肇云大桥船撞概率风险及抗撞性能评估

2023-09-02廖鸿钧武建中

山西交通科技 2023年3期

李伟，廖鸿钧，武建中，2

（1.广东和立土木工程有限公司，广东广州 510000；2.广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州 510000）

0 引言

近年来一些桥梁与船舶不匹配的安全风险凸显，多次发生船舶碰撞桥梁的事故，直接影响到交通运输的安全和畅通，关系到经济社会发展和人民群众生命财产安全，所以对已建桥梁进行船舶碰撞桥梁安全风险分析及抗撞性能综合评估工作至关重要[1-3]。我国早期规范[4]对船舶撞击力的规定采用的是定值设计，将桥的船撞力作为偶然荷载，并将动力作用等效为水平静力作用，忽略了船舶撞击过程中的冲击效应，从而低估了实际船撞力的大小，同时未考虑桥下通航船舶的通航密度和船撞击桥梁的概率，仅要求桥梁抗力必须满足相应航道标准所能通行的撞击作用[5]；我国现行规范[6]从随机事件的本质出发，由点到线，由线到面，再由面到三维空间，提出了一种立体的基于概率的风险分析方法，可考虑河道上的障碍物与河道水位变化，可用于弯曲的复杂航道，同时对于撞击力和船撞效应的计算有了更为合理的方法。依照现行规范中基于概率的船撞分析方法，对清云高速公路肇云大桥开展了船撞概率风险评估分析，得到桥梁结构的设防代表船型，评估了桥梁抗撞性能，为肇云大桥的防船撞工作提供指导与建议。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

汕头至湛江高速公路清远至云浮段（以下简称“清云高速公路”）位于珠三角西部地区外围，是广东省高速公路网规划的“第三横”的重要组成部分。清云高速公路肇云大桥上跨西江，为双塔双跨吊悬索桥，跨径布置为（202+738）m，矢跨比为1∶9。原设计为单孔双向通航，通航孔跨径738 m，有效净距不小于675 m，净高不小于30 m，上底宽与净宽一致，侧高与净高一致，承台顶面高程为6 m（图1）。

1.2 船舶情况

2020 年通过肇云大桥水域的船舶类型以干货船、散货船和多用途船为主，其占比之和为78.3%，上、下行船舶的数量基本持平，通航船舶的吨位基本集中在5 000 t 以下，超过5 000 t 的船舶数量占总数量的比重仅为1.55%。

据现有船舶统计数据，1 000 t 以下的船舶中，吨位低于500 t 的船舶占比仅为4.4%，因此最小吨位设为500 t；在超过5 000 t的船舶中，吨位主要集中在5 000～7 500 t的区间内，占比达98.9%，因此最大吨位设为7 500 t。通航量方面，考虑到长远发展，预计工程建成后至2050 年，通过桥区航道的船舶通航流量可增加20%。将总通航量按50.17%和49.83%的比例分配，以确定各个吨位区间的上、下行通航量。

船长对船舶撞击速度分布有较大的影响，为充分利用所调查的船舶数据和更贴近实际通航情况，将各个吨位区间的船长同样设为一个区间，为减小个别数据的影响，将吨位区间的船长均值作为船长区间的下限，通过比较吨位区间内船长的最大值和《内河通航标准》中标准船舶的船长，选择两者中较小的作为船长区间的上限。型宽也可按类似的选取标准确定，区间内某吨位对应的尺寸按线性内插获得。统计得到的各吨位区间的船舶型深较大，均大于《内河通航标准》中标准船舶的型深，故采用型深均值进行描述。

1.3 航道情况

肇云大桥主通航桥横跨西江航道，桥区航道规划为Ⅰ级航道，采用单孔双向通航设计方案，通航孔净宽为721.2 m，净高为46.7 m，上底宽与净宽一致，侧高与净高一致。该工程最高通航水位取+17.63 m（85 国家高程），最低通航水位取+0.73 m，承台顶面高程为6 m。流速与水位的变化具有较好的对应关系，水位变化大时流速变化亦大，水位变化平缓时，相对应的流速也小。洪水期平均流速一般为1.50 m/s 左右，中水期平均水流速度为1.0 m/s，枯水期平均水流速度为0.8 m/s。

