歐禮堅

摘 要：由于已建跨河橋梁設(shè)計航道等級普遍偏低，船舶大型化發(fā)展日趨明顯，雖然船舶大型化具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但是導(dǎo)致超航道等級船舶通過橋區(qū)水域安全風(fēng)險增加。從船舶綜合安全評估的角度出發(fā)，深入研究船撞橋的安全風(fēng)險是十分必要的。本文基于AASHTO模型獲得了船撞橋概率，分析了船舶結(jié)構(gòu)損壞程度和傾覆力矩，評估了船舶翻沉和橋梁倒塌的風(fēng)險災(zāi)害水平。

關(guān)鍵詞：船撞橋；安全風(fēng)險評估

中圖分類號：U661.313 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The large-scale development of ships is becoming increasingly obvious for pursuing the economic benefits， but it results in a fact that there is an increasing safety risk when large cargo ships pass the bridge area waters. From the point of view of vessels integrated safety assessment， its very necessary to make a deep study of the safety risk of ship collision with bridge. Based on the AASHTO model， the probability of ship collision with bridge is obtained， the damage degree and overturning moment of the ship structure are analyzed， and the risk disaster level of the ships overturning and the collapse of the bridge is assessed.

Key words： Ships collision with bridge； Safety risk assessmen

1 引言

船舶大型化有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，其單位運(yùn)力的船舶造價、能源消耗以及CO2等有害氣體的排放量均顯著下降。但船舶大型化發(fā)展也面臨諸多技術(shù)與管理方面的制約因素。在船舶大型化的進(jìn)程中，必須秉持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，在追求低碳、環(huán)保、節(jié)能、高效和低成本的同時，應(yīng)降低船舶航行安全風(fēng)險。為此，除了研究船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水動力性能和建造技術(shù)外，還應(yīng)該加強(qiáng)船舶運(yùn)營技術(shù)的研究，特別是評估船舶營運(yùn)風(fēng)險[1]。

內(nèi)河船舶大型化的發(fā)展趨勢日趨明顯。航道維護(hù)等級以及現(xiàn)有橋梁的設(shè)計等級偏低的現(xiàn)象十分普遍，很難滿足內(nèi)河船舶大型化發(fā)展需求，對大型船舶的航行構(gòu)成較大的安全隱患。廣東省主要航道約有54%的已建跨河橋梁不能滿足規(guī)劃航道等級所對應(yīng)的通航凈空尺度要求，嚴(yán)重制約了內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展[2]。從航運(yùn)效益的充分發(fā)揮及經(jīng)濟(jì)環(huán)保角度，船舶大型化是大勢所趨，在享受船舶大型化的進(jìn)程中帶來低碳、環(huán)保、節(jié)能、高效和低成本的同時，應(yīng)通過評估船舶營運(yùn)風(fēng)險，降低事故發(fā)生的概率和災(zāi)害水平[3]。

船撞橋風(fēng)險帶來的災(zāi)害水平是非常巨大的，也是內(nèi)河船舶大型化帶來的最大風(fēng)險之一。歐洲內(nèi)河船舶與主橋墩碰撞事故表明：當(dāng)橋的主跨小于2倍船長或者小于2倍航寬時，比較容易發(fā)生船撞橋事故[4][5] [6]。O.D.Larsen[7]認(rèn)為：橋區(qū)平直航行水域的長寬指導(dǎo)值為8倍船長和3.2倍船長。因此，橋梁通航凈空尺度對于船舶通航安全影響最大，從船舶綜合安全評估的角度出發(fā)，深入研究船舶航行過程中碰撞橋梁的安全風(fēng)險是十分必要的。

2 船撞橋安全風(fēng)險評估

2.1 船撞橋概率計算

2.1.1船撞橋風(fēng)險評價的概率模型

AASHTO[4]船撞橋概率模型可操作性較強(qiáng)，被廣泛采用。AASHTO 模型采用基于碰撞概率分析方法，假設(shè)船舶在行駛時有預(yù)定航路，航路與橋梁之間有足夠的安全距離。船舶在航行過程中，由于某些原因進(jìn)入到可能與橋梁產(chǎn)生碰撞的區(qū)域，若此時船舶失去了控制，將導(dǎo)致船撞橋事故發(fā)生。AASHTO 模型船撞橋概率包括船舶進(jìn)入可能產(chǎn)生碰撞的航路區(qū)域的概率和船舶失去控制的概率。

