尹紫紅,李遠(yuǎn)富,燕蒲龍,項(xiàng) 琴,李懷龍

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)土木工程系,四川峨眉山 614202；3.西南交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,成都 610031； 4.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川德陽(yáng) 618000)

1 概述

隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展,船撞橋問(wèn)題顯得越來(lái)越突出,亟待研究和解決。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)橋梁越建越多,越建越大,越建越長(zhǎng)。橋梁建設(shè)已從跨越內(nèi)河發(fā)展到跨越河口、跨越海峽。近20年來(lái),由于橋梁技術(shù)的不斷進(jìn)步,橋梁的建設(shè)日益向大跨度深基礎(chǔ)發(fā)展,橋梁已從跨越大江大河發(fā)展到跨越河口、跨越海峽,橋位的選擇從內(nèi)河的中、上游發(fā)展到下游,直至沿海地區(qū)。

(2)船型尺度在不斷地增大。隨著水路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展和船型技術(shù)的不斷進(jìn)步,船型也在不斷地改進(jìn),船舶尺度在不斷地增大。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)內(nèi)河貨船的平均噸位已從1990年的45 t增加至2000年的105 t。隨著運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷推進(jìn)和深入,船型將逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、大型化和現(xiàn)代化,船型尺度還將繼續(xù)增大。

(3)內(nèi)河客船逐步高速化。20世紀(jì)80年代,長(zhǎng)江一般客船的航速僅在20 km/h左右,而今已有很多客船達(dá)到了30 km/h以上,水翼客船更是達(dá)到了60 km/h以上。內(nèi)河客船的航速增加,意味著一旦撞橋時(shí)碰撞能量的增加,無(wú)疑會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重的后果。

(4)危險(xiǎn)品運(yùn)輸呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。石油及其制品、液體化工品等運(yùn)輸快速增長(zhǎng)。新型專用船舶如化學(xué)品船、液化氣船等從無(wú)到有,已發(fā)展到化學(xué)品船218艘、6.2萬(wàn)t,液化氣船22艘、15.1萬(wàn)t載重。

另外,恐怖主義的盛行尤其是9·11事件喚醒了人們的防恐安全意識(shí),同時(shí)也提醒我們對(duì)船撞橋問(wèn)題進(jìn)行研究的意義要比原來(lái)所認(rèn)識(shí)到的更加重要。

上述各方面因素的存在,都使得發(fā)生船撞橋事故的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大,深入開展有關(guān)研究已經(jīng)越來(lái)越急迫、越來(lái)越重要。

國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明,近幾十年來(lái),世界上發(fā)生的船舶撞毀橋梁事故已超過(guò)100次。武漢長(zhǎng)江一橋自1957年建成通車以來(lái),40余年內(nèi)被撞70余次,除3次是超高撞梁外,其余均撞橋墩,最嚴(yán)重的一次留下了0.15 m深的凹痕；重慶白沙沱大橋僅1998～2005年,就發(fā)生過(guò)9起嚴(yán)重的船撞橋事故,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的政治影響；文獻(xiàn)[1]曾對(duì)我國(guó)長(zhǎng)江、珠江和黑龍江三大水系上的船撞橋事故進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì),并給出了船撞橋事故的年度變化情況,見圖1。黃石長(zhǎng)江公路大橋在3年時(shí)間內(nèi)共發(fā)生碰撞橋墩事故20多起,其中一次船毀人傷,貨物沉沒(méi),橋墩受損,直接經(jīng)濟(jì)損失上千萬(wàn)元。最近,船撞橋事故在我國(guó)頻繁發(fā)生,特別是2007 年6月運(yùn)沙船撞塌廣東九江大橋和 2008年8月3 000 t貨船撞擊東莞麻涌大橋在我國(guó)造成了重大的社會(huì)影響。

舟山大陸連島工程由岑港大橋、響礁門大橋、桃夭門大橋、西堠門大橋和金塘大橋5座大橋組成,全長(zhǎng)48 km,是世界規(guī)模最大的島陸聯(lián)絡(luò)工程。其中,金塘大橋是世界上外海環(huán)境中最大跨度的斜拉橋,在5座大橋中規(guī)模最大。2008年3月27日,中國(guó)臺(tái)州籍貨輪錯(cuò)駛航道,撞擊正在建造中的金塘大橋非通航孔,造成60 m長(zhǎng)的橋面斷裂坍塌；2009年11月16日晚,一艘2 000 t級(jí)韓國(guó)籍貨輪在風(fēng)浪中走錨,撞擊了連島大橋群中最大的金塘大橋1個(gè)橋墩。

船撞橋事故不但涉及到橋梁的結(jié)構(gòu)安全,影響著航區(qū)船舶和橋面車輛的安全運(yùn)營(yíng),更是威脅著人民的寶貴生命和財(cái)產(chǎn)安全,于是合理地對(duì)橋梁進(jìn)行船撞橋概率分析并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估就成為工程界越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題,我們必須進(jìn)一步分析研究船撞橋的概率問(wèn)題。我國(guó)船撞橋事故年度變化如圖1所示。

