陜西土木建筑網首頁 > 學術研究 > 課題研究 > 從工程設計視角對船撞橋事故進行風險評估總體研究

摘要：從橋梁工程船撞設計的角度出發，提出了一個橋梁船撞風險評估系統的總體框架，共包括五部分內容：船橋碰撞評估數據庫、橋梁船撞安全評估模塊、可接受風險準則、主動防撞方案設計和被動防撞方案設計，并闡明了各組成部分之間的邏輯關系。同時對各部分中需要解決的關鍵問題進行了闡述。...

從工程設計視角對船撞橋事故進行風險評估總體研究

耿波 王君杰 汪 宏 范立礎

(1同濟大學，上海200092；2重慶交通科研設計院，重慶400067)

   一、概述

   隨著我國經濟建設的快速發展，大量高投入、高技術、大跨徑的跨海跨江大橋紛紛修建起來。僅就五縱七橫中的同(江)一三(亞)線上就擬建5個跨海工程，分別是渤海灣跨海工程、長江口跨海工程、杭州灣跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程以及瓊州海峽工程。此外，還有舟山大陸連島工程、青島至黃島、以及長江、珠江、黃河上眾多的橋梁工程。據統計，截止到2005年3月，僅長江宜賓至上海江段就有已建成通車的特大型橋梁41座，在建橋梁l8座(不包括規劃中或設計中的橋梁)。如此眾多的橋梁，在給國家或地方帶來豐厚經濟利潤的同時也影響著船舶運輸安全。船舶運輸的發展使得現在的通航船舶開始變得愈來愈大、愈來愈快、愈來愈多，同時橋區環境的改變，如流速、風速、彎道、沖刷、淤積、潮位等，也會影響著船舶的正常航行，因此船撞橋事故的發生是難以避免的，它不但涉及到船舶通行的安全，也嚴重影響著橋梁的安全運營，于是合理地對船撞橋事故進行風險評估就成為工程界越來越關心的問題。

   國內外統計資料表明，近幾十年來，世界上發生的船舶撞毀橋梁事故已超過l00次，造成了巨大的人員傷亡、財產損失以及對環境的破壞，表l給出了國際上自1960年以來由于船撞導致的橋梁毀壞事故。

表1船撞導致的橋梁毀壞事故及后果

   在我國船撞橋的事故也頻繁發生，武漢長江大橋白1957年建成以來已經發生了70多起船撞橋事故，黃石長江大橋僅1993年、l 994年兩年時間就連續發生19起船撞橋事故，造成了嚴重的經濟損失和惡劣的政治影響。戴彤宇曾對我國長江、珠江和黑龍江三大水系上的船撞橋事故進行過統計，并給出了船撞橋事故的年度變化情況，見圖l。值得說明的是，圖1不但包括了后果嚴重的大事故也包括了一些較小的碰撞事故，有些小的碰撞事故根本不會損傷橋梁，因此筆者建議將其剔除。

   鑒于船橋碰撞問題的嚴重性，目前世界各國和地區已開始針對該課題展開了細致地研究。一些發達國家針對船橋碰撞問題，編寫了相關的規范條文，如美國AASHT0的《公路橋梁防撞設計指導文件》(1991)，內容涵蓋了設計船舶的確定、碰撞概率分析、碰撞力的計算、船舶破損長度的計算、防撞保護系統設計等。此外，還有美國鐵路工程協會(AREA)的《防撞保護系統設計規范》和歐洲統一規范(Eurocode)第一卷(Eurocode l)第2．7分冊(1 997年試用)。我國的公路、鐵路橋梁規范目前只考慮了船撞力，如《公路橋涵設計通用規范》(2004)中將船舶分為輪船和內河駁船兩類分別進行了設計船撞力的規定，對于橋梁船撞風險的計算并無說明。

   在設計思想上，美國和歐洲規范都將船撞事件處理為風險事件，根據可接受風險的水平來確定設防船撞力的大小；我國規范是將船撞事件處理為偶然作用，根據航道和通航船舶情況給定設防船撞力。從設計實踐看，我國船撞力的確定主要以規范取值和計算機仿真分析為主，當船撞力較小時二者矛盾并不明顯，但當船撞力較大時，二者有時會相差很大，如何取值就會成為有爭議的問題。設防船撞力取得越大，投資就會越大，橋墩以及防撞設施的設計難度也會加大，特別是近年來隨著下游跨江大橋以及跨海灣大橋的興建，這類問題顯得尤為突出，到底選擇多大的設防船撞力，選擇該設防船撞力后橋梁到底處于什么樣的安全水平，就成為很多工程師所關注的問題。雖然我國橋梁設計中有時也會借用到國外的船撞設計規范，但國外規范畢竟有許多不符合我國實際情況的因素存在，如通航船舶的特征、可接受的風險水平等。因此，為了更好地指導我國的橋梁船撞設計，建立符合我國自身情況的基于風險思想的船撞設計理論就顯得尤為必要。整體上看，我國的船撞設計規范還很不成熟，有待進一步的發展和完善。

