基于改進AASHTO模型的白居寺長江大橋船撞風險評估

邵偉峰 王濤 劉勇 劉思凱 曾施雨

摘 要：本文基于AASHTO規范模型，引入水位變化條件，提出了基于水位變化的改進AASHTO模型;以白居寺長江大橋P7、P8主墩，P9邊墩為例，評估了白居寺長江大橋存在的船撞風險，分析了白居寺長江大橋相關結構參數對橋船相撞概率的影響，計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，并根據撞損概率與風險決策標準，提出橋梁防撞的合理化建議。

關鍵詞：AASHTO;船撞風險;橋梁;碰撞;水位變化

中圖分類號：U662? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0127-03

白居寺長江大橋及引道工程起于陳家閣立交，止于太陽崗立交，是重慶市路網規劃中五橫線和軌道交通五號線跨越長江的控制節點工程。在5000噸級船舶直達重慶，3000噸級船舶直達宜賓的船舶大型化背景下，川江重慶段的通航條件將進一步得到改善，三峽庫區橋區航路條件將發生顯著變化，橋梁船撞隱患及風險也將明顯上升，據不完全統計，20世紀60年代至新世紀初，國外因船撞而導致橋梁垮塌或損壞的事故達30余起[1];在我國，武漢長江大橋自建橋以來至1999年，被撞70余次，近十年來，全國各地發生的重大船撞橋事故也有多起，導致的后果十分嚴重，需實施防撞設施工程對擬建及在建橋梁進行保護。

目前船撞風險評估法大多基于美國的AASHTO船撞概率模型，多為計算某一水位、某一時間段的單一風險概率，而橋址水位等相關參數為動態變量;有學者對偏航概率[2]、不同船型撞擊橋梁概率和碰撞頻率[3]、倒塌頻率等進行過修正[4]，但考慮水位變化的船撞橋風險評估較少?；贏ASHTO模型，以白居寺長江大橋為例，引入水位變動因素，根據水位變幅引起的有效航寬變幅，計算動態橋梁碰撞概率、幾何概率，得到基于水位變化的船撞橋動態風險，提供橋梁防撞決策依據。

1基于水位的改進AASHTO風險評估法

改進模型考慮水位變化對碰撞概率的影響，即對于某一計算水位下的碰撞頻率還應乘上該水位出現的年頻率，然后根據水位情況加權求和，使計算方法更符合實際，進而對不同水位下的橋墩撞損頻率進行計算，得到不同水位情況的加權全年橋墩撞損頻率。

1.1水位變化的影響

通常情況下，內河與海灣海峽在一年中的水位變化都會呈現一定的規律性，即某一水位在每年出現的頻率基本穩定，耿波在其博士論文《橋梁船撞安全評估》中提出兩種水位描述方法，給出不同水位出現的月數、每月的水位值[5]。在建的白居寺長江大橋地處長江上游航道里程686km，上游3km處有水銀口水尺，該處水文資料詳實，可根據歷年的水文資料統計其水位變化。并根據轄區航道局提供的河段設標設置情況，橋區河段附近航標全年設置水位分設計最低通航水位5↑與5↓，根據不同水位調整左右岸浮標，高水期航道相應放寬。據此，結合耿波提出的水位描述方法與橋區河段設標水位情況，基于AASHTO規范相關公式，橋梁的年碰撞概率可以用下式來表示：

同理，橋墩年撞損頻率可以用下式來表示：

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幾何分布的影響

改進模型中幾何概率部分參數同AASHTO模型，而不同水位期，橋區河段設標有所調整，航道位置及航道中心線也相應改變，因此圖2中與航道中線與橋墩軸線水平距離x將根據航道中心線的變化而變化，此時幾何概率PG為關于不同水位航道中線與橋墩軸線水平距離x的變量。此時定義PGi為第i種水位下的幾何概率，已知PGi為為正態分布函數，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白居寺長江大橋主墩及邊墩撞擊風險分析

2.1船橋撞擊年頻率

白居寺長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，未來預留為次通航孔。

2.1.1不同水位期偏航概率PA

根據AASHTO規范偏航概率PA公式，相關參數結合工程河段實際情況，可計算得到船舶撞擊橋墩的年頻率，詳見表1。

2.1.2不同水位期幾何概率PGi

偏航船舶與橋梁構件相撞的幾何概率PG考慮橋區河段不同水位期5↑與5↓，航道中心線距橋墩的距離不同。標準差為設計船長，，對P7/8墩，船長、船寬BM根據設計代表船型取110m，取19.2m，對邊墩P9，取104m、16.5m，橋墩寬度BP根據大橋設計參數進行取值，計算得到各橋墩在不同水位期的幾何概率，詳見表2。