圖1 我國(guó)船撞橋事故年度變化

2 船撞橋模型選擇

PIANC第19工作組把船撞橋事故的原因歸結(jié)為3類：(1)人員失誤,如：疏忽、操縱失誤和無(wú)證駕駛等；(2)機(jī)械故障,如：主機(jī)滅火、舵機(jī)失靈和船隊(duì)斷纜等；(3)惡劣的自然環(huán)境,如：壞天氣和大洪水等。目前,有學(xué)者著手研究考慮這些影響因素的復(fù)雜理論模型,但該種復(fù)雜的理論應(yīng)用于實(shí)際尚較為困難。因此,采用基于全局參數(shù)的簡(jiǎn)化概率模型仍然是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外計(jì)算船撞橋概率的主要方法。比較典型的船撞橋簡(jiǎn)化模型主要有AASHTO指南方法、IABSE模型(拉森模型)、Kuzi模型、歐洲規(guī)范模型、英國(guó)模型[7]以及配德森模型等。本研究考慮到中國(guó)橋梁的實(shí)際情況,采用AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南方法對(duì)大橋的船撞概率進(jìn)行計(jì)算分析。

AASHTO 規(guī)范模型中,橋梁年撞擊概率的計(jì)算式為

P=N×PA×PC×PG

式中N——船舶年通航量；

PC——偏航概率；

PG——幾何概率。

偏航概率PA的計(jì)算式為

PA=BR×PB×PC×PXC×PD

式中BR——偏航基準(zhǔn)概率；

PB——橋位修正系數(shù)；

PC——平行水流修正系數(shù)；

PXC——橫流修正系數(shù)；

PD——船舶交通密度修正系數(shù)。

幾何概率PG的計(jì)算見圖2,其中陰影部分的面積即為幾何概率。

圖2 幾何概率計(jì)算圖示

3 修正AASHTO模型

AASHTO模型是依照美國(guó)和歐洲的船舶碰撞資料統(tǒng)計(jì)而設(shè)計(jì)出來(lái)的,不一定適用于我國(guó)的船撞橋概率計(jì)算,不一定真實(shí)反映我國(guó)船撞橋情況。船舶撞擊橋梁是一個(gè)多因素造成的事件,既有風(fēng)、水流、霧等外界因素,又有橋梁凈高,航寬,船舶性能、駕駛操作等內(nèi)在因素,并且因素之間有著耦合關(guān)系,AASHTO模型涉及到的因素不夠全面,需要修正。

3.1 船型修正

船撞橋事故概率和航區(qū)船型是相關(guān)的,據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)分析,船隊(duì)更易發(fā)生撞橋事故。駁船隊(duì)的撞橋事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于單船。主要原因是駁船隊(duì)尺度大,操縱性相對(duì)較差，過(guò)橋更困難。而單船相對(duì)而言船體主尺度較小,操縱性也相對(duì)好些,因此,單船撞橋事故較少。一般船舶偏離航線基本發(fā)生率BR=0.6×10-4,船隊(duì)BR=1.2×10-4。船舶撞擊橋墩的概率與航區(qū)寬度成反比,與船舶寬度成正比。

式中μ——船型修正系數(shù)；

B——船舶寬度；

L——單孔跨徑。

3.2 上下水修正

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,下水船舶撞橋事故數(shù)量較多,大約是上水船舶事故數(shù)量的2.2倍,主要是由于下水船舶對(duì)水流的相對(duì)速度較低,舵效差,難以操縱,而下水船舶由于相對(duì)河床速度值較高,撞橋的后果更嚴(yán)重,船撞橋概率更大。

式中Q′——下水通航量；

Q″——上水通航量；

Q——全年通航量,a為上下水修正系數(shù),有碰撞統(tǒng)計(jì)資料取3。

3.3 大風(fēng)修正

風(fēng)對(duì)船舶航行有著明顯的影響,風(fēng)對(duì)船舶的影響除了使船舶失速或增速外,一方面令船舶向下漂移,另一方面使船發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對(duì)其船舶作用的程度和特征與船舶受風(fēng)面積、風(fēng)動(dòng)力中心位置、干舷高度與吃水比、風(fēng)級(jí)、船舶航向、航速等多種因素有關(guān)。風(fēng)力越大,船舶傾斜、漂移、偏轉(zhuǎn)的程度就越大。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬船舶橋區(qū)的失控漂移,可以得出,不管是上游還是下游,風(fēng)速大于7.9 m/s 時(shí),風(fēng)對(duì)風(fēng)致漂移量影響較大,與風(fēng)向無(wú)關(guān)。所以由風(fēng)對(duì)船撞橋的修正有

式中Q′——風(fēng)速大于7.9 m/s 的通航天數(shù)；

Q——全年通航天數(shù),a為風(fēng)修正系數(shù),取值 1.5。

3.4 大霧修正

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)度不斷擴(kuò)大,灰霾天氣出現(xiàn)的日數(shù)越來(lái)越多,由此,引發(fā)的能見度不良天氣也越來(lái)越多,特別是濃霧,能見度變低,有時(shí)候即使借用雷達(dá)等助航儀器,仍然有可能發(fā)生偏航、擱淺和碰撞等事故。霧日天氣成為有些橋區(qū)的船撞橋的主要影響因素之一。

