邵偉峰 王濤 劉勇 劉思凱 曾施雨

摘 要：本文基于AASHTO規(guī)范模型，引入水位變化條件，提出了基于水位變化的改進(jìn)AASHTO模型;以白居寺長(zhǎng)江大橋P7、P8主墩，P9邊墩為例，評(píng)估了白居寺長(zhǎng)江大橋存在的船撞風(fēng)險(xiǎn)，分析了白居寺長(zhǎng)江大橋相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)橋船相撞概率的影響，計(jì)算得到了各橋墩考慮水位變化的撞擊年頻率及年撞損概率，并根據(jù)撞損概率與風(fēng)險(xiǎn)決策標(biāo)準(zhǔn)，提出橋梁防撞的合理化建議。

關(guān)鍵詞：AASHTO;船撞風(fēng)險(xiǎn);橋梁;碰撞;水位變化

中圖分類號(hào)：U662? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0127-03

白居寺長(zhǎng)江大橋及引道工程起于陳家閣立交，止于太陽(yáng)崗立交，是重慶市路網(wǎng)規(guī)劃中五橫線和軌道交通五號(hào)線跨越長(zhǎng)江的控制節(jié)點(diǎn)工程。在5000噸級(jí)船舶直達(dá)重慶，3000噸級(jí)船舶直達(dá)宜賓的船舶大型化背景下，川江重慶段的通航條件將進(jìn)一步得到改善，三峽庫(kù)區(qū)橋區(qū)航路條件將發(fā)生顯著變化，橋梁船撞隱患及風(fēng)險(xiǎn)也將明顯上升，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)60年代至新世紀(jì)初，國(guó)外因船撞而導(dǎo)致橋梁垮塌或損壞的事故達(dá)30余起[1];在我國(guó)，武漢長(zhǎng)江大橋自建橋以來(lái)至1999年，被撞70余次，近十年來(lái)，全國(guó)各地發(fā)生的重大船撞橋事故也有多起，導(dǎo)致的后果十分嚴(yán)重，需實(shí)施防撞設(shè)施工程對(duì)擬建及在建橋梁進(jìn)行保護(hù)。

目前船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法大多基于美國(guó)的AASHTO船撞概率模型，多為計(jì)算某一水位、某一時(shí)間段的單一風(fēng)險(xiǎn)概率，而橋址水位等相關(guān)參數(shù)為動(dòng)態(tài)變量;有學(xué)者對(duì)偏航概率[2]、不同船型撞擊橋梁概率和碰撞頻率[3]、倒塌頻率等進(jìn)行過(guò)修正[4]，但考慮水位變化的船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較少?；贏ASHTO模型，以白居寺長(zhǎng)江大橋?yàn)槔?，引入水位變?dòng)因素，根據(jù)水位變幅引起的有效航寬變幅，計(jì)算動(dòng)態(tài)橋梁碰撞概率、幾何概率，得到基于水位變化的船撞橋動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，提供橋梁防撞決策依據(jù)。

1基于水位的改進(jìn)AASHTO風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法

改進(jìn)模型考慮水位變化對(duì)碰撞概率的影響，即對(duì)于某一計(jì)算水位下的碰撞頻率還應(yīng)乘上該水位出現(xiàn)的年頻率，然后根據(jù)水位情況加權(quán)求和，使計(jì)算方法更符合實(shí)際，進(jìn)而對(duì)不同水位下的橋墩撞損頻率進(jìn)行計(jì)算，得到不同水位情況的加權(quán)全年橋墩撞損頻率。

1.1水位變化的影響

通常情況下，內(nèi)河與海灣海峽在一年中的水位變化都會(huì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即某一水位在每年出現(xiàn)的頻率基本穩(wěn)定，耿波在其博士論文《橋梁船撞安全評(píng)估》中提出兩種水位描述方法，給出不同水位出現(xiàn)的月數(shù)、每月的水位值[5]。在建的白居寺長(zhǎng)江大橋地處長(zhǎng)江上游航道里程686km，上游3km處有水銀口水尺，該處水文資料詳實(shí)，可根據(jù)歷年的水文資料統(tǒng)計(jì)其水位變化。并根據(jù)轄區(qū)航道局提供的河段設(shè)標(biāo)設(shè)置情況，橋區(qū)河段附近航標(biāo)全年設(shè)置水位分設(shè)計(jì)最低通航水位5↑與5↓，根據(jù)不同水位調(diào)整左右岸浮標(biāo)，高水期航道相應(yīng)放寬。據(jù)此，結(jié)合耿波提出的水位描述方法與橋區(qū)河段設(shè)標(biāo)水位情況，基于AASHTO規(guī)范相關(guān)公式，橋梁的年碰撞概率可以用下式來(lái)表示：

