基于风险评估的桥梁船撞角度分析

郭智刚,陈 杨,周先通

(1.上海应用技术大学轨道交通学院,上海 201418； 2.香港理工大学土木及结构工程学系,香港九龙红磡； 3.椒江二桥建设指挥部,浙江台州 318000)

基于风险评估的桥梁船撞角度分析

郭智刚1,陈 杨2,周先通3

(1.上海应用技术大学轨道交通学院,上海 201418； 2.香港理工大学土木及结构工程学系,香港九龙红磡； 3.椒江二桥建设指挥部,浙江台州 318000)

近年来世界范围内发生了多宗船撞事故,合理地对桥梁进行船撞风险评估是非常重要的。AASHTO船撞设计指南中模型是最常用的计算桥梁年倒塌频率的模型。然而,与桥梁倒塌频率有关的船撞力计算公式中只考虑了船舶的速度,并未考虑船舶撞击桥梁的方向。以椒江二桥为工程背景,采用美国AASHTO船撞设计指南中计算桥梁年倒塌频率的模型对桥梁船撞角度进行分析。在未考虑防撞系统和考虑防撞系统情况下,分析船舶撞击桥梁时的角度对椒江二桥的年倒塌频率的影响。结果表明,在未考虑防撞系统情况下船舶撞击椒江二桥的角度不能超过31°,在考虑防撞系统情况下船舶撞击椒江二桥的角度不能超过37°,否则会超过椒江二桥可接受的年倒塌频率。建议对超过该角度的船舶进行警示,以保证桥梁和船舶的安全。

船撞桥；桥梁年倒塌频率；风险评估；角度分析

自20世纪90年代以来，我国航道上船舶吨位越来越大，同时跨越航道上的桥梁也迅速增多。于是，船撞桥梁风险也越来越大。因此，已建和规划建设的桥梁都在进行桥梁船撞风险评估，从而如何分析桥梁船撞的风险[1-10]就成为工程师关心的问题。船撞桥梁风险评估就是评估桥梁被船舶撞到的概率或年倒塌频率，是在已知桥梁抗力情况下对桥梁结构做安全验算。2009年美国制定的AASHTO船撞设计指南[11](第二版)中对桥梁船撞风险进行分析，提出了一个计算桥梁年倒塌频率的模型，桥梁的年倒塌频率与船舶的年通航量、偏航概率、碰撞概率、倒塌频率有关。姜华和王君杰[12]基于风险思想从数学上进行推演确定船撞设防力，对船撞桥梁概率模型进行了评述。陈国虞[13]考虑了船和桥梁有防撞装置，推导出有防撞装置的船撞力公式。一些专家基于风险思想对润扬大桥[14]、美国阳光大道桥[15]、嘉陵江大桥[16]、西堠门特大桥[17]、粉房湾长江大桥[18]、上海长江大桥[19]进行了船撞桥梁风险评估。

AASHTO船撞设计指南中模型是最常用的计算桥梁倒塌频率的模型。然而，与桥梁倒塌频率有关的船撞力计算公式中只考虑了船舶的速度，并未考虑船舶撞击桥梁的方向。因此，以椒江二桥为工程背景，基于AASHTO船撞设计指南中计算桥梁年倒塌频率的模型，考虑船舶撞击桥梁时的方向，计算得到桥梁在未考虑防撞措施和考虑防撞措施情况下的年倒塌频率，从而分析船舶撞击桥梁方向对椒江二桥的年倒塌频率的影响，为桥梁设计和船舶安全航行提供依据。

1 桥梁船撞倒塌频率确定方法[11]

1.1 年倒塌频率的确定

美国的AASHTO规范在桥梁船撞风险评估设计方面是相对比较完善，因此根据美国AASHTO规范，桥梁各个桥墩的年倒塌频率为

式中,AF为桥梁的年倒塌频率；N为船舶年通航量；PA为船舶的偏航概率；PG为碰撞的几何频率；PC为桥梁倒塌频率[8]。

1.2 偏航概率PA

偏航概率PA为船舶偏离正常航线可能会撞击桥梁的统计概率。PA可由历年来船舶碰撞而导致搁浅的数据得到，按下式进行计算

式中BR——偏航基准概率，BR=1.2×10-4(驳船)，BR=0.6×10-4(轮船)；

RB——桥位修正系数，RB=1.0(桥区位于直航道上)，RB=1+θ/45°(桥区位于航道转向点914 m以内，θ为航道转角或弯曲度)，RB=1+θ/90°(桥区位于航道转向点914～1 828 m)；