工程处通航环境较复杂，肇云大桥上游约630 m处的金鱼洲将西江分为左、右两汊，由年航迹图可知（见图2）：右汊为主航道，无论在洪水期、中水期，还是枯水期，上、下行船舶基本在右汊河道的中间航行，仅7 月份的航迹线在左汊河道，图2 为资料显示的船舶流量集中行驶的航道范围。

1.4 可达性分析

肇云大桥为大跨悬索桥，主跨738 m，在船舶可达区域范围内，14 号、15 号、16 号、17 号和18 号桥墩存在发生船撞事故的风险，其中16 号和17 号为桥塔墩柱，是该次船撞风险评估的重点对象。其余桥墩多靠近陆地，偏航船舶若驶向这些桥墩，在船-桥撞击之前极有可能发生搁浅，因此不必考虑。

桥墩尺寸如图3 所示，16 号桥塔基础位于地面线以上，因此在计算船-桥几何碰撞概率时，应关注基础的几何尺寸；17 号桥塔基础底面低于地面线，虽并未完全埋入地下，但承台顶面高程超过了最低通航水位，同时考虑到桥塔的重要性，因此在计算船舶与该桥墩撞击的几何概率时，也应采用基础的尺寸来描述其几何外形（偏安全考虑）；对于14 号、15 号、18 号桥墩，其基础均埋入地表，故船-桥撞击只可能发生在桥墩截面，因此在计算船与这些墩柱的几何碰撞概率时，应采用桥墩截面的尺寸来描述其几何外形。由于下部结构形式为双柱墩，船不可能从两桥墩中间穿过，因此在简化桥墩几何的过程中，两墩之间的区域也应视为桥墩几何的一部分。

图3 桥墩构造尺寸图（单位：cm）

2 船撞桥概率风险分析

2.1 建立多折线航道模型

船-桥碰撞概率又称几何概率，用于描述船舶行驶到某一位置时，与桥墩结构发生撞击的可能性。船-桥撞击事件发生的前提是船舶偏航，且桥梁结构位于其偏航方向上。计算船撞桥的几何概率前，首先需建立船舶通行的航道模型。现行规范[6]规定采用多折线航道模型来描述或近似任意形状的航道曲线，可采用整体坐标系O-X-Y描述航道、障碍物和桥墩位置，但在计算某折线段内船-桥碰撞概率时，需建立若干局部坐标系Oi-Xi-Yi。结合航道走势，可方便地确定折线的线形，详见图4。

图4 简化的多折线航道模型

现行船舶集中行驶的航道总宽度约为140 m，远小于设计航道净宽721.2 m，考虑到未来通航量的增加，选择金鱼洲左汊航道的船舶数量会增加，航线的范围会扩大，因此还应考虑设计通航孔的尺寸规划航道。根据相关收集信息，远期规划航道可能会设置在左汊上下行通航，对于16 号主塔船撞概率风险可能更大，在此通航位置内，由于航道中心线距离16 号主塔更近，船撞击速度也可达到最大速度，故该次采用设计通航孔尺寸作为规划航道尺寸，可同时考虑16 号及17 号主塔最不利的工况。

将桥墩结构的几何外形简化为矩形，对于16 号和17 号桥墩，船撞有可能发生在基础上，因此采用基础而非桥墩截面的尺寸来确定矩形的长与宽，同时这也是最不利情况；对于其他桥墩，船撞位置为墩身，考虑到双柱式下部结构，船舶无法从两墩之间穿过，因此两墩之间的区域也应作为矩形的一部分。在下行航道右侧，距离17 号、18 号桥墩不远处，存在一处凸起的山包（如图4 所示），是保护17 号、18 号桥墩的天然屏障。经观察，在O1—O2航道段行驶的船舶无法撞击到17 号和18 号桥墩，即该航道段的船舶撞击17 号、18 号桥墩的概率为0。O2—O3航道段存在一定的偏航角，可使船舶撞击17 号、18 号桥墩，因此在计算该航道段的船-桥几何碰撞概率时需考虑该山包的影响。山包这一障碍物的几何外形可简化为一凸多边形，凸多边形的顶点坐标可在全局坐标系统下得到。

