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阅读 3729 次 桥梁船撞风险评估系统总体研究

摘要:从桥梁工程船撞设计的角度出发,提出了一个桥梁船撞风险评估系统的总体框架,共包括五部分内容:船桥碰撞评估数据库、桥梁船撞安全评估模块、可接受风险准则、主动防撞方案设计和被动防撞方案设计,并阐明了各组成部分之间的逻辑关系。同时对各部分中需要解决的关键问题进行了阐述。...

桥梁船撞风险评估系统总体研究

耿波 王君杰   范立础

(1同济大学,上海2000922重庆交通科研设计院,重庆400067)

一、概述

    随着我国经济建设的快速发展,大量高投入、高技术、大跨径的跨海跨江大桥纷纷修建起来。仅就五纵七横中的同()一三()线上就拟建5个跨海工程,分别是渤海湾跨海工程、长江口跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程以及琼州海峡工程。此外,还有舟山大陆连岛工程、青岛至黄岛、以及长江、珠江、黄河上众多的桥梁工程。据统计,截止到20053月,仅长江宜宾至上海江段就有已建成通车的特大型桥梁41座,在建桥梁l8(不包括规划中或设计中的桥梁)。如此众多的桥梁,在给国家或地方带来丰厚经济利润的同时也影响着船舶运输安全。船舶运输的发展使得现在的通航船舶开始变得愈来愈大、愈来愈快、愈来愈多,同时桥区环境的改变,如流速、风速、弯道、冲刷、淤积、潮位等,也会影响着船舶的正常航行,因此船撞桥事故的发生是难以避免的,它不但涉及到船舶通行的安全,也严重影响着桥梁的安全运营,于是合理地对船撞桥事故进行风险评估就成为工程界越来越关心的问题。

    国内外统计资料表明,近几十年来,世界上发生的船舶撞毁桥梁事故已超过l00次,造成了巨大的人员伤亡、财产损失以及对环境的破坏,表l给出了国际上自1960年以来由于船撞导致的桥梁毁坏事故

1船撞导致的桥梁毁坏事故及后果

 

    在我国船撞桥的事故也频繁发生,武汉长江大桥白1957年建成以来已经发生了70多起船撞桥事故,黄石长江大桥仅1993年、l 994年两年时间就连续发生19起船撞桥事故,造成了严重的经济损失和恶劣的政治影响。戴彤宇曾对我国长江、珠江和黑龙江三大水系上的船撞桥事故进行过统计,并给出了船撞桥事故的年度变化情况,见图l。值得说明的是,图1不但包括了后果严重的大事故也包括了一些较小的碰撞事故,有些小的碰撞事故根本不会损伤桥梁,因此笔者建议将其剔除。

    鉴于船桥碰撞问题的严重性,目前世界各国和地区已开始针对该课题展开了细致地研究。一些发达国家针对船桥碰撞问题,编写了相关的规范条文,如美国AASHT0的《公路桥梁防撞设计指导文件》(1991),内容涵盖了设计船舶的确定、碰撞概率分析、碰撞力的计算、船舶破损长度的计算、防撞保护系统设计等。此外,还有美国铁路工程协会(AREA)的《防撞保护系统设计规范》和欧洲统一规范(Eurocode)第一卷(Eurocode l)27分册(1 997年试用)。我国的公路、铁路桥梁规范目前只考虑了船撞力,如《公路桥涵设计通用规范》(2004)中将船舶分为轮船和内河驳船两类分别进行了设计船撞力的规定,对于桥梁船撞风险的计算并无说明。