RC——平行水流修正系数，Rc=1+Vc/19(Vc为平行于航线的水流流速)；

RXC——横流修正系数，RXC-=1+0.54VXC(VXC为垂直于航线的水流流速)；

RD——船舶交通密度修正系数，规定低密度时RD=1.0，平均密度时RD=1.3，高密度时RD=1.6。

1.3 几何概率PG

式(1)中几何概率PG属于条件概率，是在船舶靠近桥梁的区域内失去控制而偏离航线的概率。在靠近桥墩区域，AASHTO规范中采用的偏离航线是正态分布曲线。本文船舶偏离航线的均值位置为航道中心线，标准差为船舶长度。因此，几何概率为船撞桥梁区域的面积，如图1所示。

图1 几何概率定义

1.4 倒塌频率PC

式(1)中倒塌频率PC与桥墩本身的抗撞击能力有关。因此，AASHTO规范[11]规定由桥墩的极限抗力与船舶撞击力的比值来确定倒塌频率PC。

PC的取值分下面几种情况。

式中H——桥梁的抗力；

P——船舶撞击力[11]。

倒塌频率曲线如图2所示。

图2 倒塌频率分布

1.5 船舶撞击力

对于式(3)～(5)中船舶撞击力P的取值，美国AASHTO规范中的计算公式为

式中V——船舶撞击速度；

DWT——船舶排水量[8]。

1.6 船舶撞击速度

在模拟偏航船舶的速度分布时，AASHTO规范采用了三角形分布。同时，AASHTO规范认为船舶航速从航道边缘到3倍船舶长度的距离内呈线性减小的降低规律。

因此，船舶的典型航速作为最大速度，平均水流速度作为最小速度。图3为船舶撞击速度分布。

注：V—设计撞击速度；

x—船舶距桥墩的距离；

VT—船舶的典型航速；

Vmin—船舶撞击桥墩的最小速度；

xc—船舶距航道边缘的距离；

xL—离航道中心线3倍船舶长度的距离。

图3撞击速度分布

1.7 桥墩撞损概率

根据AASHTO规范，一般桥梁的最大年倒塌频率≤10-3。而重要性桥梁的最大年倒塌频率≤10-4。椒江二桥属于重要性工程，应该尽量减少椒江二桥受船舶撞击的风险。因此，桥墩整体年倒塌频率采用10-4。

因此，本文中椒江二桥的年倒塌可接受风险确定为AFaccept=1×10-4。风险分配总体原则为各可能受撞桥墩基本平分，并且考虑到主塔的重要性，主塔桥墩的风险略小于过渡墩和辅助墩等的风险。

2 工程背景

椒江二桥工程位于台州市椒江入海口，工程全长8.09 km，主桥全长3 702 m。主航道桥为70 m+140 m+480 m+140 m+70 m的钻石型双塔双索面斜拉桥(图4)。在桥梁船撞风险计算中采用表1所示的预测通航量。

图4 椒江二桥主航道桥立面(单位：m)

表1 通过椒江二桥的货运量及船舶数预测[20]

3 椒江二桥年倒塌频率

本文考虑0°、15°、30°、45°四种船撞桥墩角度方向对椒江二桥的年倒塌频率的影响，如图5所示。因此，考虑船撞桥墩角度的因素，对式(6)进行修正，船撞桥墩力PS沿纵向和横向进行分解。

由不同吨位的船舶得到船舶的尺寸，根据1.6节得到船舶的速度，然后代入到式(7)～式(8)，得到船舶撞击力。将船舶撞击力代入到式(3)～式(5)，得到桥梁倒塌频率PC(此处计算用到的桥梁设防标准船撞力，主桥墩为41 MN，辅助墩为21.5 MN，过渡墩为13 MN，来自椒江二桥指挥部提供的椒江二桥船撞设防标准研究报告)。然后分别计算PA和PG，代入式(1)，得到桥梁各个桥墩的年倒塌频率。

图5 船撞桥墩角度

3.1 未考虑防撞系统的年倒塌频率

表2和表3分别为各个撞击角度在纵向、横向方向的桥梁年倒塌频率。从表2和表3可以看出，随着角度的增大，沿纵向方向年倒塌频率随之增大，沿横向方向年倒塌频率随之减小。在30°时年倒塌频率未超过1.0×10-4，而在45°时年倒塌频率超过1.0×10-4，并不清楚在30°～45°之间哪个角度时的年倒塌频率会超过1.0×10-4。因此从30°开始以1°的角度递增，分析每递增1°角度时的年倒塌频率。

