美國(guó)航道橋船撞橋事故調(diào)查

美國(guó)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(yán)重破壞了生命、財(cái)產(chǎn)和社會(huì)。表1列出了從1942年～2007年的主要船撞橋事故。國(guó)際上關(guān)于船撞橋問(wèn)題的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代初,由國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC)成立第19工作小組對(duì)船撞橋事故進(jìn)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(jì)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(yán)重碰撞事件的發(fā)生概率,必須采用風(fēng)險(xiǎn)分析方法。1根據(jù)一些需要,對(duì)橋墩保護(hù)系統(tǒng)未作說(shuō)明舊陽(yáng)光大道橋建于1954年,是一座雙車(chē)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(chē)道變?yōu)?車(chē)道,見(jiàn)圖1所示。1980年5月9日早上7:38,一艘長(zhǎng)185m、寬26m,排水量為19734t的空貨船撞斷南側(cè)橋的南2號(hào)(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(chē)一起墜入海中。造成35人死亡,1人受重傷,直接經(jīng)濟(jì)損失3千多萬(wàn)美元。1981年4月10日,美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全局公布了事故調(diào)查報(bào)告,安全局認(rèn)為造成這次事故的原因有暴風(fēng)雨天氣,能見(jiàn)度低,風(fēng)速大和船長(zhǎng)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(chǔ)備不足。為此安全局對(duì)海岸警衛(wèi)隊(duì)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(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、性能和結(jié)構(gòu)物位置的標(biāo)準(zhǔn);第二,聯(lián)合聯(lián)邦管理公路局調(diào)查美國(guó)港口和港灣航道現(xiàn)存橋梁的橋墩,找出橋墩保護(hù)不足的橋梁;第三,發(fā)放一份橋墩保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)查報(bào)告給美國(guó)公路與運(yùn)輸官員協(xié)會(huì)每個(gè)專(zhuān)屬部門(mén)。2荷載和抗力系數(shù)規(guī)范1961年和1965年的美國(guó)公路與運(yùn)輸官員協(xié)會(huì)(AASHTO)指定的標(biāo)準(zhǔn)公路橋梁規(guī)范,規(guī)定在設(shè)計(jì)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(fēng)載,作用在活載(車(chē)輛)上的風(fēng)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(chē)引起的土側(cè)壓力和地震力。這些荷載會(huì)在橋墩引起橫向和縱向的力。但是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒(méi)有考慮由于船撞擊引起的側(cè)向荷載。20世紀(jì)90年代初,最著名的實(shí)用性橋梁防撞設(shè)計(jì)規(guī)范是美國(guó)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(guò)的船撞橋事故教訓(xùn),借鑒了眾多有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)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(jì)指南》用于橋梁設(shè)計(jì)中。指南建議采用基于概率風(fēng)險(xiǎn)分析方法。為了確保橋梁在受到設(shè)計(jì)船舶撞擊后能繼續(xù)發(fā)揮作用,《規(guī)范》建議基于社會(huì)性/救生性和安全性/保護(hù)性標(biāo)準(zhǔn),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(guó)家保護(hù)的重要橋梁,它是國(guó)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(guó)公路與運(yùn)輸官員協(xié)會(huì)(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(tái)的《公路橋梁防撞設(shè)計(jì)指南》,并適當(dāng)改進(jìn)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(chē)、火車(chē)和船舶的撞擊力。3新陽(yáng)光橋的防護(hù)和設(shè)計(jì)3.1結(jié)合主橋防護(hù)，增設(shè)航道封閉1987年建成美國(guó)新陽(yáng)光大道橋,是當(dāng)時(shí)世界最長(zhǎng)的扇形雙塔單索面的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,全橋長(zhǎng)1219.60m,主跨為365.8m。