基于改进AASHTO模型的白居寺长江大桥船撞风险评估

2020-11-06邵伟峰王涛刘勇刘思凯曾施雨

中国水运 2020年9期

邵伟峰王涛刘勇刘思凯曾施雨

摘要：本文基于AASHTO规范模型，引入水位变化条件，提出了基于水位变化的改进AASHTO模型;以白居寺长江大桥P7、P8主墩，P9边墩为例，评估了白居寺长江大桥存在的船撞风险，分析了白居寺长江大桥相关结构参数对桥船相撞概率的影响，计算得到了各桥墩考虑水位变化的撞击年频率及年撞损概率，并根据撞损概率与风险决策标准，提出桥梁防撞的合理化建议。

关键词：AASHTO;船撞风险;桥梁;碰撞;水位变化

中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）09-0127-03

白居寺长江大桥及引道工程起于陈家阁立交，止于太阳岗立交，是重庆市路网规划中五横线和轨道交通五号线跨越长江的控制节点工程。在5000吨级船舶直达重庆，3000吨级船舶直达宜宾的船舶大型化背景下，川江重庆段的通航条件将进一步得到改善，三峡库区桥区航路条件将发生显著变化，桥梁船撞隐患及风险也将明显上升，据不完全统计，20世纪60年代至新世纪初，国外因船撞而导致桥梁垮塌或损坏的事故达30余起[1];在我国，武汉长江大桥自建桥以来至1999年，被撞70余次，近十年来，全国各地发生的重大船撞桥事故也有多起，导致的后果十分严重，需实施防撞设施工程对拟建及在建桥梁进行保护。

目前船撞风险评估法大多基于美国的AASHTO船撞概率模型，多为计算某一水位、某一时间段的单一风险概率，而桥址水位等相关参数为动态变量;有学者对偏航概率[2]、不同船型撞击桥梁概率和碰撞频率[3]、倒塌频率等进行过修正[4]，但考虑水位变化的船撞桥风险评估较少。基于AASHTO模型，以白居寺长江大桥为例，引入水位变动因素，根据水位变幅引起的有效航宽变幅，计算动态桥梁碰撞概率、几何概率，得到基于水位变化的船撞桥动态风险，提供桥梁防撞决策依据。

1基于水位的改进AASHTO风险评估法

改进模型考虑水位变化对碰撞概率的影响，即对于某一计算水位下的碰撞频率还应乘上该水位出现的年频率，然后根据水位情况加权求和，使计算方法更符合实际，进而对不同水位下的桥墩撞损频率进行计算，得到不同水位情况的加权全年桥墩撞损频率。

1.1水位变化的影响

通常情况下，内河与海湾海峡在一年中的水位变化都会呈现一定的规律性，即某一水位在每年出现的频率基本稳定，耿波在其博士论文《桥梁船撞安全评估》中提出两种水位描述方法，给出不同水位出现的月数、每月的水位值[5]。在建的白居寺长江大桥地处长江上游航道里程686km，上游3km处有水银口水尺，该处水文资料详实，可根据历年的水文资料统计其水位变化。并根据辖区航道局提供的河段设标设置情况，桥区河段附近航标全年设置水位分设计最低通航水位5↑与5↓，根据不同水位调整左右岸浮标，高水期航道相应放宽。据此，结合耿波提出的水位描述方法与桥區河段设标水位情况，基于AASHTO规范相关公式，桥梁的年碰撞概率可以用下式来表示：

同理，桥墩年撞损频率可以用下式来表示：

式中：Fimpc为考虑水位变化的年撞击频率;为第i种水位出现的频率;Fimpi为第i种水位下的年撞击频率;AFc为考虑水位变化的年撞损频率;AFwi为第i种水位下的年撞损频率。

1.2不同水位期航道中心线对几何分布的影响

改进模型中几何概率部分参数同AASHTO模型，而不同水位期，桥区河段设标有所调整，航道位置及航道中心线也相应改变，因此图2中与航道中线与桥墩轴线水平距离x将根据航道中心线的变化而变化，此时几何概率PG为关于不同水位航道中线与桥墩轴线水平距离x的变量。此时定义PGi为第i种水位下的几何概率，已知PGi为为正态分布函数，则：

式中：xi为第i种水位下船舶航道中线与桥墩轴线的距离;Bm为船舶宽度;Bp为桥墩宽度。

2白居寺长江大桥主墩及边墩撞击风险分析

2.1船桥撞击年频率

白居寺长江大桥主桥采用主跨660m双塔双索面钢桁梁斜拉桥方案，全长1789m，主桥跨径布置105+255+660+255+105=1380m，其中P7、P8墩桥孔宽度660m，为主通航孔，P8、P9桥墩桥孔宽度255m，未来预留为次通航孔。

2.1.1不同水位期偏航概率PA

根据AASHTO规范偏航概率PA公式，相关参数结合工程河段实际情况，可计算得到船舶撞击桥墩的年频率，详见表1。

2.1.2不同水位期几何概率PGi

偏航船舶与桥梁构件相撞的几何概率PG考虑桥区河段不同水位期5↑与5↓，航道中心线距桥墩的距离不同。标准差为设计船长，，对P7/8墩，船长、船宽BM根据设计代表船型取110m，取19.2m，对边墩P9，取104m、16.5m，桥墩宽度BP根据大桥设计参数进行取值，计算得到各桥墩在不同水位期的几何概率，详见表2。

