东海大桥非通航孔船舶碰撞风险量化分析与管理对策

姜朝+孙守旺+任亚磊

DOI：10.13340/j.jsmu.2017.03.007

文章编号：1672-9498（2017）03003605

摘要：为更好地揭示东海大桥非通航孔所面临的船舶碰撞风险，采用空间有限元分析和截面能力计算对非通航孔桥墩的防碰撞能力进行计算，结果显示：东海大桥非通航孔桥墩只能抵抗小于500 t的驳船在漂移情况下速度不大于2 m/s的撞击，600 t的驳船以最低设计航速（2 m/s）的撞击能使桥梁结构失效，故桥梁结构难以抵抗600 t以上驳船的撞击。研究结果表明：东海大桥非通航孔船舶碰撞风险量化计算可以更加精确直观地表现东海大桥非通航孔的防船舶碰撞能力。

关键词：

非通航孔； 大桥防船舶碰撞； 风险评估； 安全管理

中图分类号： U698.6； U44

文献标志码： A

Abstract：

In order to reveal the risk of ship collision in the nonnavigable holes of Donghai Bridge， the anticollision capability of nonnavigable piers is calculated by the finite element analysis and the section capacity calculation. The results show that， the Donghai Bridge nonnavigable piers can only withstand the impact of less than 500 t of barges in the case of drift with the speed of no more than 2 m/s， and the impact of 600 t of barges at the minimum design speed （2 m/s） can cause the bridge structure failure. The bridge structure is difficult to resist the impact of more than 600 t of barges. The results show that the quantitative calculation of the collision risk of the nonnavigable holes of Donghai Bridge can provide more accurate and intuitive representation of the antiship collision capability of the nonnavigable holes of Donghai Bridge.

Key words：

nonnavigable hole； bridge antiship collision； risk assessment； safety management

0引言

东海大桥是洋山深水港区唯一的陆上运输通道，也是港区水、电和通信管线的走廊，其结构安全和交通畅通关系到洋山深水港的运营安全和上海国际航运中心建设。东海大桥全长32.5 km，宽31.5 m，可抗12级台风、7级地震，设计基准期为100 a。[1]

东海大桥附近水域潮水急、风浪大、船舶密集、水下光缆密布，加之近年来东海大桥两侧兴建了风电工程，使得大桥附近水域通航环境更加复杂。一旦出现船舶失控、船舶违章航行或操纵失误，极易发生船撞桥事故，造成船损桥毁的后果。虽然东海大桥建成通车后尚未发生过船撞桥事故，但已多次出现船撞桥险情。据统计，东海大桥共发生船撞桥险情43起，其中23起发生在东海大桥建设期间。

近年来，国内多家机构开展了东海大桥防船撞研究。上海市深水港工程建设指挥部大桥分指挥部等[2]提出非通航孔防撞设施的管理方法；王君杰等[3]提出船舶碰撞东海大桥的概率及应对措施。已往的研究已经明确东海大桥所存在的船舶碰撞风险，但对大桥非通航孔桥墩具体防碰撞能力的研究尚不多。

本文采用空间有限元分析软件Midas Civil和截面能力计算软件UCFyber对东海大桥非通航孔桥墩的防碰撞能力进行计算，评估其所存在的碰撞风险，并提出相应的防范措施和建议。

1东海大桥通航安全现状与分析

1.1通航能力与防撞措施

东海大桥由南向北依次有4个通航孔（其中2#通航孔为主通航孔），设计船舶通过能力为5 000吨级。各通航孔通航标准和防撞设施设计情况见表1。

除4个通航孔外，占东海大桥总长度90%的桥区（共有桥墩394组，均未设置防撞装置）水域为非通航水域。目前划定东海大桥东西两侧各1 000 m内水域为安全水域，禁止船舶锚泊，并在沿桥轴线两侧各1 000 m处设置了晚上能发出灯光的24个警戒灯浮。