    在设计思想上,美国和欧洲规范都将船撞事件处理为风险事件,根据可接受风险的水平来确定设防船撞力的大小;我国规范是将船撞事件处理为偶然作用,根据航道和通航船舶情况给定设防船撞力。从设计实践看,我国船撞力的确定主要以规范取值和计算机仿真分析为主,当船撞力较小时二者矛盾并不明显,但当船撞力较大时,二者有时会相差很大,如何取值就会成为有争议的问题。设防船撞力取得越大,投资就会越大,桥墩以及防撞设施的设计难度也会加大,特别是近年来随着下游跨江大桥以及跨海湾大桥的兴建,这类问题显得尤为突出,到底选择多大的设防船撞力,选择该设防船撞力后桥梁到底处于什么样的安全水平,就成为很多工程师所关注的问题。虽然我国桥梁设计中有时也会借用到国外的船撞设计规范,但国外规范毕竟有许多不符合我国实际情况的因素存在,如通航船舶的特征、可接受的风险水平等。因此,为了更好地指导我国的桥梁船撞设计,建立符合我国自身情况的基于风险思想的船撞设计理论就显得尤为必要。整体上看,我国的船撞设计规范还很不成熟,有待进一步的发展和完善。

1我国船撞桥事故年度变化图

二、梁船撞风险评估系统

    风险是指在一定时间内,由于系统行为的不确定性(主要指发生了意料以外的事故)给人类带来危害的可能性6]根据风险的定义,风险评估应解决下面两个问题:

    (1)意外事件发生的可能性或概率;

    (2)发生意外事件后会产生什么样的后果。  

    其一般的数学表达式为:

R=f(Pcgb)    (1)

    式中:P为风险事件发生的概率;c为风险事件发生造成的损失;q为目标收益实现的概率;b为行动的目标收益。对于桥梁遭受船舶撞击的风险R,由于并没有目标收益,因此应主要考虑两部分:桥梁遭受船舶撞击的概率P和可能后果C,于是有:

R=f(PC)          (2)

    即桥梁遭受船舶撞击的风险尺是PC的某种函数形式,通常可采用组合乘积的方式来表示,于是(2)式写为:

R=PxC             (3)

    桥梁船撞风险评估的目的在于明确桥梁遭受船舶撞击的可能后果,并为桥梁方案的设计(对于拟建桥梁)和防撞方案的设计(对于拟建或已建桥梁)提供依据。管理部门借助于风险评估所获得的数据和结论,并综合考虑政治、经济、环境等因素,制定适当地降低风险的措施,然后重新进行风险评估,直到满足可接受的风险标准。

    笔者认为,一个完整的船撞桥风险评估系统应包括以下几个部分:船桥碰撞评估数据库、桥梁船撞安全评估模块、可接受风险标准的确定、主动防撞方案的设计、被动防撞方案的设计。本文建议的桥梁船撞风险评估系统见图2

2桥梁船撞风险评估系统流程图

    21船桥碰撞评估数据库

    船桥碰撞风险的计算涉及多方面的数据资料,如桥梁的通航净空、桥区的航道状况、通航船舶的船型和通航量以及桥区自然环境等,这些都会影响到船撞桥的概率。评估时需要将这些信息进行统计量化,并转化为风险评估模型所用的数据信息。由于主动防撞措施,如设置导航标、设置航行警戒区、安装VTS系统等都会影响到船撞桥的概率,同时被动防撞,如设置防撞墩、安装防撞套箱等也会降低船撞桥的后果严重程度,因此,考虑到主动防撞与被动防撞对船撞桥风险的影响,在建库时也应建立相应的主动和被动防撞措施库。

    由于船桥碰撞问题的特殊性,很多数据我们需要从以往的船桥碰撞事故中进行统计获得,例如,船舶在接近不同桥区时的偏航概率。在没有统计数据可用的情况下,美国AASHT0船撞设计指南[3]给出了一个估算偏航概率的替代方法,其中考虑了桥位、水流以及船只交通密度的影响,但有些因素,诸如风、能见度条件、助航设备、领航技术等均未包括在这种方法中,因为这些因素的影响难以定量确定,因此就需要借助于事故记录进行统计。2002年,戴彤宇针对我国的黑龙江、珠江和长江三大水系,建立了我国第一个船撞桥事故数据库,其应用还需进一步完善。