2.1.3桥墩不同水位期年撞击频率Fimpi

根据朝天门断面船舶流量统计，2015至2017年断面船舶流量约为9.37、8.76、9.56万艘次，未来2030年约为10.21万艘次、2040年约为11.85万艘次、2050年约为13.75万艘次[6]。继而根据年通航量N计算各桥墩在不同水位期的年撞击频率，其中主墩P7/8墩按5000t级船型撞击考虑，右岸相邻桥墩P9墩按3000t级船舶撞击计算，见表3。

2.1.4桥墩全年撞击频率Fimpc

为得到不同水位期下桥墩全年撞击频率，需对全年水位进行统计，距离桥区河段最近的水尺为位于白居寺长江大桥上游3km水银口水尺，根据水银口水尺2015年6月至2019年5月水文数据，5m以上水位频率为56.44%[7]，5m以下水位频率为43.56%。根据公式1，可以得到桥墩在不同水位的全年撞击频率。

靠近巴南区一侧主墩P8受船舶撞击频率最高，在2050年预测通航量下，全年船舶撞击频率在0.06次/年左右。主墩P7及边墩P9受船舶撞击频率相对较低，分别为0.0026次/年、0.00000375次/年。

2.2 桥墩撞损概率

根据已有参数，船舶一次撞击破坏概率Pc、船舶最大撞击力P根据AASHTO规范公式进行计算。P7/P8主墩按照5000t标准，船舶撞击力标准值为29MN，P9边墩按照3000t标准，船舶撞击力标准值为18MN[8]，且三座桥墩完全在线弹性范围，说明桥墩自身抗力大于撞击力标準值，因此，在AASHTO规范计算中，P7/8墩抗撞能力暂取30MN，P9墩抗撞能力暂取20MN。利用规范撞击力公式，桥墩抵抗5000t级船舶以4.5m/s的速度撞击P7/8主墩的最大撞击力为38.8MN，桥墩抵抗3000t级船舶以4.5m/s的速度撞击P9边墩的最大撞击力为30.1MN[8]。不同年通航量、不同水位下的桥墩撞损频率详见表4。

根据表4，P7主墩5↑高水期间，撞损频率为10-5，P8主墩在5m以下水位撞损率均大于10-3，5m以上水位仅2050年通航量下撞损频率大于10-3，P9边墩撞损频率在10-7至10-8水平。根据不同水位的出现频率、某种水位下桥墩的年撞损频率（表4），利用公式2，可计算得到桥墩全年撞损频率。详见表5。

3风险决策

根据表5，白居寺长江大桥P8主墩在现有通航量和未来预测通航量下，不同水位全年撞损频率均大于10-3，风险指标为1C，超过了不可接受风险值;P7主墩在现有及未来预测通航量下，全年撞损频率小于10-4，各年份撞损频率均位于决策范围区间;P9边墩全年撞损频率小于10-6，风险概率较小，根据AASHTO风险决策标准，桥梁撞损频率可以忽略。因此，建议桥梁设计和建造部门针对主墩尽量采取有效防撞措施，从而降低或避免碰撞风险发生的可能。

4 结论

（1）基于AASHTO模型，改进模型引入了桥区河段设标水位变化情况，可以较好地描述桥区河段水位变化下主航道距桥墩距离等变化情况，进而反映到桥墩年碰撞概率与年撞损频率中。

（2）2050年通航量下，在施加防撞措施后，船舶撞击白居寺长江大桥主通航孔P7、P8桥墩的撞损概率为6.66 10-5和1.5510-3，次通航孔P9桥墩撞损概率为1.3910-7。

（3）根据美国国防部风险决策标准，白居寺长江大桥无防撞设置的情况下，靠近主航槽一侧P9桥墩撞损概率水平大于10-3，风险指标超过了不可接受风险值。P7主墩在现有及未来预测通航量下，全年撞损频率小于10-4，各年份撞损频率均位于决策范围区间;P9边墩全年撞损频率小于10-6，风险概率可以忽略。

（4）白居寺长江大桥建成后，靠近主航槽P8主墩在无防撞措施的情况下，撞损概率已超过不可接受范围，需尽快布置防撞措施以保障桥梁及船舶航行安全，P7主墩撞损概率位于决策范围区间，可采取高分子橡胶护舷等辅助防撞措施。

参考文献：

[1] 王召兵，徐奎，吴俊，马希钦.AASHTO概率模型在船桥碰撞风险评估中的应用[J].水运工程，2017（10）：179-185.

[2] 张星星，陈明栋，陈明.山区通航桥梁船撞概率合理性研究[J].科学技术与工程，2016，16（13）：284-288.

[3] 张星星，陈明栋，陈明.山区通航桥梁船撞概率合理性研究[J].科学技术与工程，2016，16（13）：284-288.

[4] 曹佰杨，李嵩林.涪陵乌江大桥复线桥船撞风险研究[J].公路交通技术，2016，32（2）：51-56.

[5] 耿波.桥梁船撞安全评估[D].同济大学，2007.

[6] 长江上游朝天门至涪陵河段航道整治工程经济效益分析报告[R].重庆交通大学，2018.