美國航道橋船撞橋事故調(diào)查

航行橋經(jīng)常受到船舶的碰撞。歷史上，許多發(fā)生的盜橋盜橋事故嚴重破壞了生命、財產(chǎn)和社會。表1列出了從1942年～2007年的主要船撞橋事故。國際上關(guān)于船撞橋問題的系統(tǒng)研究始于20世紀80年代初,由國際航運協(xié)會(PIANC)成立第19工作小組對船撞橋事故進行了大量的研究工作,得出了一些重要的結(jié)論,所有研究工作表明跨越航道的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計幾乎不可能承受所有可能的船舶碰撞工況,為減少船舶撞橋事件,特別是嚴重碰撞事件的發(fā)生概率,必須采用風險分析方法。1根據(jù)一些需要,對橋墩保護系統(tǒng)未作說明舊陽光大道橋建于1954年,是一座雙車道鋼桁懸臂梁橋,主跨為244m,通航凈高45m。1969年又在其南側(cè)平行修建了一座相同結(jié)構(gòu)的鋼桁懸臂梁橋,使2車道變?yōu)?車道,見圖1所示。1980年5月9日早上7:38,一艘長185m、寬26m,排水量為19734t的空貨船撞斷南側(cè)橋的南2號(2S)墩,導(dǎo)致中跨、懸臂段和引橋段395m的橋面結(jié)構(gòu)連同駛在橋面上的8輛汽車一起墜入海中。造成35人死亡,1人受重傷,直接經(jīng)濟損失3千多萬美元。1981年4月10日,美國國家運輸安全局公布了事故調(diào)查報告,安全局認為造成這次事故的原因有暴風雨天氣,能見度低,風速大和船長判斷失誤,導(dǎo)致空貨船偏離航道撞擊橋墩;而橋墩的防撞力又儲備不足。為此安全局對海岸警衛(wèi)隊有以下建議:第一,聯(lián)合聯(lián)邦公路管理局(FHWA)在考慮偏航的船只可能產(chǎn)生水上、水下沖擊力的情況下,制定橋墩保護系統(tǒng)的設(shè)計、性能和結(jié)構(gòu)物位置的標準;第二,聯(lián)合聯(lián)邦管理公路局調(diào)查美國港口和港灣航道現(xiàn)存橋梁的橋墩,找出橋墩保護不足的橋梁;第三,發(fā)放一份橋墩保護系統(tǒng)的調(diào)查報告給美國公路與運輸官員協(xié)會每個專屬部門。2荷載和抗力系數(shù)規(guī)范1961年和1965年的美國公路與運輸官員協(xié)會(AASHTO)指定的標準公路橋梁規(guī)范,規(guī)定在設(shè)計橋梁橋墩考慮的側(cè)向荷載有:作用在上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的風載,作用在活載(車輛)上的風載,曲線結(jié)構(gòu)由于活載引起的離心力,溫度力,水流引起的作用力,漂浮的冰塊,土側(cè)壓力,汽車引起的土側(cè)壓力和地震力。這些荷載會在橋墩引起橫向和縱向的力。但是標準規(guī)范沒有考慮由于船撞擊引起的側(cè)向荷載。20世紀90年代初,最著名的實用性橋梁防撞設(shè)計規(guī)范是美國于1991年出版的AASHTO指導(dǎo)規(guī)范。該規(guī)范吸取了歷史上出現(xiàn)過的船撞橋事故教訓(xùn),借鑒了眾多有關(guān)技術(shù)文獻發(fā)表的研究成果。聯(lián)邦公路管理局(FHWA)推薦把《公路橋梁防撞設(shè)計指南》用于橋梁設(shè)計中。指南建議采用基于概率風險分析方法。為了確保橋梁在受到設(shè)計船舶撞擊后能繼續(xù)發(fā)揮作用,《規(guī)范》建議基于社會性/救生性和安全性/保護性標準,把橋梁分為“關(guān)鍵性”橋和“一般性”橋。關(guān)鍵性橋包括通往必需設(shè)施,如醫(yī)院、警察局和消防站以及通訊中心和國家保護的重要橋梁,它是國家重要公路網(wǎng),包括洲際間的和聯(lián)邦資助重要路線的組成部分。1994年美國公路與運輸官員協(xié)會(AASHTO)頒布了荷載和抗力系數(shù)規(guī)范(LRFD),荷載和抗力系數(shù)規(guī)范包括了1991年出臺的《公路橋梁防撞設(shè)計指南》,并適當改進了有關(guān)內(nèi)容,FHWA規(guī)定,2007年10月后,所有聯(lián)邦政府投資建設(shè)的橋梁,必須遵循LRFD規(guī)范。LRFD規(guī)范考慮的側(cè)向荷載包括了汽車、火車和船舶的撞擊力。3新陽光橋的防護和設(shè)計3.1結(jié)合主橋防護，增設(shè)航道封閉1987年建成美國新陽光大道橋,是當時世界最長的扇形雙塔單索面的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,全橋長1219.60m,主跨為365.8m。新陽光大道橋為避免再次發(fā)生船舶撞橋的重大事故,對該橋補設(shè)了防護設(shè)施,即:用防護島將主橋孔的橋墩保護起來,同時按船舶偏航風險設(shè)計,在與主橋孔相鄰的多個橋孔的上下游方向均設(shè)置了兩側(cè)防護墩予以防護,這個保護系統(tǒng)可以承受87000t油船航行速度為10海里/h的沖擊力,為了安全起見,還將除主跨外的各橋孔的航道封閉。