    在建立数据库时,一个重要的问题就是对桥区通航船舶的船型进行归类统计,因为不同的船舶分类标准将直接影响到桥梁遭受船舶撞击风险的不同。由于目前我国关于船舶标准化的工作刚刚起步,内河以及海峡海湾中航行的船舶也是形形色色,如何对这些船舶进行分类以期得到桥梁船撞设计的设计代表船型就是一项十分有意义的工作。美国AASHT0船撞设计指南对于船舶的分类主要是以船舶的DWT作为分类标准,这样将会导致内河中位于浅水区的桥墩仍有被吃水较深但载重不算太大的船舶撞击的可能,从而影响船撞桥的概率。且目前内河中通航的船舶很大一部分为船队的形式,统计分析表明船队相对于单船来说更容易发生撞桥事故,由于组成船队的驳船的多样性,也应对其提出相应的划分依据。因此,如何确定一个合理的船舶分类标准尚需进一步的研究。

3船桥碰撞评估数据库

    例如,在建立船舶信息库时,可将船舶按不同类别、不同吨位、不同长宽吃水等建立起数据库,并建立船舶吨位与长宽吃水等的关系曲线,以供风险评估时使用,且以后随着数据的增多还可对船舶数据库进行更新。建立桥梁通航信息库时可将与船撞问题有关的数据进行收集整理入库。表2和表3分别给出了船舶和桥梁通航信息库,由于篇幅关系,此处仅给出了少部分主要信息。

2船舶信息库

 

3桥梁通航信息库

    22船桥碰撞安全评估

    船桥碰撞的安全评估流程图见图4。在船撞桥的概率计算方面,分别有美国的AASHT0模型、欧洲规范模型、德国昆兹模型、英国模型和佩德森模型等,国内主要有戴彤宇的简化模型和黄平明的直航路模型。目前这些模型对船桥碰撞的概率计算主要采用数学模型的方法,美国的AASHT0模型和戴彤宇的简化模型主要考虑了船桥碰撞的偏航概率和几何概率,德国昆兹模型则与欧洲模型相似,都是从船撞桥的发生机理出发,考虑了船舶在桥区的航迹、所处位置对事故率的影响,而且考虑了单位航程事故率的变化。英国模型和黄平明的直航路模型则兼收了上述模型的特点。无论国外方法还是国内方法,在建立模型时,模型中各参数的确定仍是一项比较困难的工作,需要以大量的实际船桥碰撞数据作为支持,但在船撞桥数据资料方面由于事故处理部门所关心的侧重点不同,目前船桥碰撞有效资料地收集仍然尊在很大的困难。

    对于桥梁的损伤,美国AASHT0船撞设计指南仅给出了根据桥墩和桥跨的极限侧向抗力HpHs与船舶撞击力P之比来确定桥梁倒塌概率的方法,其倒塌分布概率见图5

 

4船桥碰撞安全评估

 

5倒塌概率分布

    桥梁的损伤状态评估是一个复杂的问题,取决于船舶的船型、大小、外形、船速、撞击角度、船舶质量及碰撞特性,还取决于桥墩和上部结构抵抗碰撞冲击荷载的刚度和强度特性等。因此,笔者提出一种新的桥梁船撞损伤状态的评估思路,即对于船撞桥的损伤情况,可基于可靠度的思想,针对某种破坏模式,研究船撞力概率分布与抗力概率分布的关系,利用极限状态方程求得该破坏模式的可靠指标,于是也就求得了该破坏模式下的失效概率。

    结构构件的抗力可用抗力函数R(MGC)来表示,其中MGC分别表示构件的材料、几何尺寸、计算模式等设计变量。船舶的撞击力可用荷载函数P(v,φ,Wh,λ)表示,其中v、φ、Wh、λ分别表示船速、撞击角度、船舶大小、撞击位置、承台形状等影响船撞力的参数,且假定这些参数之间相互独立。于是,极限状态方程可写为:

R(MGC)P(v,φ,Wh,λ)=0    (4)

    这样,问题就转化为确定抗力与荷载函数中的参数分布问题,这不仅涉及船舶碰撞动力学问题,也涉及桥梁基础的可靠性设计问题,是船撞桥风险分析的重要内容。

    桥梁的风险评估在于考虑其失效概率与后果的乘积。对于失效后果,主要考虑桥梁构件失效和整体失效的后果。对于构件失效,主要的后果费用为交通延迟费用、交通管理费用和维修费用。对于系统失效,主要的后果费用则为重建费用、人员伤亡费用和由于分流导致的交通延迟费用。除此,对于两种失效,也应考虑船舶的损失费用和环境破坏修复费用。

6桥梁安全状态概率评估

    23可接受风险标准

    船撞桥事故跟其他事故一样,都会导致人员伤亡、经济损失、环境破坏和其他有害事件,理想状态是任何事故的后果都被业主、政府部门和公众所接受。对于桥梁船撞风险的可接受标准,美国的 AASHT0船撞设计指南规定,桥梁的倒塌概率对于一般桥梁取10-3/年,对于重要桥梁取l0-4/年,并建议将全桥的年倒塌可接受频率根据位于水中的各墩在桥梁重建费用中所占的百分比分配到各墩上。欧洲的 Eurocode l给出了处于不同安全等级的结构的目标可靠度,见表4,一座典型的桥梁最有可能处于 RC2,所以采用年失效概率l0-6/年。l996年,John Menies1提出了跨径小于20 m的桥梁的目标失效概率为2x10-6,与欧洲规范的取值比较接近。可见,欧洲规范对于桥梁失效的可接受标准要比美国AASHTO规范高得多。

    可接受风险准则的确定一直以来都是有争议的问题,目前确定可接受风险准则的方法主要有: ALARP原则、F-N曲线、风险矩阵、PLL值等方法。按照风险主体的不同,可接受风险通常由以下准则确定:

4 Eurocode l目标可靠度与失效概率

 

 

7社会可接受风险

    (1)个人可接受风险。个人风险是指个体在指定水平事故中受到伤害的频率,通常与个人偏好有很大的关系,一般常用年死亡率量度;

    (2)社会可接受风险。社会风险是指遭受事故的人中,受到伤害的人数与事故发生频率之间的关系,以年死亡人数量度,一般常用F-N曲线表示社会风险,图7列出了各个国家的社会可接受风险曲线。

    (3)环境可接受风险。环境风险指各种活动对环境造成的影响程度。

    (4)广义造价最小原则。该方法是单纯从经济的观点,采用初始造价与受灾后损失之和最小的原则来确定桥梁结构合理的风险评价标准。

    风险可接受准则可由以上一种或几种准则确定,分别对应单目标或多目标决策。由于桥梁为公共设施,从社会安全的角度来讲,必须保证桥梁使用者的安全,也即公众过桥的安全,且桥梁失效一般都会造成严重的人员伤亡和恶劣的政治影响,因此在建立风险的可接受准则时,笔者建议将人的安全作为首要考虑因素。但同时我们也应注意到,可接受风险标准定得越高,即桥梁失效概率越低,那么我们需要付出的,费用也就越多,如何在付出与收益之间取得平衡,也应是制定可接受风险标准时应该考虑的问题。

    在建立可接受风险标准时,可参考国际上各个国家各行业的可接受风险标准以及各种自然灾害的风险水平,并综合考虑社会支付意愿,结合我国的政治、经济状况进行确定。DIS 2394和美国的CIRIA都给出了计算可接受风险的估算公式。各种常见风险的 F-N曲线见图8。目前,船撞桥的可接受风险标准在我国的桥梁设计规范中并没有体现出来,因此确定一个合适的可接受风险标准,对于桥梁的船撞设计将起到积极的指导作用。