船舶進(jìn)入可能碰撞航路區(qū)域的概率稱為幾何概率pG，船舶失去控制的概率稱為偏航概率pA，則船撞橋概率p為：

P = PA + PG （1）

偏航概率pA代表船舶由于人、機(jī)、環(huán)境因素等導(dǎo)致船舶偏離正常航路的統(tǒng)計概率。AASHTO [8]模型采用正態(tài)分布來模擬靠近橋墩的偏航船舶的航路，見圖1。假定正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ為船舶總長，圖中陰影面積即為幾何概率 pG。

2.1.2 單航次船撞橋概率

船舶從A港航行到B港共通過n座橋，船舶與每座橋的橋墩碰撞概率分別為P1，P2，……Pi，……Pn。

2.1.3 定航線船舶碰撞橋墩概率

船舶從A港航行到B港共需通過n座橋，船舶在一年內(nèi)共從A港和B港航行x航次，營運(yùn)期限為y年。

則定航線船舶y年營運(yùn)期內(nèi)與橋墩發(fā)生碰撞的概率P為：

根據(jù)AASHTO模型：

2.2 風(fēng)險評價及風(fēng)險決策方法

船撞橋的風(fēng)險（R）是船撞橋的概率（p）及其造成的損失（c）的某種函數(shù)形式，其表達(dá)式如下：

基本流程包括風(fēng)險定義、風(fēng)險識別、風(fēng)險估計、風(fēng)險評價等環(huán)節(jié)。根據(jù)事故的后果將風(fēng)險嚴(yán)重程度分成若干等級，并考慮各種災(zāi)害發(fā)生的概率水平，將各種災(zāi)害下的事故后果和災(zāi)害發(fā)生的概率水平結(jié)合起來，定出風(fēng)險決策準(zhǔn)則。

首先，根據(jù)事故的后果將風(fēng)險嚴(yán)重程度分成四個等級（見表1）；其次，劃分各種災(zāi)害發(fā)生的概率水平（見表2）；第三，將各種災(zāi)害下的事故后果和災(zāi)害發(fā)生的概率水平結(jié)合起來決定風(fēng)險等級（見表3）；最后，確定風(fēng)險決策準(zhǔn)則（見表4）。

3 船撞橋安全風(fēng)險評估的應(yīng)用

D水道為珠江三角洲航運(yùn)主干道，由內(nèi)河Ⅲ級航道提升為內(nèi)河Ⅱ級航道并兼顧港澳線航線。由于航道規(guī)劃等級的調(diào)整，使部分已建跨河橋梁不能完全滿足規(guī)劃航道對應(yīng)的通航凈空尺度要求。以D水道的典型河段作為研究對象，7座橋梁均采用單孔雙向通航方式，通航凈高均不小于10 m。其它主要設(shè)計參數(shù)見表5。

D水道的船舶通航密度大、船舶噸位大、近年來水上交通流量平均約550艘次/天，其中大部分為載重量3 000 DWT以上的自卸砂船，主要船型的主尺度（船長×型寬×吃水×型深（m））為A（83×15.6×4.2×4.8）、B（86.8×20×4.4×5）、C（90×20×4.5×5.1）和D（99.8×20×5.2×5.9）。

3.1 船撞橋概率分析

根據(jù)調(diào)查，貨船每年通過研究河段的7座橋梁為200航次；船舶單航次偏航概率，普通船舶約為0.6x10-4。假設(shè)不同漂角β，計算營運(yùn)1年期船撞橋的概率如表6。

3.2 船撞橋造成船體結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險分析

船首與剛性物體碰撞時，船首結(jié)構(gòu)損壞長度為[4]：

式中：KE為船舶碰撞能量 （kip-ft）；Ps 為船的作用力 （kip）；W為船舶排水量 （tonne）； V為船舶碰撞速度 （ft/s）；CH 為附件質(zhì)量系數(shù)；DWT為船舶載重量 （tonne）；V為船舶碰撞速度 （ft/s）。