2.2 船撞风险分析

未来通过桥区的日均流量约600 艘，年通航量约22 万艘，风险分析中所考虑的水道里程约4 km，由于数据有限，对于所有类型的船舶均采用相同的船舶单位航程失效强度，据现有数据估计值为1.14×10-6，出于保守考虑，计算中取1.5×10-6。停船距离、船舶横向分布和偏航角服从正态分布，其均值与方差如表1 所示。

表1 随机变量分布参数

计算各航道段的船-桥几何碰撞概率如表2 所示。与预期相同的是，16 号和17 号桥塔由于较大的几何尺寸和较为不利的位置，其被船撞击的概率最大。考虑障碍物的影响会减小碰撞概率计算结果，与此同时，针对某个桥墩，不同航道段计算所得的几何碰撞概率存在较为明显的数量级差异，导致某个桥墩的几何碰撞概率实际仅由某一个航道段决定。

表2 各桥墩几何碰撞概率

美国AASHTO 规范[7]根据桥梁重要性来确定桥梁整体的失效概率，而我国规范则根据船撞作用设防水准确定桥梁失效概率，该桥梁设防作用水准取L2，则整体失效概率为1×10-4，若将其平均分配给每个桥墩构件，则每个桥墩对应的失效概率为2×10-5。由于14号和15 号桥墩失效的概率非常小，相较于其他3 个桥墩来说，其失效概率是一个小量。因此，初步判断应将整体失效概率均匀地分配给16 号、17 号和18 号桥墩，即16 号、17 号和18 号桥墩的失效概率为3.3×10-5。

船舶撞击速度分布如图5 所示，船舶航速的降低规律是从航道边缘到3 倍船长的距离内进行线性减小，最大航速取船舶的典型航速VU，最小航速取水域特征流速VL，船舶撞击速度的数学表达式可写为式（1），x为桥墩中心线至航道中心线的距离。船舶典型航速VU和水域特征流速VL可采用正态分布来描述，VU的均值取安全航速8 km，约4.17 m/s，标准差取0.25；水域特征流速VL的均值取洪水期平均流速1.5 m/s，其标准差可根据3σ原则确定，即全年的水流速度应处于μ±3σ范围内。考虑到枯水期的平均流速为0.8 m/s，则VL的标准差约为0.23。有了VL和VU的分布，也就确定了x≤xc和x＞xL情况下的撞击速度分布。

图5 船舶撞击速度曲线

对于xc＜x≤xL的情况，撞击速度的均值按式（1）计算。撞击速度的标准差可按式（2）计算：

已知船长和桥墩中心线至航道中心线的距离，依据式（1）和式（2）便可确定各个桥墩受到不同吨位的船舶撞击时的速度分布。

假设在各吨位区间内，船舶服从均匀分布，即：

式中：wj和wj+1为第j个吨位区间的上下限，t；Nj为第j个吨位区间的船舶流量，艘；fDWT,j为第j个吨位区间的船舶密度，艘/t。

利用式（3），计算各个吨位区间的船舶密度，其结果如图6 所示。应注意的是，在计算失效概率时应将吨位区间进一步细分，每个子区间的船舶流量可根据对应的船舶密度确定。

图6 各吨位区间的船舶密度

根据规范，轮船撞击力F可按式（4）计算：

式中：V为船舶撞击速度，m/s；M为满载排水量，t。

根据规范提供的数据，拟合得到了轮船DWT与M之间的换算关系M=0.5346×DWT1.1225。假设一个设防撞击力FD，将其代入式（4）便可反算得到该设防撞击力对应的临界速度Vcr。

经试算发现18 号桥墩的失效概率始终小于设计值3.3×10-5，表明该桥墩较为安全。重新分配失效概率，即16 号、17 号桥墩的失效概率为5×10-5。经计算，16号、17 号两桥塔墩柱的设防撞击力分别为28.4 MN 和36.6 MN 时，桥墩结构刚好达到失效概率设计值。各吨位区间对失效概率的贡献如表3 所示，DWT为5 000～7 500 t 的轮船起主导作用，而其他吨位区间的贡献可忽略不计。