涪陵乌江大桥复线桥船撞风险研究

曹佰杨，李嵩林

(1.重庆市城市建设投资(集团)有限公司， 重庆　400000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067)



涪陵乌江大桥复线桥船撞风险研究

曹佰杨1，李嵩林2

(1.重庆市城市建设投资(集团)有限公司， 重庆400000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067)

摘要：对拟建涪陵乌江大桥复线桥进行船撞风险研究。根据该桥桥址处的水流速度，典型水位，通航船舶密度、航速，通航净空尺度，航迹线以及桥梁的极限抗船撞能力等，采用三概率积分法，确定该桥拱圈碰撞频率和倒塌频率。另外，依据行业风险水平和风险评价矩阵，并结合三概率积分法计算结果来确定该桥船撞风险等级。

关键词：船撞；航迹线；三概率积分；倒塌频率；风险等级

涪陵乌江大桥复线桥位于长江乌江汇合口上游2.8 km，紧邻已建乌江大桥下游。其桥轴线为东西向，东接江东片区，西接涪陵老城区。工程河段平面顺直微弯，属山区性河道。河床宽窄相间，深泓线沿程起伏较大，岸线凹凸不规则，形态复杂。低水河宽约140 m，高水河宽约220 m。河流水流方向为北东-南西向，与桥梁走向基本垂直。三峡水库正常蓄水运行后，涪陵乌江大桥复线桥工程所在河段成为三峡水库常年回水段，航道等级已达到Ⅲ级航道标准，通航1 000 DWT级船舶或船队。涪陵乌江大桥复线桥采用钢筋混凝土拱桥方案，主拱跨径220 m，矢高42 m；桥面全宽12 m，矢跨比1/5。本文主要对该桥进行船撞风险评估，以明确其风险等级。该桥桥型布置如图1所示。

1船撞风险分析方法

根据涪陵乌江大桥复线桥桥址处的水流速度，典型水位，通航船舶密度、航速，通航净空尺度、航迹线以及桥梁的极限抗船撞能力等，采用三概率积分法[1-4]，确定其拱圈碰撞频率和倒塌频率。另外，依据行业风险水平并结合三概率积分法计算结果来确定该桥船撞风险等级。拱圈船撞频率的三概率参数积分路径模型如图2所示，风险理论计算公式如下：

(1)

(2)

图1　涪陵乌江大桥复线桥桥型布置示意

式中：pc为桥梁年碰撞频率；αi为第i种水位出现的频率；m为水位个数；n为船舶分类组数；pwi为第i种水位下的年碰撞频率；Nj为按船舶分类方法第j种船舶的年通航量(艘次)；f(x)为航迹横向分布(几何分布)密度函数；D为积分路径长度；λ(x)为船舶单位航行距离的失误概率；F(s)为停住船的概率；f(θ)为船舶偏航角分布密度函数；μx为船舶的航迹横向分布(几何分布)均值；σx为船舶的航迹横向分布(几何分布)标准差。

式(1)和(2)考虑了年水位变化对拱圈船撞频率的影响，式中的角度θ1、θ2由图2确定。

图2　拱圈船撞频率的三概率参数积分路径模型示意

f(x)、f(θ)、F(s)分别如下：

(3)

(4)

(5)

2桥梁极限抗船撞能力

根据相关规范规定[5-6]，本文将内河船舶的撞击作用点假定为计算通航水位线以上2 m的桥墩宽度或长度的中点，内河船舶对桥梁墩台的撞击作用可按“静力法”来计算。

本文采用有限元分析软件Midas Civil 2010计算涪陵乌江大桥复线桥主拱圈在不同高度横向撞击力作用下的最大内力，并用桥梁博士软件按偏心受压构件计算其拱圈危险截面的正截面抗压承载能力，从而求出该桥拱圈的船撞抗力。主桥计算模型及计算高程分别如图3、图4所示，计算结果见表1。

图3　主桥拱圈抗力计算模型

图4　拱圈自身极限船撞力计算示意

撞击点高程/m内力轴力/kN弯矩/(kN·m)抗力/kN192.7-1169493368708000185.7-11694933700012900179.7-11694933713429500178-11694933474446200175.3-11694924576051200

注：表中轴力受压为负。

3概率评估综合分析

3.1参数取值

3.1.1计算水位及水流参数

根据涪陵乌江大桥复线桥通航论证报告，得出其具体水流参数，见表2。

计算船撞风险时，考虑到全年的水位变化，先计算出不同水位下各拱圈单元以及全桥的船撞风险，然后再按照不同水位出现的概率进行加权求和。

3.1.2通航船舶密度及航速

涪陵乌江大桥复线桥断面的船舶通航密度见表3。船舶的典型航速上下水分别为4.0、5.0 m/s。

表2　典型水位

表3　桥位处船舶通航量预测

3.1.3其他参数

根据涪陵乌江大桥复线桥主桥通航净空尺度设计资料，上下水主航道的航迹均取其航道的中心线，即上水取38.5 m，下水取-38.5 m，标准差取典型船舶船长85 m。桥梁处于转向水域，转角约80°。偏航角标准值取0°，偏航角标准差取10°。