2.1.3橋墩不同水位期年撞擊頻率Fimpi

根據朝天門斷面船舶流量統計，2015至2017年斷面船舶流量約為9.37、8.76、9.56萬艘次，未來2030年約為10.21萬艘次、2040年約為11.85萬艘次、2050年約為13.75萬艘次[6]。繼而根據年通航量N計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級船型撞擊考慮，右岸相鄰橋墩P9墩按3000t級船舶撞擊計算，見表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，需對全年水位進行統計，距離橋區河段最近的水尺為位于白居寺長江大橋上游3km水銀口水尺，根據水銀口水尺2015年6月至2019年5月水文數據，5m以上水位頻率為56.44%[7]，5m以下水位頻率為43.56%。根據公式1，可以得到橋墩在不同水位的全年撞擊頻率。

靠近巴南區一側主墩P8受船舶撞擊頻率最高，在2050年預測通航量下，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較低，分別為0.0026次/年、0.00000375次/年。

2.2 橋墩撞損概率

根據已有參數，船舶一次撞擊破壞概率Pc、船舶最大撞擊力P根據AASHTO規范公式進行計算。P7/P8主墩按照5000t標準，船舶撞擊力標準值為29MN，P9邊墩按照3000t標準，船舶撞擊力標準值為18MN[8]，且三座橋墩完全在線彈性范圍，說明橋墩自身抗力大于撞擊力標準值，因此，在AASHTO規范計算中，P7/8墩抗撞能力暫取30MN，P9墩抗撞能力暫取20MN。利用規范撞擊力公式，橋墩抵抗5000t級船舶以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表4。

根據表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。根據不同水位的出現頻率、某種水位下橋墩的年撞損頻率（表4），利用公式2，可計算得到橋墩全年撞損頻率。詳見表5。

3風險決策

根據表5，白居寺長江大橋P8主墩在現有通航量和未來預測通航量下，不同水位全年撞損頻率均大于10-3，風險指標為1C，超過了不可接受風險值;P7主墩在現有及未來預測通航量下，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間;P9邊墩全年撞損頻率小于10-6，風險概率較小，根據AASHTO風險決策標準，橋梁撞損頻率可以忽略。因此，建議橋梁設計和建造部門針對主墩盡量采取有效防撞措施，從而降低或避免碰撞風險發生的可能。

4 結論

（1）基于AASHTO模型，改進模型引入了橋區河段設標水位變化情況，可以較好地描述橋區河段水位變化下主航道距橋墩距離等變化情況，進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）根據美國國防部風險決策標準，白居寺長江大橋無防撞設置的情況下，靠近主航槽一側P9橋墩撞損概率水平大于10-3，風險指標超過了不可接受風險值。P7主墩在現有及未來預測通航量下，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間;P9邊墩全年撞損頻率小于10-6，風險概率可以忽略。

（4）白居寺長江大橋建成后，靠近主航槽P8主墩在無防撞措施的情況下，撞損概率已超過不可接受范圍，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間，可采取高分子橡膠護舷等輔助防撞措施。

參考文獻：

[1] 王召兵，徐奎，吳俊，馬希欽.AASHTO概率模型在船橋碰撞風險評估中的應用[J].水運工程，2017（10）：179-185.

[2] 張星星，陳明棟，陳明.山區通航橋梁船撞概率合理性研究[J].科學技術與工程，2016，16（13）：284-288.

[3] 張星星，陳明棟，陳明.山區通航橋梁船撞概率合理性研究[J].科學技術與工程，2016，16（13）：284-288.

[4] 曹佰楊，李嵩林.涪陵烏江大橋復線橋船撞風險研究[J].公路交通技術，2016，32（2）：51-56.

[5] 耿波.橋梁船撞安全評估[D].同濟大學，2007.

[6] 長江上游朝天門至涪陵河段航道整治工程經濟效益分析報告[R].重慶交通大學，2018.

[7] 2015-2019各年度三峽庫區航道泥沙原型觀測分析報告[R].長江重慶航運工程勘察設計院，2015-2019.

[8] 重慶白居寺長江大橋船舶撞擊力標準與風險研究報告[R].長江重慶航運工程勘察設計院，2019.