由表7可知，船舶碰撞橋墩導(dǎo)致船首結(jié)構(gòu)損壞長度較小，未損壞防撞艙壁，結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致的風(fēng)險后果屬于輕微的。結(jié)合災(zāi)害概率分類和風(fēng)險分析矩陣，災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)屬于中風(fēng)險；風(fēng)險決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點安全檢查和管理。

3.3 船撞橋造成船舶傾覆風(fēng)險分析

墩臺承受船舶撞擊力可按下式計算[5]：

式中：γ為動能折減系數(shù)（s/m0.5）。當(dāng)船舶斜向撞擊墩臺（指船舶航行方向與撞擊點處墩臺面法線方向不一致）時可取γ=0.2；正向撞擊（指船舶航行方向與撞擊點墩臺面處法線方向一致）時可取γ=0.3；V為船舶撞擊墩臺時的速度（m/s）；α為船舶航行方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角，應(yīng)根據(jù)具體情況確定， 如有困難，可采用α=20°，W為船舶重量（kN）；C1 、C2為船舶彈性變形系數(shù)和墩臺彈性變形系數(shù)， 缺乏資料時可取C1 +C2 =0.000 5 。

側(cè)向碰撞力產(chǎn)生的傾覆力矩和力臂：

式中：M為傾覆力矩 （kN.m）； F為側(cè)向碰撞力（kN）；Zg為垂向重心高（m）； Zf為側(cè)向力作用點高（m）；l為傾覆力臂 （m）；g為重量加速度（m/s2）

若l>Lqo，則船撞橋?qū)е麓皟A覆。

由表8可知，船舶若發(fā)生與橋墩側(cè)碰，船舶不傾覆則后果屬于輕微的。結(jié)合災(zāi)害概率分類和風(fēng)險分析矩陣，災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)屬于中風(fēng)險；風(fēng)險決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點安全檢查和管理。

3.4 船撞橋造成橋梁損壞風(fēng)險分析

在計算得出橋梁的船撞力以及橋墩的抗撞能力后，可以評價發(fā)生單次撞擊時橋墩的破壞概率，用Pc表示，其含義是指船撞力大于橋墩抗撞能力從而引起橋墩破壞的概率。美國AASHTO規(guī)范給出橋梁結(jié)構(gòu)被撞以后的安全狀態(tài)，提出了以橋梁抵抗力與撞擊力比值為基礎(chǔ)的倒塌概率曲線，見圖2。

當(dāng)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度大于船舶撞擊力時，Pc=0；當(dāng)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度介于船舶撞擊力的10%和100%之間時，Pc在0到0.1之間線性變換；當(dāng)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度小于船舶撞擊力的10%時，Pc在0.1到1之間線性變化。美國AASHTO規(guī)范的模型，是應(yīng)用最為廣泛的。

根據(jù)式（9）可計算船舶碰撞橋墩撞擊力，如表9所示。

根據(jù)橋梁設(shè)計撞擊作用力與船舶撞擊力的比值，查圖2可得橋梁倒塌概率，再結(jié)合船舶在該航道營運(yùn)1年碰撞橋墩的概率，即可得出船舶營運(yùn)1年造成橋梁坍塌的概率，如表10所示。

由表10可知，船舶以限制航速航行時，碰撞橋墩導(dǎo)致橋梁坍塌的風(fēng)險指標(biāo)屬于中風(fēng)險，風(fēng)險決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點安全檢查和管理。

4 結(jié)論

根據(jù)水上交通事故統(tǒng)計資料，2012～2015年間水上交通事故呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，D水道水上交通事故共28宗，均為一般等級事故。船舶大型化并沒有導(dǎo)致船撞橋事故的惡化，這與本文采用安全評估方法獲得的“中風(fēng)險，風(fēng)險決策準(zhǔn)則屬于可接受，重點安全檢查和管理”的結(jié)論是一致的。

參考文獻(xiàn)

[1]徐學(xué)光. 低碳背景下的船舶大型化.中國船檢（06），2012.

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[6] Gucma L. Methods of Ship-bridge Collision Safety Evaluation. K.Kolowroeki（edt.） Safety and Reliability （Vol.2）. Balkema. Rotterdam2009.

[7] O.D.Larsen. Ship Collision with Bridges [M]. Denmark：IABSE，1993.

[8]AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. American Association of State Highway and Transportation Officials， Washington D. C.， 2010.