圖1我國船撞橋事故年度變化圖

   二、梁船撞風險評估系統

   風險是指在一定時間內，由于系統行為的不確定性(主要指發生了意料以外的事故)給人類帶來危害的可能性6]根據風險的定義，風險評估應解決下面兩個問題：

   (1)意外事件發生的可能性或概率；

   (2)發生意外事件后會產生什么樣的后果。

   其一般的數學表達式為：

R=f(P，c，g，b) (1)

   式中：P為風險事件發生的概率；c為風險事件發生造成的損失；q為目標收益實現的概率；b為行動的目標收益。對于橋梁遭受船舶撞擊的風險R，由于并沒有目標收益，因此應主要考慮兩部分：橋梁遭受船舶撞擊的概率P和可能后果C，于是有：

R=f(P，C) (2)

   即橋梁遭受船舶撞擊的風險尺是P和C的某種函數形式，通常可采用組合乘積的方式來表示，于是(2)式寫為：

R=PxC (3)

   橋梁船撞風險評估的目的在于明確橋梁遭受船舶撞擊的可能后果，并為橋梁方案的設計(對于擬建橋梁)和防撞方案的設計(對于擬建或已建橋梁)提供依據。管理部門借助于風險評估所獲得的數據和結論，并綜合考慮政治、經濟、環境等因素，制定適當地降低風險的措施，然后重新進行風險評估，直到滿足可接受的風險標準。

   筆者認為，一個完整的船撞橋風險評估系統應包括以下幾個部分：船橋碰撞評估數據庫、橋梁船撞安全評估模塊、可接受風險標準的確定、主動防撞方案的設計、被動防撞方案的設計。本文建議的橋梁船撞風險評估系統見圖2。

圖2橋梁船撞風險評估系統流程圖

   2．1船橋碰撞評估數據庫

   船橋碰撞風險的計算涉及多方面的數據資料，如橋梁的通航凈空、橋區的航道狀況、通航船舶的船型和通航量以及橋區自然環境等，這些都會影響到船撞橋的概率。評估時需要將這些信息進行統計量化，并轉化為風險評估模型所用的數據信息。由于主動防撞措施，如設置導航標、設置航行警戒區、安裝VTS系統等都會影響到船撞橋的概率，同時被動防撞，如設置防撞墩、安裝防撞套箱等也會降低船撞橋的后果嚴重程度，因此，考慮到主動防撞與被動防撞對船撞橋風險的影響，在建庫時也應建立相應的主動和被動防撞措施庫。

   由于船橋碰撞問題的特殊性，很多數據我們需要從以往的船橋碰撞事故中進行統計獲得，例如，船舶在接近不同橋區時的偏航概率。在沒有統計數據可用的情況下，美國AASHT0船撞設計指南[3]給出了一個估算偏航概率的替代方法，其中考慮了橋位、水流以及船只交通密度的影響，但有些因素，諸如風、能見度條件、助航設備、領航技術等均未包括在這種方法中，因為這些因素的影響難以定量確定，因此就需要借助于事故記錄進行統計。2002年，戴彤宇針對我國的黑龍江、珠江和長江三大水系，建立了我國第一個船撞橋事故數據庫，其應用還需進一步完善。

   在建立數據庫時，一個重要的問題就是對橋區通航船舶的船型進行歸類統計，因為不同的船舶分類標準將直接影響到橋梁遭受船舶撞擊風險的不同。由于目前我國關于船舶標準化的工作剛剛起步，內河以及海峽海灣中航行的船舶也是形形色色，如何對這些船舶進行分類以期得到橋梁船撞設計的設計代表船型就是一項十分有意義的工作。美國AASHT0船撞設計指南對于船舶的分類主要是以船舶的DWT作為分類標準，這樣將會導致內河中位于淺水區的橋墩仍有被吃水較深但載重不算太大的船舶撞擊的可能，從而影響船撞橋的概率。且目前內河中通航的船舶很大一部分為船隊的形式，統計分析表明船隊相對于單船來說更容易發生撞橋事故，由于組成船隊的駁船的多樣性，也應對其提出相應的劃分依據。因此，如何確定一個合理的船舶分類標準尚需進一步的研究。

