基于風險分析的大跨度橋梁船撞設防標準研究

李 彪

南寧城市建設投資集團有限責任公司

1 橋梁船撞風險分析基本方法

1.1 AASHTO分析方法

1991年，美國頒布了AASHTO船舶碰撞設計指南，其中規定了三種不同的風險分析方法。方法I 是一種半確定性的簡單方法，適用于淺水航道和小噸位駁船；方法II是復雜的風險分析程序；方法III是成本效益比分析程序，適用于非常寬的水道且許多橋墩都可能撞到的情況。該指南要求采用方法II，除非在規范中規定使用方法I和方法III的某些情況除外。

1.2 中國規范方法

在我們的國家，《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）將船舶分為兩類：輪船和內河駁船。規范中給出了船舶對橋墩橫向和縱向的沖擊力和船舶載重噸位一一對應的關系，因此給定的橋梁設計船撞擊力是基于確定性分析的。2020年頒布實施了《公路橋梁抗撞設計規范》（JTG∕T 3360—02—2020）提出了基于風險的思想進行橋梁船撞的設計方法。

2 大跨度橋梁船撞設防標準確定方法

通過設計代表船舶或設防船撞擊力，考慮特定的社會經濟條件，并且根據避免船舶碰撞的風險目標環境和設定的防御目標可以確定橋梁船撞設防標準。本文采用設防船撞力作為橋梁船撞設防標準，在確定設防船撞力的基礎上，根據橋區通行船舶的情況確定設計代表船舶。

根據AASHTO規范的規定，要求對離船舶航跡中心線3倍設計代表船長范圍以內的橋墩進行風險概率計算。可以根據水深、船的吃水深度以及橋軸上下一定范圍內的淺礁分布來初步確定可到達的橋墩范圍，以達到對橋梁船撞風險的一個初步了解，在進行船舶可達性分析的基礎上，對基于船舶可達性分析的橋墩碰撞風險分析范圍內橋梁墩每年發生船舶碰撞事故的概率計算，計算船撞風險時，考慮橋區水位變化，根據不同通航水位出現的頻率，在計算出不同水位的每個橋墩發生碰撞的風險之后，根據水位的不同和對應發生的頻率進行加權求和，以得出橋墩每年發生故障的概率，即：

式中：

αi——為第i種水位出現的頻率；

Pwi——為第i種水位下的船撞風險。

將求得的橋墩年失效概率與可接受風險準則進行比對，通過迭代計算，得到滿足由船舶撞擊引起的橋梁年倒塌頻率低于可接受風險準則的最大船撞力即為橋墩設防船撞力，在確定橋墩設防船撞力的基礎上，根據橋區船舶典型航速，確定設計代表船舶。對于可接受風險準則的取值，對于普通橋梁，全橋的最大年失效頻率應＜10-3，對于重要性橋梁，全橋的最大年失效頻率應＜10-4。

3 基于風險分析確定橋梁船撞設防標準工程應用實例

3.1 工程概況

某斜拉橋主跨通航孔寬度575m，分為上行大型船舶航路（北側287.5m水域），供船隊和船長50m以上船舶上水航行；北邊孔供船長50m以下的船舶上水航行；下行船舶航路（南側287.5m水域），供所有船舶（隊）下水航行。

3.2 橋梁船撞風險分析基本參數

3.2.1 水文參數

根據對橋區河段洪、中、枯期水流流速、流向觀測，得到橋軸線上水流流速和流向的特征如表1所示。

表1 橋位水流特征

計算三種水位下的橋梁船撞風險，分別為最高通航水位18.97m，最低通航水位2.9m、平均通航水位9.8m。

3.2.2 通航船舶參數

根據大橋橋位處船舶航速的實際觀測，得到船舶典型航速如表2所示。

表2 船舶通過大橋航速選取表

通過實際觀測橋區船舶流量，得到全年船舶通行量。并通過取船舶分類噸位的平均值作為計算船舶撞擊力噸位，例如當船舶噸級為4000t～5000t 時，其撞擊力計算時所用噸位為4500t，其他類推。

3.3 橋梁船撞風險分析的范圍

對離船舶航跡中心線3倍設計代表船長以內的橋墩需進行風險概率計算。

主通航孔的典型船舶長度取113m，風險分析的范圍包括北主墩，南主墩，北輔助墩號和北過渡墩。南過渡墩和南輔助墩不在船撞風險范圍以內，按最小撞擊力要求確定設防船撞力。

3.4 船舶可達性分析

船舶可達性分析中考慮的代表船舶在空載和滿載條件下的吃水深度見表3。

表3 船艏吃水線深度

根據水位資料，橋區最高通航水位為18.97m，最低通航水位為2.90m，中水位為9.80m，由此計算得到各個橋墩處的水深，進而分析了三種水位情況下，1000t 級船舶、3000t 級船舶、5000t 級船舶、10000t級船舶、滿載吃水深度和空載吃水深度情況下船舶的到達情況。

3.5 橋梁船撞概率風險分析

基于前述橋梁船撞風險分析參數，得到各墩船撞風險結果見表4。

表4 各墩船撞風險分析結果

3.6 橋梁船撞設防標準的確定

通過迭代分析，得到滿足由船舶撞擊引起的橋梁年倒塌頻率低于可接受風險準則的橋墩設防船撞力和設計代表船舶如表5所示。

表5 各墩設防船撞力和設計代表船舶

對于風險分析范圍以外的南輔助墩和南過渡墩，按最小撞擊力確定設防船撞力，設計的最小撞擊力計算采用空載排水量200t駁船以等于水域上的平均水流速度的漂浮速度產生的撞擊力來確定，水流速度取洪水期、中水期、枯水期水流速度的平均值進行計算，即1.56m∕s，由此確定最小設防船撞力3.06MN。

根據風險分析結果，建議限制60m 長度以上船舶通過備用通航孔，根據設防船撞力確定合理的防撞結構設施，加強船舶的航行管理，降低船舶的偏航風險。

4 結論

為確定大跨度橋梁防船撞的設防標準，本文提出一種基于風險分析的方法。根據不同通航水位出現的頻率，計算出不同水位下各墩的橋梁船撞風險，通過加權求和得到橋墩年失效概率。根據各個橋墩的可接受風險，通過迭代計算，可以得到滿足由船舶撞擊引起的橋梁年倒塌頻率低于可接受風險準則的橋墩設防船撞力，并提出進一步降低橋墩船撞風險的建議和措施。以實際工程為例，利用本文建立的方法，對大橋進行了橋梁船撞分析，在此基礎確定了橋梁船撞設防力和設計代表船舶，為該方法在實際工程中的應用提供了參考。