单次撞击时桥墩的倒塌概率，用倒塌概率PC可以看出PC受很多因素的影响，包括船舶尺度和型式、船首形状及船首仓压载、船舶的行驶速度、撞击方向及撞击质量等，并且与桥墩的抗撞强度、防撞装置的种类、防撞装置降低船撞力的长度等有关。AASHTO指南中PC是根据桥梁的极限抗力H与船舶撞击力P的比值来确定的。H是桥梁抗力，P是船舶撞击力。

PC的取值分下面几种情况：

美国《公路桥梁船舶撞击设计指导规范和评述》中采用图4所示分布的倒塌概率，即当桥梁构件强度大于船舶撞击力时，PC=0；当桥梁构件强度介于船舶撞击力的10%～100% 之间时，PC在0到0.1线性变化；当桥梁构件强度小于船撞力的10%时，PC在0.1到1之间线性变化。

图4 倒塌概率分布

3 船舶航迹线观测

根据对起控制条件且具代表性船舶在桥区所选观测范围的航迹线资料[3]，分别进行了船舶上下行的偏航角度分析。

3.1 船舶上行

上行船舶的偏航角度分布在0°～20°，但分布的集中范围较窄，而且偏航角度较小，如下图5所示。由于上行船舶在枯水和洪水期内所选航线的偏航角度较小，因此上行船舶的偏航角度集中分布范围为0°～4°，且偏航角度集中分布在2°左右。

图5 上行船舶偏航角度分布直方图

3.2 船舶下行

下行船舶的偏航角度分布在0°～18°范围内，但分布的集中范围较窄，如下图6所示。集中分布范围为8°～12°，偏航角度集中分布在9°左右。

图6 下行船舶偏航角度分布直方图

4 撞击速度和计算水位的确定

4.1 撞击速度的确定

根据鹅公岩长江大桥2#和3#桥墩在天然情况的撞击速度，并结合河道实际情况，即船舶与2#和3#主墩相遇水位一般在较高水位时可能性较大。因此，船撞速度按较高或高水位时且出现频率大的撞击速度进行综合选取，得到的鹅公岩大桥2#和3#主墩的船舶撞击速度如表1所示。

表1 鹅公岩大桥两主墩船舶撞击速度（km/h)

4.2 计算水位的确定

由鹅公岩长江大桥上下游3个水文站的统计资料和分析可得出：当桥址水位为168.17m时，相应出现的累积频率较大，为30%；当桥址水位为173.44m时，相应出现的累积频率较大，达到39%；当桥址水位为181.94m时，相应出现的累积频率较短，为10%。根据各自出现的累积频率可知，桥址水位年内保持在168.17m或高于此水位的时间较长，而出现水位为181.94m的时间较短，但综合船撞风险的角度，高水位需纳入作为一种计算工况。各水位出现频率如表2所示。

表2 桥区计算水位

5 桥墩抗力的确定

5.1 船舶撞击力的确定

求出船舶撞击力的方法有许多，包括经验公式计算法、模型和实体实验法、有限元瞬态动力数值分析法，上述三种方法均在实际工程中得到了应用。在桥梁工程的可行性研究阶段多使用半理论、半经验的公式计算法，求得准静态的船撞力，供桥梁设计和选择防撞设施的参考。到了桥梁的初步设计和施工图设计阶段，以工程设计图建立模型，使用数值方法。实验法常用于对计算方法、模型研究方法的验证，由于实验法需要先做仔细的设计和计算之后进行，且费时耗资巨大，在必要和可能时才选用。本文认为我国铁路规范公式原理清楚，公式能够计入撞击系统中各个物体的刚度，在一定程度上体现出冲击动力学的原理。因此鹅公岩长江大桥的船撞力本文推荐采用《铁路桥涵设计基本规范》TB 10002.1-2005[4]公式进行计算。并参照《船撞桥及其防御》[5]作出如下规定：当用《公路桥涵通用设计规范》JTG D60-2004[6]公式计算出的船撞力与该公式计算出的船撞力相差25%以内时，即认为该公式的估算可用。

根据铁路规范TB 10002.1-2005公式，墩台承受船只或排筏的撞击力可按下式计算：

式中：F为撞击力（kN）；γ为动能折减系数（s/m1/2），当船只或排筏斜向撞击墩台时可采用0.2，正向撞击时可用0.3；υ为船只或排筏撞击墩台时的速度（m/s），此项速度对于船只采用航运部门提供的数据，对于排筏可采用筏运期水流的速度；α为船只或排筏驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况确定，如有困难，可采用α=20O；W为船只重或排筏重力（kN）；C1、C2为船只或排筏和墩台圬工的弹性变形系数，缺乏资料时可假定C1+C2=0.0005m/kN。