圖3船橋碰撞評估數據庫

   例如，在建立船舶信息庫時，可將船舶按不同類別、不同噸位、不同長寬吃水等建立起數據庫，并建立船舶噸位與長寬吃水等的關系曲線，以供風險評估時使用，且以后隨著數據的增多還可對船舶數據庫進行更新。建立橋梁通航信息庫時可將與船撞問題有關的數據進行收集整理入庫。表2和表3分別給出了船舶和橋梁通航信息庫，由于篇幅關系，此處僅給出了少部分主要信息。

表2船舶信息庫

表3橋梁通航信息庫

   2．2船橋碰撞安全評估

   船橋碰撞的安全評估流程圖見圖4。在船撞橋的概率計算方面，分別有美國的AASHT0模型、歐洲規范模型、德國昆茲模型、英國模型和佩德森模型等，國內主要有戴彤宇的簡化模型和黃平明的直航路模型。目前這些模型對船橋碰撞的概率計算主要采用數學模型的方法，美國的AASHT0模型和戴彤宇的簡化模型主要考慮了船橋碰撞的偏航概率和幾何概率，德國昆茲模型則與歐洲模型相似，都是從船撞橋的發生機理出發，考慮了船舶在橋區的航跡、所處位置對事故率的影響，而且考慮了單位航程事故率的變化。英國模型和黃平明的直航路模型則兼收了上述模型的特點。無論國外方法還是國內方法，在建立模型時，模型中各參數的確定仍是一項比較困難的工作，需要以大量的實際船橋碰撞數據作為支持，但在船撞橋數據資料方面由于事故處理部門所關心的側重點不同，目前船橋碰撞有效資料地收集仍然尊在很大的困難。

   對于橋梁的損傷，美國AASHT0船撞設計指南僅給出了根據橋墩和橋跨的極限側向抗力Hp和Hs與船舶撞擊力P之比來確定橋梁倒塌概率的方法，其倒塌分布概率見圖5。

圖4船橋碰撞安全評估

圖5倒塌概率分布

   橋梁的損傷狀態評估是一個復雜的問題，取決于船舶的船型、大小、外形、船速、撞擊角度、船舶質量及碰撞特性，還取決于橋墩和上部結構抵抗碰撞沖擊荷載的剛度和強度特性等。因此，筆者提出一種新的橋梁船撞損傷狀態的評估思路，即對于船撞橋的損傷情況，可基于可靠度的思想，針對某種破壞模式，研究船撞力概率分布與抗力概率分布的關系，利用極限狀態方程求得該破壞模式的可靠指標，于是也就求得了該破壞模式下的失效概率。

   結構構件的抗力可用抗力函數R(M，G，C)來表示，其中M、G、C分別表示構件的材料、幾何尺寸、計算模式等設計變量。船舶的撞擊力可用荷載函數P(v，φ，W，h，λ)表示，其中v、φ、W、h、λ分別表示船速、撞擊角度、船舶大小、撞擊位置、承臺形狀等影響船撞力的參數，且假定這些參數之間相互獨立。于是，極限狀態方程可寫為：

R(M，G，C)一P(v，φ，W，h，λ)=0 (4)

   這樣，問題就轉化為確定抗力與荷載函數中的參數分布問題，這不僅涉及船舶碰撞動力學問題，也涉及橋梁基礎的可靠性設計問題，是船撞橋風險分析的重要內容。

   橋梁的風險評估在于考慮其失效概率與后果的乘積。對于失效后果，主要考慮橋梁構件失效和整體失效的后果。對于構件失效，主要的后果費用為交通延遲費用、交通管理費用和維修費用。對于系統失效，主要的后果費用則為重建費用、人員傷亡費用和由于分流導致的交通延遲費用。除此，對于兩種失效，也應考慮船舶的損失費用和環境破壞修復費用。