本文根据相关规定[7]及相关研究资料[8]对典型桥梁可接受风险的要求，确定涪陵乌江大桥复线桥年倒塌可接受风险以10-4/年作为参考。

3.2船撞概率安全评估结果及分析

2015、2025和2050年涪陵乌江大桥复线桥主拱圈在不同水位下的船撞概率安全评估结果及其不同区域的碰撞频率见表4和图5。受水流、通航净高的影响，高水位下拱圈的碰撞范围较低水位大，碰撞频率也较高。综合考虑不同水位出现的概率后得到主拱圈的船撞概率安全评估结果。

从图5可以看出，涪陵乌江大桥复线桥拱脚部位碰撞风险较高，且随着年份的增加，碰撞风险也增加。

表4数据可以看出，2015年主拱圈年倒塌频率为5.67×10-7/年，2025主拱圈年倒塌频率为2.75×10-6/年，2050主拱圈年倒塌频率为1.10×10-5/年，呈现递增趋势，但均低于规范中重要桥梁的可接受风险10-4/年。

3.3综合分析

根据涪陵乌江大桥复线桥横桥向船撞主拱圈年碰撞频率、年倒塌频率计算结果，得到了主拱圈随年份变化的年碰撞频率和年倒塌频率的趋势图，如图6所示。

由图6可以看出，随着年份增加(通航量不断增加)，主拱圈年碰撞频率和年倒塌频率均不断增大。尽管随着通航业的发展，涪陵乌江大桥复线桥船撞风险逐年增加，但至2050年，其主拱圈的船撞风险仍低于重要桥梁可接受风险10-4/年的规定。

4船撞风险等级

4.1行业风险水平及风险评价矩阵

为了确定桥梁船撞各风险事态在风险评估矩阵中所处的位置，本文以相关研究为基础，结合涪陵乌江大桥复线桥船撞风险自身特点，得到该桥船撞风险概率水平分级(A～E)，见表5。

表4　2015—2050年涪陵乌江大桥复线桥主拱圈不同水位下的评估结果

图5　主拱圈不同区域的碰撞频率示意

图6　主拱圈船撞风险变化趋势

同时，根据结构损伤程度、经济损失和社会影响，结合涪陵乌江大桥复线桥船撞风险具体的特点制定了船撞风险后果水平分级(1～5)，见表6。

结合上述风险概率水平分级和风险后果水平分级，本文提出了风险评估矩阵，见表7。

4.2等级评价结果及决策

根据前述风险分析结果和等级评价方法，确定了涪陵乌江大桥复线桥拱圈的风险等级，见表8。

表5　船撞风险概率水平分级

表6　船撞风险后果水平分级

表7　船撞风险评估矩阵

从表8数据可知，涪陵乌江大桥复线桥主拱圈目前处于低风险状态，但随着航运业的快速发展其风险等级将提高至中风险状态，故大桥运营期间需注意并加强管理。

5结论

1) 根据船撞风险方法评估结果，涪陵乌江大桥复线桥主拱圈在2015、2025和2050年预测通航密度下其年倒塌频率分别为8.65×10-7/年、4.14×10-6/年、1.60×10-5/年，均小于重要桥梁可接受风险10-4/年的规范要求。

2) 根据风险等级评估结果，涪陵乌江大桥复线桥拱圈处于低风险-中风险状态，但在桥梁运营期间需加强管理。

参 考 文 献

[1]胡志强，崔维成.船舶碰撞机理与耐撞性结构设计研究综述[J].船舶力学，2005，9(2)：131-141.

[2]王君杰，耿波.桥梁船撞概率风险评估与措施[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3]戴彤宇.船撞桥及其风险分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

[4]庄元，刘祖源.失控船舶撞桥概率分析与预报[J].武汉理工大学学报，2007，31(6)：962-965.

[5]中交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6]中华人民共和国交通部.GB 50139—2004内河通航标准[S].北京：中国计划出版社，2004.

[7]重庆市城乡建设委员会.DBJ/T50-106—2010重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南[S].重庆：重庆市城乡建设委员会，2010.

[8]耿波.桥梁船撞安全评估[D].上海：同济大学，2007.

Research on Ship Collision Risk of Double-line Bridge in Fuling Wujiang River Bridge

CAO Baiyang1, LI Songlin2

Abstract:The paper studies ship collision risk of double-line bridge in Fuling Wujiang River Bridge to be constructed. In accordance with water flow rate, typical water level, navigation density and speed of ships, net clearance dimension of navigation, track line and limit resistance of bridge to ship collision, etc., the paper determines collision frequency and collapse frequency of arch ring of the bridge by means of the three probability integral method. In addition, the paper determines the risk grade of ship collision the bridge according to the risk level of industry and risk assessment matrix and in combination with the calculated results of the three probability integral method.

Key words:ship collision; track line; three probability integral; collapse frequency; risk grade

文章编号：1009-6477(2016)02-0051-06

中图分类号：U442.5

文献标识码：A

作者简介：曹佰杨(1982-)，男，重庆市人，本科，工程师。

收稿日期：2015-11-06

基金项目：国家青年科学基金项目(51008266)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.012