根据铁路规范提供的计算公式，得出该桥的船舶撞击力如表3、表4所示。

表3 鹅公岩大桥计算船撞力-正撞力/MN

表4 鹅公岩大桥计算船撞力-侧撞力/MN

（1） 正撞力计算结果

（2）侧撞力计算结果

根据铁路规范，本文取侧撞角度α=20O进行计算，从而侧撞力按下式进行计算：

式中：P为最大正撞力。

5.2 桥墩抗力计算

承载能力通常在桥梁设计时由设计人计算，但当进行防撞设计时会提出更多的情况，有的桥在建成和使用过程中会不断与实际相结合，如船的特征改变（愈来愈大，愈来愈快，愈来愈密）；环境改变；流速、风速、弯道、冲刷、淤积等会有改变；潮位的变化也影响碰撞着力点，从而影响承载力。鹅公岩大桥桥墩抗力表5。

表5 鹅公岩大桥桥墩抗力表

根据表中计算数据得出：横桥向的桥墩抗力控制全桥的倒塌概率。

6 船撞风险计算结果

根据AASHTO规范中的计算公式及美国国防部《系统安全纲要规定》所提供的风险评估矩阵，计算出鹅公岩长江大桥的船撞风险概率[7]如表6所示，并绘制了2#和3#桥墩年碰撞概率和年倒塌概率趋势图，如图7、图8所示。

图7 2号墩船撞风险变化趋势

表6 鹅公岩大桥的船撞风险等级

7 结论及建议

图9 浮式变截面自导向桥墩防撞设施

根据鹅公岩长江大桥船撞风险研究可得到以下结论。

（1）由AASHTO规范规定，重要桥梁年倒塌概率应小于10-4的风险准则，2010年各桥墩均处于4B级（中等风险）；2020年，2号主墩和3号主墩相继进入4C级 （高风险）；2050年，2号主墩和3号主墩均处于4C级（高风险）。

（2）在2020年，当满足可接受风险10-4时：P2桥墩所需抗力为37.3MN，而实际抗力为14～25MN，抗力差约12～23MN；P3号桥墩所需抗力为40MN，而实际抗力为14～23MN，抗力差约为17～26MN。

（3）根据分析结果，应从以下两方面降低鹅公岩大桥的碰撞风险。①主动防撞。对于此方法，可以采取以下几个措施：加强桥区通航安全管理、改善通航环境、加强船员管理及加强船舶管理。②被动防撞。通过设置浮式消能防撞设施进行设防，如图9所示。

[1]耿波，王君杰，汪宏，等.桥梁船撞风险评估系统总体研究[J].土木工程学报，2007，40（5）：34-35.

[2]美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）.美国公路桥梁设计规范[M].辛济平，译.北京：人民交通出版社，1998：94-105.

[3]重庆交通学院.重庆鹅公岩长江大桥通航条件水工模型试验研究报告[R].重庆交通学院，1997.

[4]铁道第三勘察设计院.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[5]陈国虞，王礼立.船撞桥及其防御[M].北京：中国铁道出版社，2006：147-158.

[6]中交公路规划设计院.JTGD60—2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]重庆市桥梁协会，重庆交通大学，林同棪国际（中国）工程咨询有限公司.重庆鹅公岩长江大桥船撞风险分析报告[R].重庆市桥梁协会，2009.

Analysis of Vessel Collision Risk of Egongyan Yangtze river Bridge

In view of the frequent ship collision with bridge accidents at present,and based on the Chongqing Egongyan Yangtze River Bridge and the various calculation parameters obtained through hydraulic tests on the model,the annual collision probability and collapse probability of the Bridge in 2010,2020 and 2050 are calculated with the most used AASHTO standard method.The annual collision probability is adopted to evaluate the risk levels of the Bridge's piers in each year,and the risk levels of the piers are applied to take the corresponding measures to reduce the collision risk of the Bridge in operation.

Egongyan;ship collision risk;yaw;collapse;kinetic energy reduction;Egongyan Yangtze River Bridge

U442.5

A

1671-9107（2017）12-0037-05

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.12.37

2017-05-08

何佳（1986-），男，宁夏中卫人，研究生，工程师，主要从事桥梁检测及房屋鉴定类工作。

责任编辑：孙苏，李红