圖6橋梁安全狀態概率評估

   2．3可接受風險標準

   船撞橋事故跟其他事故一樣，都會導致人員傷亡、經濟損失、環境破壞和其他有害事件，理想狀態是任何事故的后果都被業主、政府部門和公眾所接受。對于橋梁船撞風險的可接受標準，美國的 AASHT0船撞設計指南規定，橋梁的倒塌概率對于一般橋梁取10-3／年，對于重要橋梁取l0-4/年，并建議將全橋的年倒塌可接受頻率根據位于水中的各墩在橋梁重建費用中所占的百分比分配到各墩上。歐洲的 Eurocode l給出了處于不同安全等級的結構的目標可靠度，見表4，一座典型的橋梁最有可能處于 RC2，所以采用年失效概率l0-6/年。l996年，John Men：ies1提出了跨徑小于20 m的橋梁的目標失效概率為2x10-6，與歐洲規范的取值比較接近。可見，歐洲規范對于橋梁失效的可接受標準要比美國AASHTO規范高得多。

   可接受風險準則的確定一直以來都是有爭議的問題，目前確定可接受風險準則的方法主要有： ALARP原則、F-N曲線、風險矩陣、PLL值等方法。按照風險主體的不同，可接受風險通常由以下準則確定：

表4 Eurocode l目標可靠度與失效概率

圖7社會可接受風險

   (1)個人可接受風險。個人風險是指個體在指定水平事故中受到傷害的頻率，通常與個人偏好有很大的關系，一般常用年死亡率量度；

   (2)社會可接受風險。社會風險是指遭受事故的人中，受到傷害的人數與事故發生頻率之間的關系，以年死亡人數量度，一般常用F-N曲線表示社會風險，圖7列出了各個國家的社會可接受風險曲線。

   (3)環境可接受風險。環境風險指各種活動對環境造成的影響程度。

   (4)廣義造價最小原則。該方法是單純從經濟的觀點，采用初始造價與受災后損失之和最小的原則來確定橋梁結構合理的風險評價標準。

   風險可接受準則可由以上一種或幾種準則確定，分別對應單目標或多目標決策。由于橋梁為公共設施，從社會安全的角度來講，必須保證橋梁使用者的安全，也即公眾過橋的安全，且橋梁失效一般都會造成嚴重的人員傷亡和惡劣的政治影響，因此在建立風險的可接受準則時，筆者建議將人的安全作為首要考慮因素。但同時我們也應注意到，可接受風險標準定得越高，即橋梁失效概率越低，那么我們需要付出的，費用也就越多，如何在付出與收益之間取得平衡，也應是制定可接受風險標準時應該考慮的問題。

   在建立可接受風險標準時，可參考國際上各個國家各行業的可接受風險標準以及各種自然災害的風險水平，并綜合考慮社會支付意愿，結合我國的政治、經濟狀況進行確定。DIS 2394和美國的CIRIA都給出了計算可接受風險的估算公式。各種常見風險的 F-N曲線見圖8。目前，船撞橋的可接受風險標準在我國的橋梁設計規范中并沒有體現出來，因此確定一個合適的可接受風險標準，對于橋梁的船撞設計將起到積極的指導作用。

圖8各種常見風險的F—N曲線

   2．4風險處置對策

   對于評估出的不符合可接受風險標準的橋梁(或方案)，將采取進一步的降低風險的對策，主要包括：主動防撞設計、被動防撞設計和更改橋梁設計。主動防撞是指為了避免船舶在航行過程中撞擊到橋梁而采取的一系列人為改善措施，如對橋下通航船舶的引導和警告等。當然，采取了主動防撞也許并不能完全杜絕船撞橋事故的發生，因此對于一些特別重要的橋梁就需要考慮被動防撞，即加設防撞裝置。對于擬建的橋梁，如有必要可對其設計方案進行更改，如橋型的選擇、跨徑的布置、基礎形式的改變等等。

   目前，主動防撞采取的防船撞措施主要包括：

   (1)設置導航標；

   (2)施行船舶航行定線制；

   (3)設置船舶航行警戒區；

   (4)加強船員的培訓工作；

   (5)對特殊船舶實行引航措施；

   (6)船舶安裝AIS導航系統；

   (7)橋區設置船舶交通管理系統VTS等。

   具體采用哪種防撞措施需根據橋梁所處的風險水平、經濟代價以及各種主動防撞措施對于減小事故發生率的作用大小而定。由于目前我國很少開展這方面的數據統計工作，因此，可對船橋碰撞因素進行故障樹分析(FEA)，找出機械故障、人為因素、自然環境等影響因素中各因素的影響程度，在FEA的基礎上。提出初步的主動防撞方案，為管理部門提供決策支持，如圖9所示。