式中Q——全年通航天數(shù)；

Q′——一年能見度小于1 000 m的霧日天數(shù)；

k——大霧影響系數(shù),參考取為2 511 000～2 512 000；

s——航區(qū)能見度距離,航區(qū)能見度不好時(shí),s1取1 000m,航區(qū)能見度良好時(shí),s2取10 000m。

4 工程案例

西堠門大橋是繼金塘大橋之后寧波往舟山方向的第2座跨海大橋,也是舟山大陸連島工程技術(shù)難度最大的特大跨海橋。全長(zhǎng)5.452 km,大橋長(zhǎng)2.588 km,為2跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋,分體式雙箱斷面鋼箱梁,鋼箱梁全寬36 m,梁高3.5 m,兩箱間通過(guò)箱形橫梁和工字梁連接。連接冊(cè)子島和金塘島,主跨采用(485+1 650+578) m的懸索橋方案,是世界上跨徑最大的鋼箱梁懸索橋,也是跨徑世界第二、國(guó)內(nèi)第一特大橋梁,設(shè)計(jì)通航等級(jí)3萬(wàn)t,通航凈高49.5 m,凈寬630 m。

通航航道中心線距離橋墩825 m,上水有約4 km的直航水域,下水有約6 km的直航水域。最大風(fēng)速24 m/s,極大風(fēng)速大于42 m/s,受臺(tái)風(fēng)影響月份為5～11月,其中7～9月居多,年平均臺(tái)風(fēng)影響次數(shù)為2.56次。全年風(fēng)級(jí)5級(jí)(相當(dāng)風(fēng)速8.0～10.7 m/s)以上平均90 d,全年橋區(qū)能見度小于1 000 m的霧日天數(shù)平均20.5 d。以不正規(guī)半日潮流為主,潮流運(yùn)動(dòng)形式大多為往復(fù)流。該水道流速大、且有強(qiáng)烈旋渦,航區(qū)年平行航向水流速度為3.15 m/s,橋區(qū)水流偏角在1.7°左右,交通密度高,上下行量比為1.2,預(yù)測(cè)不同船型在金塘島側(cè)3號(hào)墩的年撞擊頻率。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 金塘島側(cè)3號(hào)墩不同船型年撞擊概率

5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定一直以來(lái)都是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。從安全的角度而言,橋梁結(jié)構(gòu)必須保證行人的安全,也就是說(shuō)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有相當(dāng)?shù)陌踩?。然?安全要求的高低決定了相應(yīng)所需要付出的成本。安全度要求越高,即橋梁的失效概率越低,為此,所需付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)也就越高。因此,安全與經(jīng)濟(jì)之間的平衡,是制定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)最為關(guān)鍵的問(wèn)題。

國(guó)外相關(guān)規(guī)范給出了不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南規(guī)定,對(duì)于一般橋梁,整個(gè)橋的最大倒塌年頻率取10-3/年,而對(duì)于關(guān)鍵性橋梁則取10-4/年,并建議將全橋的年倒塌可接受頻率根據(jù)位于水中的各墩在橋梁重建費(fèi)用中所占的百分比分配到各墩上。歐洲的Eurocode1給出了處于不同安全等級(jí)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度,其中典型橋梁的年失效概率采用10-6/年。目前,船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。文獻(xiàn)[17]詳細(xì)探討了人的安全因素、環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)因素3方面在制定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面的影響,并結(jié)合中國(guó)國(guó)情,初步建立了針對(duì)船撞橋事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在文獻(xiàn)[17]所建立的船撞橋概率區(qū)間的基礎(chǔ)上,采用船撞橋風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)對(duì)西堠門大橋的船撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 船撞橋風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)論和建議

(1)傳統(tǒng)的AASHTO模型未考慮船型、大風(fēng)、霧日等影響因素,在取值上較實(shí)際船撞擊橋梁概率大。

(2)船撞橋事故的第一位原因是人員失誤,約占78%；第二位原因是惡劣的自然環(huán)境,約占16%；第三位原因是機(jī)械故障,約占6%,三者之比大約為13∶2.8∶1。

(3)西堠門大橋運(yùn)營(yíng)期總體船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)為二級(jí),屬于低風(fēng)險(xiǎn)水平,注意風(fēng)險(xiǎn)管理和監(jiān)控。

(4)在橋梁運(yùn)營(yíng)期,應(yīng)綜合采取主動(dòng)防撞措施被動(dòng)防撞措施,并加強(qiáng)防范、監(jiān)控措施,重點(diǎn)保護(hù)主要通航口的橋墩,同時(shí)不能忽視引橋部分的安全。主動(dòng)防撞措施方面,建議設(shè)置導(dǎo)航標(biāo)等；被動(dòng)防撞措施方面,可設(shè)置局部防撞措施,例如：在主通航孔的橋墩設(shè)置橡膠防護(hù)裝置等。對(duì)于重要橋梁,要建立主動(dòng)防撞系統(tǒng)(如 VTS 等),減少人為原因?qū)е碌拇矘蚴鹿?降低年船撞橋概率。

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