基于风险分析的大跨度桥梁船撞设防标准研究

李 彪

南宁城市建设投资集团有限责任公司

1 桥梁船撞风险分析基本方法

1.1 AASHTO分析方法

1991年，美国颁布了AASHTO船舶碰撞设计指南，其中规定了三种不同的风险分析方法。方法I 是一种半确定性的简单方法，适用于浅水航道和小吨位驳船；方法II是复杂的风险分析程序；方法III是成本效益比分析程序，适用于非常宽的水道且许多桥墩都可能撞到的情况。该指南要求采用方法II，除非在规范中规定使用方法I和方法III的某些情况除外。

1.2 中国规范方法

在我们的国家，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）将船舶分为两类：轮船和内河驳船。规范中给出了船舶对桥墩横向和纵向的冲击力和船舶载重吨位一一对应的关系，因此给定的桥梁设计船撞击力是基于确定性分析的。2020年颁布实施了《公路桥梁抗撞设计规范》（JTG∕T 3360—02—2020）提出了基于风险的思想进行桥梁船撞的设计方法。

2 大跨度桥梁船撞设防标准确定方法

通过设计代表船舶或设防船撞击力，考虑特定的社会经济条件，并且根据避免船舶碰撞的风险目标环境和设定的防御目标可以确定桥梁船撞设防标准。本文采用设防船撞力作为桥梁船撞设防标准，在确定设防船撞力的基础上，根据桥区通行船舶的情况确定设计代表船舶。

根据AASHTO规范的规定，要求对离船舶航迹中心线3倍设计代表船长范围以内的桥墩进行风险概率计算。可以根据水深、船的吃水深度以及桥轴上下一定范围内的浅礁分布来初步确定可到达的桥墩范围，以达到对桥梁船撞风险的一个初步了解，在进行船舶可达性分析的基础上，对基于船舶可达性分析的桥墩碰撞风险分析范围内桥梁墩每年发生船舶碰撞事故的概率计算，计算船撞风险时，考虑桥区水位变化，根据不同通航水位出现的频率，在计算出不同水位的每个桥墩发生碰撞的风险之后，根据水位的不同和对应发生的频率进行加权求和，以得出桥墩每年发生故障的概率，即：

式中：

αi——为第i种水位出现的频率；

Pwi——为第i种水位下的船撞风险。

将求得的桥墩年失效概率与可接受风险准则进行比对，通过迭代计算，得到满足由船舶撞击引起的桥梁年倒塌频率低于可接受风险准则的最大船撞力即为桥墩设防船撞力，在确定桥墩设防船撞力的基础上，根据桥区船舶典型航速，确定设计代表船舶。对于可接受风险准则的取值，对于普通桥梁，全桥的最大年失效频率应＜10-3，对于重要性桥梁，全桥的最大年失效频率应＜10-4。

3 基于风险分析确定桥梁船撞设防标准工程应用实例

3.1 工程概况

某斜拉桥主跨通航孔宽度575m，分为上行大型船舶航路（北侧287.5m水域），供船队和船长50m以上船舶上水航行；北边孔供船长50m以下的船舶上水航行；下行船舶航路（南侧287.5m水域），供所有船舶（队）下水航行。

3.2 桥梁船撞风险分析基本参数

3.2.1 水文参数

根据对桥区河段洪、中、枯期水流流速、流向观测，得到桥轴线上水流流速和流向的特征如表1所示。

表1 桥位水流特征

计算三种水位下的桥梁船撞风险，分别为最高通航水位18.97m，最低通航水位2.9m、平均通航水位9.8m。

3.2.2 通航船舶参数

根据大桥桥位处船舶航速的实际观测，得到船舶典型航速如表2所示。

表2 船舶通过大桥航速选取表

通过实际观测桥区船舶流量，得到全年船舶通行量。并通过取船舶分类吨位的平均值作为计算船舶撞击力吨位，例如当船舶吨级为4000t～5000t 时，其撞击力计算时所用吨位为4500t，其他类推。

3.3 桥梁船撞风险分析的范围

对离船舶航迹中心线3倍设计代表船长以内的桥墩需进行风险概率计算。

主通航孔的典型船舶长度取113m，风险分析的范围包括北主墩，南主墩，北辅助墩号和北过渡墩。南过渡墩和南辅助墩不在船撞风险范围以内，按最小撞击力要求确定设防船撞力。

3.4 船舶可达性分析

船舶可达性分析中考虑的代表船舶在空载和满载条件下的吃水深度见表3。

表3 船艏吃水线深度

根据水位资料，桥区最高通航水位为18.97m，最低通航水位为2.90m，中水位为9.80m，由此计算得到各个桥墩处的水深，进而分析了三种水位情况下，1000t 级船舶、3000t 级船舶、5000t 级船舶、10000t级船舶、满载吃水深度和空载吃水深度情况下船舶的到达情况。

3.5 桥梁船撞概率风险分析

基于前述桥梁船撞风险分析参数，得到各墩船撞风险结果见表4。

表4 各墩船撞风险分析结果

3.6 桥梁船撞设防标准的确定

通过迭代分析，得到满足由船舶撞击引起的桥梁年倒塌频率低于可接受风险准则的桥墩设防船撞力和设计代表船舶如表5所示。

表5 各墩设防船撞力和设计代表船舶

对于风险分析范围以外的南辅助墩和南过渡墩，按最小撞击力确定设防船撞力，设计的最小撞击力计算采用空载排水量200t驳船以等于水域上的平均水流速度的漂浮速度产生的撞击力来确定，水流速度取洪水期、中水期、枯水期水流速度的平均值进行计算，即1.56m∕s，由此确定最小设防船撞力3.06MN。

根据风险分析结果，建议限制60m 长度以上船舶通过备用通航孔，根据设防船撞力确定合理的防撞结构设施，加强船舶的航行管理，降低船舶的偏航风险。

4 结论

为确定大跨度桥梁防船撞的设防标准，本文提出一种基于风险分析的方法。根据不同通航水位出现的频率，计算出不同水位下各墩的桥梁船撞风险，通过加权求和得到桥墩年失效概率。根据各个桥墩的可接受风险，通过迭代计算，可以得到满足由船舶撞击引起的桥梁年倒塌频率低于可接受风险准则的桥墩设防船撞力，并提出进一步降低桥墩船撞风险的建议和措施。以实际工程为例，利用本文建立的方法，对大桥进行了桥梁船撞分析，在此基础确定了桥梁船撞设防力和设计代表船舶，为该方法在实际工程中的应用提供了参考。