   對于遭受船舶撞擊有較大風險的橋梁，也可考慮采用被動防撞系統，主要包括：

   (1)附著式防撞系統；

   (2)重力擺式防撞系統；

   (3)薄殼筑沙圍堰防撞系統；

   (4)膠囊沙袋防撞系統；

   (5)人工島防撞系統；

   (6)集群式護墩樁；

   (7)漂浮網狀防撞系統；

   (8)非結構物防撞系統等。

圖9主動防撞方案的設計

   從減小船撞橋風險的角度出發，采用什么樣的被動防撞設施以及如何優化布置(特別對于水中有多墩的情況)等都是需要進一步研究的課題。實際中，無論采用主動還是被動防撞，都需要根據橋區的具體情況和經濟代價經專家討論后決定，因此在此風險評估系統中，并未明確規定主被動防撞方案采用的先后順序，也即決策權仍在于人。

   三、結語

   橋梁遭受船舶撞擊的風險是一個涉及范圍較廣、難度較大的研究課題，具有重要的工程背景和現實意義。本文從工程設計的角度出發，提出了一個橋梁船撞安全評估系統的框架，共包括五個部分：船橋碰撞評估數據庫、橋梁船撞安全評估模塊、可接受風險準則以及主動和被動防撞方案設計，并闡明了它們之間的關系。然而仍有許多問題值得進一步的研究，主要有：

   (1)針對目前我國內河和海峽海灣中眾多的船舶形式，如何確定一個用于船橋碰撞風險分析的合理的船舶分類標準；

   (2)針對風險事件，引入了概率設計的思想和方法，在橋梁的安全狀態評估中，采用可靠度研究船撞力荷載與結構抗力的分布函數。影響船撞力荷載和結構抗力函數的各參數的概率分布情況仍需進一步的探討，這不僅涉及船舶碰撞動力學問題，也涉及結構可靠性設計問題；

   (3)確定橋梁船撞風險的可接受標準，也即目標失效概率，不僅是—個技術問題，更與政治、社會和經濟密不可分，需要綜合考慮各個方面的因素而定；

   (4)進一步研究各種防撞措施對減小事故發生率的作用或防撞效果，為不同風險水平的橋梁進行合理防撞方案的選擇與優化設計提供依據。

   參考文獻

   [1] Mastaglio L. Bridge bashing [J]. Civil Engineering, 1997, 67 (4) : 38-40

   [2]戴彤宇．船撞橋及其風險分析[D]．哈爾濱工程大學，2002

   [3] AASHTO. Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges [S]. American Association ofState Highwayand Transportation Officials, WashingtonD.C., 1991

   [4] Vrouwenvelder A C W M. Design for ship impact according to Eurocode 1, Part 2.7 [C]. Ship Collision Analysis, 1998, 123-131

   [5]中華人民共和國行業標準．JTJ D60---2004公路橋涵設計通用規范[S]，2004．

   [6]張圣坤，白勇，唐文勇．船舶與海洋工程風險評估[M]． 北京：國防工業出版社，2003

   [7] Kunz C U. Ship bridge collision in river traffic, analysis and design practice [ C ]. Ship Collision Analysis, 1998, 13-21

   [8] Ship Collision due to the Presence of Bridges [R]. Report ofWorking Group of the Inland Navigation Commission, 2001

   [9] Pedersen P T. Zhang S. The mechanics of ship impacts against bridge [ C ]//Proceeding of Int. Symposium Advances on Ship Collision Analysis. Copenhagen, 1998

   [10]黃平明，張征文．直航路上船舶碰撞橋墩概率分析[c]／／第十四屆全國橋梁學術會議論文集，2000

   [11] Menzies J B.Bridge Failures, Hazards and Societal Risk [C]. International Symposium on the Safety of Bridges London, 1996

   [12] Vrouwenvelder T. Stochastic Modeling of Extreme Action Events in Structural Engineering [J]. Probabilistic Engineering Mechanics, 2000, 15 (1) : 109-117

   [13] CIRIA. Ration alisation of Safety Factors and Serviceability Factors in Structural Codes CIRIA Report 63 [R~. London, 1977

   [14] Curbach M, Nitzsche W M, Proske D. The Safety of Bridgesin Comparison to Other Risks [ R ]

   [15]楊渡軍．橋梁的防撞保護系統及其設計[M]．北京：人民 交通出版社，l990

   [16]項海帆，范立礎，王君杰．船撞橋設計理論的現狀與需進一步研究的問題[J]．同濟大學學報(自然科學版)，2002，30(4)：386-392

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡：呂琳琳 尹維維 編輯   文徑 審核)

上一篇： 佛山平勝特大型公路橋梁全橋模型試驗研究

下一篇： 高應變動力試樁中重錘一樁一巖土沖擊響應的理論研究