表2 各个角度在纵向方向年倒塌频率

表3 各个角度在横向方向年倒塌频率

图6为2030年30°～35°之间的年倒塌频率，从图6可以看出，超过31°桥梁的年倒塌频率超过整桥的最大年倒塌频率1.0×10-4，是对桥梁不利的。

图6 不同撞击角度的年倒塌频率

3.2 考虑防撞系统的年倒塌频率

椒江二桥指挥部安装了桥梁主动防撞系统，桥梁主动防撞系统包括AIS监控系统和视频监控系统。图7为AIS监控船舶轨迹的软件显示界面，这里不详细展开。Larsen[21]提到安装VTS系统后，船撞桥梁的风险将会减少2～3倍。表4为5个国家安装VTS系统后船撞桥梁风险的减少倍数。尽管椒江二桥安装的是AIS系统和视频监控系统，但参考表4，近似认为安装桥梁主动防撞系统后，年倒塌频率比没有考虑防撞措施的年倒塌频率减少2.5倍。

图7 AIS监控软件显示界面

表4 不同国家减少倍数

表5和表6分别为各个撞击角度在纵向、横向方向的桥梁年倒塌频率。从表4和表5可以看出，随着角度的增大，沿纵向年倒塌频率随之增大，沿横向年倒塌频率随之减小。在30°时年倒塌频率未超过1.0×10-4，而在45°时年倒塌频率大于1.0×10-4。因此从30°开始以1°的角度递增，分析每递增1°角度时的年倒塌频率。

图8为2030年35°～40°之间的年倒塌频率，从图8可以看出，超过37°桥梁的年倒塌频率超过整桥的最大年倒塌频率1.0×10-4，对桥梁是不利的。

表5 各个角度在纵向方向年倒塌频率

表6 各个角度在横向方向年倒塌频率

图8 不同撞击角度的年倒塌频率

4 结论

对桥梁进行防撞风险评估是一个涉及范围很广的研究课题，具有重大的工程背景和现实意义。美国制定的AASHTO船撞设计提供了很好的船撞桥梁风险分析方法。然而，该指南中与桥梁倒塌频率有关的船撞力计算公式中只考虑了船舶的速度，并未考虑船舶撞击桥梁的方向。以椒江二桥为工程背景，考虑了船舶撞击桥梁方向对椒江二桥的年倒塌频率的影响，对计算桥梁年倒频概率的公式进行了修正。结果显示，在未考虑防撞系统情况下船舶撞击椒江二桥的角度不能超过31°，在安装了桥梁主动防撞系统后，船舶撞击椒江二桥的角度不能超过37°，否则会超过椒江二桥可接受的年倒塌频率。因此，可以建议航运部门对经过桥区的船舶航迹进行监测，对超过该角度的船舶进行警示，以保证桥梁和船舶的安全。并以此可以推广到其他桥梁，为桥梁设计和船舶安全航行提供依据。

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Angle Analysis of Vessel Colliding with Bridge Based on Risk Assessment

GUO Zhi-gang1, CHEN Yang2, ZHOU Xian-tong3

(1. School of Railway Transportation, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China; 2. Department of Civil and Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom, Kowloon, Hong Kong; 3. The Second Jiaojiang Bridge Construction Headquarters, Taizhou 318000, China)

In recent years, ship-bridge collision accidents have been widely reported worldwide and it is of great importance to evaluate the risk of ship-bridge collision. The AASHTO model in the guide specification and commentary for vessel collision prevention design of highway bridges is the most common one to calculate the collapse probability of bridges. However, the ship-bridge collision force formula is only related to the speed of the ship, but fails to consider the direction of ship-bridge collision. The angle of ship-bridge collision is analyzed with AASHTO model. Taking the second Jiaojiang Bridge as the engineering background, the ship-bridge collision angle is analyzed to address the influence of collapse probability with and without anti-collision system. The results show that the angle of ship-bridge collision should not exceed 31 degree without anti-collision system, while the angle of ship-bridge collision should not exceed 37 degree with anti-collision system. Otherwise, the collapse frequency of second Jiaojiang Bridge could exceed the accepted risk criterion. Thus, it is suggested that any ship should be warned once the ship passes the bridge at exceeded angle.

Vessel-bridge collision; Collapse probability of bridge; Risk assessment; Angle analysis

1004-2954(2018)01-0088-05

2017-03-03；

2017-03-17

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目子课题(2013CB036300)；上海市高校青年教师培养资助项目(ZZyy15111)

郭智刚(1984—)，男，讲师，2013年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学博士，从事结构健康监测研究，E-mail:zhigangguo@sit.edu.cn。

U447

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703030002