1.2通航水域船流密度和船舶航行规律

1.2.1船流密度

根據洋山港海事局对2015年1—8月通过东海大桥的船舶日均流量统计：8月的日均流量最多，为

209艘次；2月的日均流量最少，为126艘次；全年日均流量为175艘次。

通过东海大桥的船舶主要有普通货船、客船、集装箱船、危险品船、渔船、工程船、公务船等，其中普通货船通航量占40%左右，渔船占20%左右，危险品船占5%左右。

1.2.2船舶航行规律

根据船舶流量统计结果可知，小型船舶顺流航行可以降低成本，因此最大船舶流量集中在芦潮港高潮后的2.5～3.0 h，以自西向东行驶为主。在低潮后的4 h后，以自东向西行驶为主，每小时可达30多艘次（多数为顺流过桥）。通航船舶类型以500吨级以下的小型船舶为主（约占90%）。根据船舶类型和航线的差异，分别从1#，2#，3#通航孔通过。endprint

根据对2014年全年船舶流量的统计，00：00—04：00和20：00—24：00的8 h日平均船舶流量为42艘次，04：00—20：00的日平均船舶流量为135艘次，而又以08：00—14：00的船舶流量最大。

根据对2015年船舶流量的统计，00：00—04：00和20：00—24：00的8 h日平均船舶流量36艘次，04：00—20：00的日平均船舶流量为139艘次，与2014年基本类似。

综上，东海大桥通航孔附近的船舶流量白天多于夜间。

1.3大桥附近船舶超载及违章通行

通过调研了解到，一些小型船舶经常航行于非通航孔附近，为的是由非通航孔通过大桥。然而，这些船的船长或驾驶人员不熟悉非通航孔高度、宽度、水深、潮流等情况，极易发生船撞桥险情甚至恶性事故，原因有以下几点：

（1）此类小型船舶船况良莠不齐，船员素质一般，所配备的航海图书资料不全，且有部分船舶未能正常值守高频，VTS与之通信困难。

（2）桥区水域潮流复杂，流速快，桥墩附近有较强紊流，小型船舶缓速航行时操控困难，在接近大桥时即使采取倒车抛锚等紧急措施也难以避免碰撞。

（3）

在风大流急条件下

，违规接近桥区航行的小型船舶一旦发生机电动力意外故障，极有可能因船长采取的措施不当造成撞桥事故。

1.4洋山深水港工程的影响

洋山深水港四期工程基础建设已接近尾声，预计2017年年底投入运营。四期工程投入运营后，洋山港的通航密度将大幅增加，并且四期码头1号泊位距离东海大桥颗珠山段不足1 n mile，如果泊位上船舶断缆，走锚后碰撞颗珠山大桥，则会造成重大事故。

1.5航道拖航带来的风险

近来有不少大型钻井平台拖航通过临港主航道。临港主航道位于东海大桥西侧，顺东海大桥走向向南进入漕泾东航道支线航道，临港主航道距离东海大桥最近4.0 n mile，距离3#通航孔5.0 n mile。根据资料介绍，该水域最大潮差可达6 m，最大流速达6 kn。即使在正常气象条件下，涨流流向约260°～280°，涨流流速最大3.8 kn。落流流向约090°～110°（几乎与东海大桥垂直），航向351°（171°），落流流速最大3.4 kn，大型钻井平台拖航船队如在落流时段通过临港主航道，航速慢、落流急又赶上恶劣气象条件，如操作不当或者设备出现故障又无足够功率的大拖船伴航或及时前去救助，就有压向东海大桥的风险。

2空间有限元分析和截面能力计算

东海大桥所在海区最高水位标高为4.02 m，非通航孔70 m连续箱梁段，单跨箱梁重约1 900 t。墩身截面为矩形薄壁墩，典型的墩身截面尺寸为5.25 m×2.4 m，墩身高度范围为8.8～35.4 m。

墩身纵筋采用150根直徑为24 mm的钢筋，纵筋配筋率为1.21%；箍筋间距为180 mm，直径为16 mm，相应的体积含箍率为0.61%。桥墩混凝土等级为C40，强度为34.5 MPa，箍筋和纵筋的屈服强度取414 MPa。恒载仅考虑轴力18 620 kN。

本文中所有有限元计算均采用Midas Civil，截面能力的计算采用UCFyber（v2.4.1）。计算有限元模型见图1。

桥墩采用梁单元模拟，因为主梁对桥墩的约束对墩底反应来说是有利的，所以不考虑墩顶与主梁的约束，在墩顶加质量块模拟主梁的质量。计算抗弯能力时考虑主梁传下来的轴向力（对墩底的抗弯承载力有利）。不考虑承台和桩基，桥墩墩底固结。