同理，橋墩年撞損頻率可以用下式來(lái)表示：

式中：Fimpc為考慮水位變化的年撞擊頻率;為第i種水位出現(xiàn)的頻率;Fimpi為第i種水位下的年撞擊頻率;AFc為考慮水位變化的年撞損頻率;AFwi為第i種水位下的年撞損頻率。

1.2不同水位期航道中心線對(duì)幾何分布的影響

改進(jìn)模型中幾何概率部分參數(shù)同AASHTO模型，而不同水位期，橋區(qū)河段設(shè)標(biāo)有所調(diào)整，航道位置及航道中心線也相應(yīng)改變，因此圖2中與航道中線與橋墩軸線水平距離x將根據(jù)航道中心線的變化而變化，此時(shí)幾何概率PG為關(guān)于不同水位航道中線與橋墩軸線水平距離x的變量。此時(shí)定義PGi為第i種水位下的幾何概率，已知PGi為為正態(tài)分布函數(shù)，則：

式中：xi為第i種水位下船舶航道中線與橋墩軸線的距離;Bm為船舶寬度;Bp為橋墩寬度。

2白居寺長(zhǎng)江大橋主墩及邊墩撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1船橋撞擊年頻率

白居寺長(zhǎng)江大橋主橋采用主跨660m雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋方案，全長(zhǎng)1789m，主橋跨徑布置105+255+660+255+105=1380m，其中P7、P8墩橋孔寬度660m，為主通航孔，P8、P9橋墩橋孔寬度255m，未來(lái)預(yù)留為次通航孔。

2.1.1不同水位期偏航概率PA

根據(jù)AASHTO規(guī)范偏航概率PA公式，相關(guān)參數(shù)結(jié)合工程河段實(shí)際情況，可計(jì)算得到船舶撞擊橋墩的年頻率，詳見(jiàn)表1。

2.1.2不同水位期幾何概率PGi

偏航船舶與橋梁構(gòu)件相撞的幾何概率PG考慮橋區(qū)河段不同水位期5↑與5↓，航道中心線距橋墩的距離不同。標(biāo)準(zhǔn)差為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，，對(duì)P7/8墩，船長(zhǎng)、船寬BM根據(jù)設(shè)計(jì)代表船型取110m，取19.2m，對(duì)邊墩P9，取104m、16.5m，橋墩寬度BP根據(jù)大橋設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行取值，計(jì)算得到各橋墩在不同水位期的幾何概率，詳見(jiàn)表2。

2.1.3橋墩不同水位期年撞擊頻率Fimpi

根據(jù)朝天門斷面船舶流量統(tǒng)計(jì)，2015至2017年斷面船舶流量約為9.37、8.76、9.56萬(wàn)艘次，未來(lái)2030年約為10.21萬(wàn)艘次、2040年約為11.85萬(wàn)艘次、2050年約為13.75萬(wàn)艘次[6]。繼而根據(jù)年通航量N計(jì)算各橋墩在不同水位期的年撞擊頻率，其中主墩P7/8墩按5000t級(jí)船型撞擊考慮，右岸相鄰橋墩P9墩按3000t級(jí)船舶撞擊計(jì)算，見(jiàn)表3。

2.1.4橋墩全年撞擊頻率Fimpc

為得到不同水位期下橋墩全年撞擊頻率，需對(duì)全年水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，距離橋區(qū)河段最近的水尺為位于白居寺長(zhǎng)江大橋上游3km水銀口水尺，根據(jù)水銀口水尺2015年6月至2019年5月水文數(shù)據(jù)，5m以上水位頻率為56.44%[7]，5m以下水位頻率為43.56%。根據(jù)公式1，可以得到橋墩在不同水位的全年撞擊頻率。