新橋較舊橋還有許多安全方面的改進:(1)將橋下凈空高度提高到59m,橋通航主跨徑加大到現(xiàn)在的366m,這樣新橋兩個主墩較舊橋相距更遠也更高,船只不易被撞上;(2)新橋的防護系統(tǒng)包括圍繞2個主橋墩的防護支柱和保護12根橋墩用的36個直徑為14～18m的碰墊,保護橋墩防止船撞;(3)防護系統(tǒng)的另一個組成部分,是港口配備了由引水員攜帶上船的手提式電子助航儀,以便將船位、速度、航道方向等數(shù)據(jù)隨時提供給引水員。3.2船舶事故撞擊新陽光大道橋立面布置見圖2所示。按照美國AASHTO船撞設(shè)計指南,對新陽光大道橋的防撞力進行了試算。根據(jù)構(gòu)件的年倒塌頻率和橋墩的極限側(cè)向抗力的關(guān)系,就可以通過控制橋梁構(gòu)件的年倒塌頻率,來反算橋梁應(yīng)設(shè)計的防撞力。計算橋梁構(gòu)件的年倒塌頻率,計算式為:AF=N×PA×PG×PC(1)式中:AF為船只撞擊引起的橋梁構(gòu)件倒塌的年度頻率;N為水路中會碰撞橋墩的船舶年總數(shù);PA為船只偏航的概率;PG為撞擊的幾何概率,反映船只偏航失去控制后,與橋墩相撞的條件概率;PC為由于一條偏航的船只撞擊一次,橋梁倒塌的概率。(1)AF,對于關(guān)鍵性橋梁,整個橋的最大倒塌年頻率AF應(yīng)取為0.0001。(2)N,因無法找到橋址處的數(shù)據(jù),作為試算,取美國AASHTO船撞設(shè)計指南算例中的船舶頻率數(shù)據(jù),見表2。(3)PA,可用統(tǒng)計方法或用近似方法確定。查美國AASHTO船撞設(shè)計指南,可以獲得陽光大道橋偏航的概率,對于貨船為1.3×10-4。(4)PG,根據(jù)文獻對以往船撞橋數(shù)據(jù)的分析,采用正態(tài)分布模擬偏航船只在橋墩附近的航道,見圖3所示。計算PG時,令σ等于設(shè)計船只的總長,同時分析距船只航線中心線小于3σ內(nèi)的橋梁構(gòu)件,陰影部分的面積就是計算的PG,它以橋墩的寬度加橋墩每側(cè)船只的寬度為界。1號墩的幾何概率見表3。(5)PC,根據(jù)橋墩和橋跨的極限側(cè)向抗力HP和HS與船只撞擊力PS之比,按以下公式計算。當0≤HP<0.10≤ΗΡ<0.1時:PC=0.1+9(0.1?HP)(2)ΡC=0.1+9(0.1-ΗΡ)(2)當0.1≤HP<10.1≤ΗΡ<1時:PC=(1?HP)/9(3)ΡC=(1-ΗΡ)/9(3)當HP≥1ΗΡ≥1時:PC=0.0(4)式中:H為橋梁構(gòu)件的極限側(cè)向抗力,Hp或者HS,N;Hp為橋墩的極限側(cè)向抗力,N;HS為橋跨的極限側(cè)向抗力,N;PS為船只的撞擊力,N。船只的撞擊力PS計算式為:PS=1.2×105V(DWT)12(5)ΡS=1.2×105V(DWΤ)12(5)式中:V為船只沖擊速度,m/s,據(jù)新陽光大道橋資料,VT航道內(nèi)典型船只的航速為5.2m/s(10海里/h);DWT為船只噸位,t。航道寬244m時,各墩的設(shè)計撞擊速度見圖4所示。基于以上信息和計算結(jié)果,參照美國AASHTO船撞設(shè)計指南,當年倒塌頻率AF=0.0001時,計算得到各橋墩所需防撞力設(shè)計值,見表4。從表4試算結(jié)果可知,在滿足橋梁年倒塌風險頻率AF=0.0001的條件下,該橋①～⑥號墩均需具備較大的抗船舶撞擊能力,因而新陽光大道橋?qū)@些墩均做防撞保護是十分必要的,見圖5所示。4船事故風險評估隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)速度之快舉世矚目,我國現(xiàn)有橋梁31萬座,總長達1.25萬km,長江上已建橋梁62座,10座左右在建,黃河上已建橋梁70座。其他水系及跨海橋梁的建設(shè)亦方興未艾。大量的跨航道橋梁,不可避免地承擔著船舶撞擊的風險,特別是2007年6月15日,廣東九江大橋非通航孔墩被撞斷,造成200m橋面倒塌,9人死亡的嚴重后果,因而必須把現(xiàn)有通航橋梁的防撞風險評估提高到重要的議事日程。目前我國公路橋梁設(shè)計規(guī)范尚無船撞橋梁風險設(shè)計的相關(guān)規(guī)范,建議不妨借鑒國外相關(guān)規(guī)范(如美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范),結(jié)合我國的船舶特點,對現(xiàn)有橋梁做船撞風險評估。船撞橋梁風險評估可按以下步驟進行:(1)調(diào)查橋位處水流條件,橋墩處水深,船舶的數(shù)量、類型、航速和大小分布;(2)計算偏航概率和幾何概率;(3)計算各墩的撞擊力;(4)復(fù)算各墩的抗力;(5)計算倒塌概率;(6)根據(jù)倒塌