打开文本图片集
摘 要：由于已建跨河桥梁设计航道等级普遍偏低，船舶大型化发展日趋明显，虽然船舶大型化具有明显的规模经济效应，但是导致超航道等级船舶通过桥区水域安全风险增加。从船舶综合安全评估的角度出发，深入研究船撞桥的安全风险是十分必要的。本文基于AASHTO模型获得了船撞桥概率，分析了船舶结构损坏程度和倾覆力矩，评估了船舶翻沉和桥梁倒塌的风险灾害水平。
关键词：船撞桥；安全风险评估
中图分类号：U661.313 文献标识码：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， it’s 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 ship’s overturning and the collapse of the bridge is assessed.
Key words： Ships’ collision with bridge； Safety risk assessmen
1 引言
船舶大型化有明显的规模经济效应，其单位运力的船舶造价、能源消耗以及CO2等有害气体的排放量均显著下降。但船舶大型化发展也面临诸多技术与管理方面的制约因素。在船舶大型化的进程中，必须秉持严谨的科学态度，在追求低碳、环保、节能、高效和低成本的同时，应降低船舶航行安全风险。为此，除了研究船舶结构强度、水动力性能和建造技术外，还应该加强船舶运营技术的研究，特别是评估船舶营运风险[1]。
内河船舶大型化的发展趋势日趋明显。航道维护等级以及现有桥梁的设计等级偏低的现象十分普遍，很难满足内河船舶大型化发展需求，对大型船舶的航行构成较大的安全隐患。广东省主要航道约有54%的已建跨河桥梁不能满足规划航道等级所对应的通航净空尺度要求，严重制约了内河航运的发展[2]。从航运效益的充分发挥及经济环保角度，船舶大型化是大势所趋，在享受船舶大型化的进程中带来低碳、环保、节能、高效和低成本的同时，应通过评估船舶营运风险，降低事故发生的概率和灾害水平[3]。
船撞桥风险带来的灾害水平是非常巨大的，也是内河船舶大型化带来的最大风险之一。欧洲内河船舶与主桥墩碰撞事故表明：当桥的主跨小于2倍船长或者小于2倍航宽时，比较容易发生船撞桥事故[4][5] [6]。O.D.Larsen[7]认为：桥区平直航行水域的长宽指导值为8倍船长和3.2倍船长。因此，桥梁通航净空尺度对于船舶通航安全影响最大，从船舶综合安全评估的角度出发，深入研究船舶航行过程中碰撞桥梁的安全风险是十分必要的。
2 船撞桥安全风险评估
2.1 船撞桥概率计算
2.1.1船撞桥风险评价的概率模型
AASHTO[4]船撞桥概率模型可操作性较强，被广泛采用。AASHTO 模型采用基于碰撞概率分析方法，假设船舶在行驶时有预定航路，航路与桥梁之间有足够的安全距离。船舶在航行过程中，由于某些原因进入到可能与桥梁产生碰撞的区域，若此时船舶失去了控制，将导致船撞桥事故发生。AASHTO 模型船撞橋概率包括船舶进入可能产生碰撞的航路区域的概率和船舶失去控制的概率。
船舶进入可能碰撞航路区域的概率称为几何概率pG，船舶失去控制的概率称为偏航概率pA，则船撞桥概率p为：
P = PA + PG （1）
偏航概率pA代表船舶由于人、机、环境因素等导致船舶偏离正常航路的统计概率。AASHTO [8]模型采用正态分布来模拟靠近桥墩的偏航船舶的航路，见图1。假定正态分布标准差σ为船舶总长，图中阴影面积即为几何概率 pG。
2.1.2 单航次船撞桥概率
船舶从A港航行到B港共通过n座桥，船舶与每座桥的桥墩碰撞概率分别为P1，P2，……Pi，……Pn。
2.1.3 定航线船舶碰撞桥墩概率
船舶从A港航行到B港共需通过n座桥，船舶在一年内共从A港和B港航行x航次，营运期限为y年。
则定航线船舶y年营运期内与桥墩发生碰撞的概率P为：
根据AASHTO模型：
2.2 风险评价及风险决策方法
船撞桥的风险（R）是船撞桥的概率（p）及其造成的损失（c）的某种函数形式，其表达式如下：
基本流程包括风险定义、风险识别、风险估计、风险评价等环节。根据事故的后果将风险严重程度分成若干等级，并考虑各种灾害发生的概率水平，将各种灾害下的事故后果和灾害发生的概率水平结合起来，定出风险决策准则。
首先，根据事故的后果将风险严重程度分成四个等级（见表1）；其次，划分各种灾害发生的概率水平（见表2）；第三，将各种灾害下的事故后果和灾害发生的概率水平结合起来决定风险等级（见表3）；最后，确定风险决策准则（见表4）。
3 船撞桥安全风险评估的应用
D水道为珠江三角洲航运主干道，由内河Ⅲ级航道提升为内河Ⅱ级航道并兼顾港澳线航线。由于航道规划等级的调整，使部分已建跨河桥梁不能完全满足规划航道对应的通航净空尺度要求。以D水道的典型河段作为研究对象，7座桥梁均采用单孔双向通航方式，通航净高均不小于10 m。其它主要设计参数见表5。