8各种常见风险的F—N曲线

    24风险处置对策

    对于评估出的不符合可接受风险标准的桥梁(或方案),将采取进一步的降低风险的对策,主要包括:主动防撞设计、被动防撞设计和更改桥梁设计。主动防撞是指为了避免船舶在航行过程中撞击到桥梁而采取的一系列人为改善措施,如对桥下通航船舶的引导和警告等。当然,采取了主动防撞也许并不能完全杜绝船撞桥事故的发生,因此对于一些特别重要的桥梁就需要考虑被动防撞,即加设防撞装置。对于拟建的桥梁,如有必要可对其设计方案进行更改,如桥型的选择、跨径的布置、基础形式的改变等等。

    目前,主动防撞采取的防船撞措施主要包括: 

    (1)设置导航标;

    (2)施行船舶航行定线制; 

    (3)设置船舶航行警戒区; 

    (4)加强船员的培训工作;  

    (5)对特殊船舶实行引航措施;

    (6)船舶安装AIS导航系统;

    (7)桥区设置船舶交通管理系统VTS等。

    具体采用哪种防撞措施需根据桥梁所处的风险水平、经济代价以及各种主动防撞措施对于减小事故发生率的作用大小而定。由于目前我国很少开展这方面的数据统计工作,因此,可对船桥碰撞因素进行故障树分析(FEA),找出机械故障、人为因素、自然环境等影响因素中各因素的影响程度,在FEA的基础上。提出初步的主动防撞方案,为管理部门提供决策支持,如图9所示。

    对于遭受船舶撞击有较大风险的桥梁,也可考虑采用被动防撞系统,主要包括

    (1)附着式防撞系统;

    (2)重力摆式防撞系统; 

    (3)薄壳筑沙围堰防撞系统;

    (4)胶囊沙袋防撞系统;

    (5)人工岛防撞系统;  

    (6)集群式护墩桩; 

    (7)漂浮网状防撞系统;

    (8)非结构物防撞系统等。

9主动防撞方案的设计

    从减小船撞桥风险的角度出发,采用什么样的被动防撞设施以及如何优化布置(特别对于水中有多墩的情况)等都是需要进一步研究的课题。实际中,无论采用主动还是被动防撞,都需要根据桥区的具体情况和经济代价经专家讨论后决定,因此在此风险评估系统中,并未明确规定主被动防撞方案采用的先后顺序,也即决策权仍在于人。

三、结语

    桥梁遭受船舶撞击的风险是一个涉及范围较广、难度较大的研究课题,具有重要的工程背景和现实意义。本文从工程设计的角度出发,提出了一个桥梁船撞安全评估系统的框架,共包括五个部分:船桥碰撞评估数据库、桥梁船撞安全评估模块、可接受风险准则以及主动和被动防撞方案设计,并阐明了它们之间的关系。然而仍有许多问题值得进一步的研究,主要有:

    (1)针对目前我国内河和海峡海湾中众多的船舶形式,如何确定一个用于船桥碰撞风险分析的合理的船舶分类标准;

    (2)针对风险事件,引入了概率设计的思想和方法,在桥梁的安全状态评估中,采用可靠度研究船撞力荷载与结构抗力的分布函数。影响船撞力荷载和结构抗力函数的各参数的概率分布情况仍需进一步的探讨,这不仅涉及船舶碰撞动力学问题,也涉及结构可靠性设计问题;

    (3)确定桥梁船撞风险的可接受标准,也即目标失效概率,不仅是个技术问题,更与政治、社会和经济密不可分,需要综合考虑各个方面的因素而定;  

    (4)进一步研究各种防撞措施对减小事故发生率的作用或防撞效果,为不同风险水平的桥梁进行合理防撞方案的选择与优化设计提供依据。

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(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:吕琳琳  尹维维 编辑   文径 审核)

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