2.1船撞荷载

按照规定，动力荷载采用撞击时程曲线，船舶类型选择驳船，速度最高取5 m/s，速度最低与海域最大流速（2 m/s）相同。

选定4种工况进行验算，4种工况下船舶撞击时程曲线见图2。

a） 5 m/s的500吨级船撞击

b） 2 m/s的600吨级船撞击

顺桥向在此基础上考虑一个1/2的折减。加载位置取最高水位标高以上2 m的位置，即约为桥墩墩底以上5 m处。

2.2桥墩承载力分析

抗弯承载力和抗撞承载力采用UCFyber v2.4.1计算，钢筋屈服强度保守取414 MPa；计算方法按照规范进行。桥梁失效判断标准为：桥墩抗弯承载力或抗剪承载力有一项不满足要求即失效。

根据实际截面实际配筋，对桥墩底截面进行抗撞能力验算。截面纤维单元划分见图3。

（1）抗弯承载力。

截面在顺桥向和横桥向的弯矩曲率关系见图4。

横桥向上，桥墩墩底截面的屈服弯矩为112.1 MN·m；顺桥向上，桥墩墩底截面的屈服弯矩为51.1 MN·m。

（2）抗剪承载力。

对于空心断面（或T形、工字形、箱形断面）主要考虑其腹板的抗剪能力，翼缘的抗剪能力通过修正系数来考虑：

Vcs=α1α2α30.45×

10-3bh0

[KF（]（2+0.6P）

[KF（]fcu，k[KF）]

ρsv fsv

[KF）]

式中：

Vcs为斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值，kN；

α1为异号弯矩影响系数，计算简支梁和连续梁近边支点梁段的抗剪承载力时α1=1.0，计算连续梁和悬臂梁近中间支点梁段的抗剪承载力时α1=0.9；

α2为预应力提高系数，对钢筋混凝土受弯构件取α2=1.0，对预应力混凝土受弯构件取α2=1.25，但当由钢筋合力引起的横截面弯矩与外弯矩的方向相同时，或预应力混凝土受弯构件允许出现裂缝时取α2=1.0；endprint

α3为受压翼缘的影响因素，取α3=1.1；

b为斜截面受压端正截面矩形宽度，或T 形和工字形截面腹板宽度，mm；

h0为斜截面受压端正截面的有效高度，自纵向受拉钢筋合力点至受压边缘的距离，mm；

P为斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率，P=100Asv/bh0，

Asv为斜截面内配置在同一截面的箍筋各肢总截面面积，mm2，

当P> 2.5 时取P=2.5；

fcu，k为边长为150 mm 的混凝土立方体抗压强度标准值，MPa，即为混凝土强度等级；

ρsv为斜截面内箍筋配筋率，ρsv=Asv/svb，

sv为斜截面内箍筋的间距，mm；

fsv为箍筋抗拉强度设计值。

计算可得，横桥向抗剪强度Vcs=11.63 MN，

顺桥向抗剪强度Vcs=3.97 MN。

（3）撞击承载力验算。

根据UCFyber求出关键截面抗弯承载力，保守计算，这里取首根钢筋屈服时截面抗弯承载力作为截面的抗弯能力。桥墩关键截面的抗弯抗剪承载力验算见表2。

由计算结果可知：

①由于设计撞击点距离桥墩墩底截面较近，桥墩构件易发生剪切损坏。

②大桥非通航孔桥墩只能抵抗小于500 t的驳船在漂移情况下速度不大于2 m/s的撞击，600 t的驳船在最低设计航速（2 m/s）的撞击能使桥梁结构失效，故桥梁结构难以抵抗600 t以上驳船的撞击。