D水道的船舶通航密度大、船舶吨位大、近年来水上交通流量平均约550艘次/天，其中大部分为载重量3 000 DWT以上的自卸砂船，主要船型的主尺度（船长×型宽×吃水×型深（m））为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 船撞桥概率分析
根据调查，货船每年通过研究河段的7座桥梁为200航次；船舶单航次偏航概率，普通船舶约为0.6x10-4。假设不同漂角β，计算营运1年期船撞桥的概率如表6。
3.2 船撞桥造成船体结构损坏风险分析
船首与刚性物体碰撞时，船首结构损坏长度为[4]：
式中：KE为船舶碰撞能量 （kip-ft）；Ps 为船的作用力 （kip）；W为船舶排水量 （tonne）； V为船舶碰撞速度 （ft/s）；CH 为附件质量系数；DWT为船舶载重量 （tonne）；V为船舶碰撞速度 （ft/s）。
由表7可知，船舶碰撞桥墩导致船首结构损坏长度较小，未损坏防撞舱壁，结构损坏导致的风险后果属于轻微的。结合灾害概率分类和风险分析矩阵，灾害风险指标属于中风险；风险决策准则属于可接受，重点安全检查和管理。
3.3 船撞桥造成船舶倾覆风险分析
墩台承受船舶撞击力可按下式计算[5]：
式中：γ为动能折减系数（s/m0.5）。当船舶斜向撞击墩台（指船舶航行方向与撞击点处墩台面法线方向不一致）时可取γ=0.2；正向撞击（指船舶航行方向与撞击点墩台面处法线方向一致）时可取γ=0.3；V为船舶撞击墩台时的速度（m/s）；α为船舶航行方向与墩台撞击点处切线所成的夹角，应根据具体情况确定， 如有困难，可采用α=20°，W为船舶重量（kN）；C1 、C2为船舶弹性变形系数和墩台弹性变形系数， 缺乏资料时可取C1 +C2 =0.000 5 。
侧向碰撞力产生的倾覆力矩和力臂：
式中：M为倾覆力矩 （kN.m）； F为侧向碰撞力（kN）；Zg为垂向重心高（m）； Zf为侧向力作用点高（m）；l为倾覆力臂 （m）；g为重量加速度（m/s2）
若l>Lqo，则船撞桥导致船舶倾覆。
由表8可知，船舶若发生与桥墩侧碰，船舶不倾覆则后果属于轻微的。结合灾害概率分类和风险分析矩阵，灾害风险指标属于中风险；风险决策准则属于可接受，重点安全检查和管理。
3.4 船撞桥造成桥梁损坏风险分析
在计算得出桥梁的船撞力以及桥墩的抗撞能力后，可以评价发生单次撞击时桥墩的破坏概率，用Pc表示，其含义是指船撞力大于桥墩抗撞能力从而引起桥墩破坏的概率。美国AASHTO规范给出桥梁结构被撞以后的安全状态，提出了以桥梁抵抗力与撞击力比值为基础的倒塌概率曲线，见图2。
当桥梁构件强度大于船舶撞击力时，Pc=0；当桥梁构件强度介于船舶撞击力的10%和100%之间时，Pc在0到0.1之间线性变换；当桥梁构件强度小于船舶撞击力的10%时，Pc在0.1到1之间线性变化。美国AASHTO规范的模型，是应用最为广泛的。
根据式（9）可计算船舶碰撞桥墩撞击力，如表9所示。
根据桥梁设计撞击作用力与船舶撞击力的比值，查图2可得桥梁倒塌概率，再结合船舶在该航道营运1年碰撞桥墩的概率，即可得出船舶营运1年造成桥梁坍塌的概率，如表10所示。
由表10可知，船舶以限制航速航行时，碰撞桥墩导致桥梁坍塌的风险指标属于中风险，风险决策准则属于可接受，重点安全检查和管理。
4 结论
根据水上交通事故统计资料，2012～2015年间水上交通事故呈现明显的下降趋势，D水道水上交通事故共28宗，均为一般等级事故。船舶大型化并没有导致船撞桥事故的恶化，这与本文采用安全评估方法获得的“中风险，风险决策准则属于可接受，重点安全检查和管理”的结论是一致的。
参考文献
[1]徐學光. 低碳背景下的船舶大型化.中国船检（06），2012.
[2]杨利兵. 广东省主要航道已建跨河桥梁通航适应性分析. 珠江水运（12），2014.
[3]赵东华，陈虹等. 内河航道等级与船舶大型化发展. 水运工程（11），2011.
[4] S.E.van Manen. Ship Collisions due to the Presence of Bridges[R]. Brussels： PIANC General Secretariat， 2001.
[5] Gucma L. Methods for bridge safety assessments with respect to ship collisions. K.Kolowrocki （edt.） Safety and Reliability. Balkema. Rotterdam 2005.
[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.