靠近巴南區(qū)一側(cè)主墩P8受船舶撞擊頻率最高，在2050年預(yù)測(cè)通航量下，全年船舶撞擊頻率在0.06次/年左右。主墩P7及邊墩P9受船舶撞擊頻率相對(duì)較低，分別為0.0026次/年、0.00000375次/年。

2.2 橋墩撞損概率

根據(jù)已有參數(shù)，船舶一次撞擊破壞概率Pc、船舶最大撞擊力P根據(jù)AASHTO規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算。P7/P8主墩按照5000t標(biāo)準(zhǔn)，船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值為29MN，P9邊墩按照3000t標(biāo)準(zhǔn)，船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值為18MN[8]，且三座橋墩完全在線彈性范圍，說(shuō)明橋墩自身抗力大于撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值，因此，在AASHTO規(guī)范計(jì)算中，P7/8墩抗撞能力暫取30MN，P9墩抗撞能力暫取20MN。利用規(guī)范撞擊力公式，橋墩抵抗5000t級(jí)船舶以4.5m/s的速度撞擊P7/8主墩的最大撞擊力為38.8MN，橋墩抵抗3000t級(jí)船舶以4.5m/s的速度撞擊P9邊墩的最大撞擊力為30.1MN[8]。不同年通航量、不同水位下的橋墩撞損頻率詳見(jiàn)表4。

根據(jù)表4，P7主墩5↑高水期間，撞損頻率為10-5，P8主墩在5m以下水位撞損率均大于10-3，5m以上水位僅2050年通航量下撞損頻率大于10-3，P9邊墩撞損頻率在10-7至10-8水平。根據(jù)不同水位的出現(xiàn)頻率、某種水位下橋墩的年撞損頻率（表4），利用公式2，可計(jì)算得到橋墩全年撞損頻率。詳見(jiàn)表5。

3風(fēng)險(xiǎn)決策

根據(jù)表5，白居寺長(zhǎng)江大橋P8主墩在現(xiàn)有通航量和未來(lái)預(yù)測(cè)通航量下，不同水位全年撞損頻率均大于10-3，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為1C，超過(guò)了不可接受風(fēng)險(xiǎn)值;P7主墩在現(xiàn)有及未來(lái)預(yù)測(cè)通航量下，全年撞損頻率小于10-4，各年份撞損頻率均位于決策范圍區(qū)間;P9邊墩全年撞損頻率小于10-6，風(fēng)險(xiǎn)概率較小，根據(jù)AASHTO風(fēng)險(xiǎn)決策標(biāo)準(zhǔn)，橋梁撞損頻率可以忽略。因此，建議橋梁設(shè)計(jì)和建造部門針對(duì)主墩盡量采取有效防撞措施，從而降低或避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能。

4 結(jié)論

（1）基于AASHTO模型，改進(jìn)模型引入了橋區(qū)河段設(shè)標(biāo)水位變化情況，可以較好地描述橋區(qū)河段水位變化下主航道距橋墩距離等變化情況，進(jìn)而反映到橋墩年碰撞概率與年撞損頻率中。

（2）2050年通航量下，在施加防撞措施后，船舶撞擊白居寺長(zhǎng)江大橋主通航孔P7、P8橋墩的撞損概率為6.66 10-5和1.5510-3，次通航孔P9橋墩撞損概率為1.3910-7。

（3）根據(jù)美國(guó)國(guó)防部風(fēng)險(xiǎn)決策標(biāo)準(zhǔn)，白居寺長(zhǎng)江大橋無(wú)防撞設(shè)置的情況下，靠近主航槽一側(cè)P9橋墩撞損概率水平大于10-3，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)超過(guò)了不可接受風(fēng)險(xiǎn)值。P7主墩在現(xiàn)有及未來(lái)預(yù)測(cè)通航量下，全年撞損頻率小于10-4，各年份撞損頻率均位于決策范圍區(qū)間;P9邊墩全年撞損頻率小于10-6，風(fēng)險(xiǎn)概率可以忽略。

（4）白居寺長(zhǎng)江大橋建成后，靠近主航槽P8主墩在無(wú)防撞措施的情況下，撞損概率已超過(guò)不可接受范圍，需盡快布置防撞措施以保障橋梁及船舶航行安全，P7主墩撞損概率位于決策范圍區(qū)間，可采取高分子橡膠護(hù)舷等輔助防撞措施。

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