新陽(yáng)光大道橋?yàn)楸苊庠俅伟l(fā)生船舶撞橋的重大事故,對(duì)該橋補(bǔ)設(shè)了防護(hù)設(shè)施,即:用防護(hù)島將主橋孔的橋墩保護(hù)起來(lái),同時(shí)按船舶偏航風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì),在與主橋孔相鄰的多個(gè)橋孔的上下游方向均設(shè)置了兩側(cè)防護(hù)墩予以防護(hù),這個(gè)保護(hù)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(jiàn),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(jìn):(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(gè)主墩較舊橋相距更遠(yuǎn)也更高,船只不易被撞上;(2)新橋的防護(hù)系統(tǒng)包括圍繞2個(gè)主橋墩的防護(hù)支柱和保護(hù)12根橋墩用的36個(gè)直徑為14～18m的碰墊,保護(hù)橋墩防止船撞;(3)防護(hù)系統(tǒng)的另一個(gè)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(shí)提供給引水員。3.2船舶事故撞擊新陽(yáng)光大道橋立面布置見(jiàn)圖2所示。按照美國(guó)AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南,對(duì)新陽(yáng)光大道橋的防撞力進(jìn)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(guò)控制橋梁構(gòu)件的年倒塌頻率,來(lái)反算橋梁應(yīng)設(shè)計(jì)的防撞力。計(jì)算橋梁構(gòu)件的年倒塌頻率,計(jì)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(huì)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(duì)于關(guān)鍵性橋梁,整個(gè)橋的最大倒塌年頻率AF應(yīng)取為0.0001。(2)N,因無(wú)法找到橋址處的數(shù)據(jù),作為試算,取美國(guó)AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南算例中的船舶頻率數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。(3)PA,可用統(tǒng)計(jì)方法或用近似方法確定。查美國(guó)AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南,可以獲得陽(yáng)光大道橋偏航的概率,對(duì)于貨船為1.3×10-4。(4)PG,根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)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(jiàn)圖3所示。計(jì)算PG時(shí),令σ等于設(shè)計(jì)船只的總長(zhǎng),同時(shí)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(jì)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(hào)墩的幾何概率見(jiàn)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(jì)算。當(dāng)0≤HP<0.10≤ΗΡ<0.1時(shí):PC=0.1+9(0.1?HP)(2)ΡC=0.1+9(0.1-ΗΡ)(2)當(dāng)0.1≤HP<10.1≤ΗΡ<1時(shí):PC=(1?HP)/9(3)ΡC=(1-ΗΡ)/9(3)當(dāng)HP≥1ΗΡ≥1時(shí):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(jì)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(yáng)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(shí),各墩的設(shè)計(jì)撞擊速度見(jiàn)圖4所示?；谝陨闲畔⒑陀?jì)算結(jié)果,參照美國(guó)AASHTO船撞設(shè)計(jì)指南,當(dāng)年倒塌頻率AF=0.0001時(shí),計(jì)算得到各橋墩所需防撞力設(shè)計(jì)值,見(jiàn)表4。從表4試算結(jié)果可知,在滿足橋梁年倒塌風(fēng)險(xiǎn)頻率AF=0.0001的條件下,該橋①～⑥號(hào)墩均需具備較大的抗船舶撞擊能力,因而新陽(yáng)光大道橋?qū)@些墩均做防撞保護(hù)是十分必要的,見(jiàn)圖5所示。4船事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)現(xiàn)有橋梁31萬(wàn)座,總長(zhǎng)達(dá)1.25萬(wàn)km,長(zhǎng)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(dān)著船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn),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(yán)重后果,因而必須把現(xiàn)有通航橋梁的防撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提高到重要的議事日程。目前我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范尚無(wú)船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范,建議不妨借鑒國(guó)外相關(guān)規(guī)范(如美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范),結(jié)合我國(guó)的船舶特點(diǎn),對(duì)現(xiàn)有橋梁做船撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可按以下步驟進(jìn)行:(1)調(diào)查橋位處水流條件,橋墩處水深,船舶的數(shù)量、類(lèi)型、航速和大小分布;(2)計(jì)算偏航概率和幾何概率;(3)計(jì)算各墩的撞擊力;(4)復(fù)算各墩的抗力;(5)計(jì)算倒塌概率;(6)根據(jù)倒塌