③500 t以上的船舶在桥区水域两侧近距离内，一旦失控漂向大桥，对大桥安全影响很大。

3安全管理对策

根据对东海大桥非通航孔的空间有限元分析和截面能力计算，要确保桥梁安全和桥区水域通航安全，建议在现有的措施上加强相关安全管理措施。

3.1在大桥上方增设助航、警戒标牌

建议在大桥通航孔两侧，用电子标牌和文字标牌注明为××#通航孔，标牌文字应做到昼夜都能在2 n mile距离内看清。在非通航孔桥面两侧，也使用电子标牌和文字标牌注明禁止通航，标牌技术要求同通航孔标牌。在1#、2#、3#、4#通航孔，还应标明流向、流速、允许通航方向，让通航船舶直观地了解通航孔水文气象以及通航情况。

建议在大桥两侧设置CCTV警示灯光信号和音响设备，一旦有船驶入大桥安全水域，企图穿越非通航孔，就自动发出警示灯光或音响，必要时通知巡逻艇赶赴现场处理。

3.2大桥通航安全责任主体应加强管理

东海大桥管理有限公司是大桥管理的主体责任单位，对大桥负有日常养护的责任。应通过各种有效途径，掌握大桥的安全状况和水上交通带来的损坏情况，及时养护、修理、修复大桥使其保持在基本技术指标状态，并及时发出保证大桥安全的相关信息。

东海大桥业主单位应通过各种有效的手段，掌握桥区水域影响大桥安全的信息，应设置相应的视频监拍导流，掌握船舶违章通过通航孔、非通航孔的情况，及时报请海事监督部门进行违章处理。

3.3对非通航孔实施堵封和保护

对非通航孔实施堵封措施，阻止船舶通过非通航孔。在东海大桥非通航孔东西两侧距桥墩300 m外的水域，沿大桥轴线抛设具有足够浮力的专门系船浮（小于目前黄浦江中供2 000吨级及以下机动船系带的系船浮），沉块（可用铁或水泥浇铸）重3 t左右，埋入江底。系船浮顶部设一环形铁环供穿或系带钢缆之用。

（1）系船浮锚链长的计算标准确定为：最低潮位+最大潮位差+沉块埋入土中深度+系船浮总高。

（2）两系船浮间距200 m，中间再安装两个浮球，系船浮与浮球均為红色，夜间利用储存的太阳能发光（红色定光灯）。

（3）东海大桥两侧共需系船浮122座，浮球240只，阻缆索需约28 000 m。

（4）在重点区域采取橡胶护舷，即在非通航孔桥墩内侧，绕桥墩与水表面接触处安一圈旧轮胎（可以随水面上下浮动）。一旦航经船舶操纵失误或发生意外情况碰撞（擦）桥墩时，橡胶轮胎对撞击力就可起到缓冲作用。

（5）每个桥墩单侧需轮胎25个，东海大桥东西两侧总共需轮胎39 400个。

3.4加强对桥区水域通航船舶的主动风险预警

采用高科技手段，如主动防船撞监测预警系统等，加强对桥区水域通航船舶的风险预警。首先对出现在监测水域中的所有船舶进行实时自动位置识别和航迹跟踪，然后依靠先进的算法对船舶在未来一段时间内的航行轨迹进行预测，从而实现提前评估船舶撞击桥梁的风险。在发现高风险的船舶后，系统及时自动地发布警告提醒船舶纠正航线，或由管理部门采取有效措施，为避免事故或尽可能降低事故损失赢得宝贵的时间。

3.5加强对桥区通航法律法规的宣传

通过调研发现，对非通航孔威胁较大的违规穿越船舶，船籍港大多属于舟山和部分浙江沿海地区，部分船员由当地渔民转业而来，对相关法律法规不熟悉。建议制作简易版东海大桥安全通航宣传资料，与当地政府和海事部门合作，分发到有关的港航企业单位和渔业管理部门，并在网上上传相关文件，以供免费下载阅读。

4结束语

针对东海大桥现在的运营情况以及桥区周围的通航环境、水文气象等条件对船舶碰撞东海大桥的风险进行评价，并对东海大桥非通航孔的防撞能力进行了模拟计算。

根据风险评价和模拟计算，提出安全管理措施，包括增设助航、警戒标牌，大桥通航安全责任主体应加强管理，对非通航孔实施堵封和保护，加强风险预警和相关法律法规的宣传等，为东海大桥桥区通航安全管理提供参考。

参考文献：

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（编辑贾裙平）endprint