国际船舶碰撞桥问题研究方法综述

国际船舶碰撞桥问题研究方法综述

随着世界航运业的快速发展，有时会发生危及桥梁的事故，这是桥梁设计的一个重要问题。国际海上桥梁设计有两种研究方法。首先，调查事故数据并找到规律。然后进行模拟测试。事实上，事故数据是对特定过程的真实再现，通常比实验室数据更真实、更可靠。因此，我们必须尽可能多地掌握数据，通过适当的方法进行分析，并发现事故发生的性质。这是研究海洋桥梁的基本内容之一。目前,国内外普遍把船撞桥视为风险事故,核心问题是确定撞击失效概率.美国规范和欧洲规范都基于事故统计,采用整体分析手段建立船撞桥失效概率模型.在1993年出版的《船舶碰撞桥梁分册》中,国际桥协(IABSE)根据Larsen研究成果,采用细节分析手段把航行失误分为四种,总体撞击几率为四种失误的计算结果相加.这几种方法虽能计算船撞桥总体概率,但不能全面细致地揭示各种原因对事故发生的贡献率,无法进行敏感性分析.因而,在分析位于某一确定航道船撞桥梁风险时,显得灵活性不足,不利于作出具有针对性的风险决策.故障树分析(faulttreeanalysis,FTA),是分析系统失效的一种技术,它为寻找可能导致事故发生的原因事件及其逻辑关系,并采取对策以防止事故再发生提供有用信息.在航海安全领域,Rabien,Ueno,Takemoto和Kugumiya等人运用FTA进行了一些研究;在电子行业,Fussel提出自动创建故障树的方法.但由于船撞桥包含许多复杂因素,确定相应事故的发生结构并不是一件容易的事.目前国内外从桥梁角度出发,研究船撞桥的故障树(fauletree,FT)建立技术很少,尚未看到相关资料.基于此,笔者首先根据搜集到的事故资料,建立了相应的数据库,提出创建船撞桥FT的方法,构造了船舶撞击桥墩框图,并给出工程实例.1船桥连接数据库1.1资料的收集和整理戴彤宇收集了1959~2002年上半年期间发生在长江、珠江及黑龙江内河水系共213条船撞桥信息.在此基础上,笔者增加了2000年以来我国的船撞桥纪录,初步建立了时间跨度为1959~2004年的中国船撞桥数据库.数据库事件总数有251个,包括事故总体信息、桥梁信息、船舶信息、航道信息、自然环境信息、原因信息和损失信息七大类.严格地讲,由于可能存在记录不全或搜集遗漏等原因,库中包括的事故数量还不能完全代表已发生的事故.尽管如此,这些资料仍然是非常有用的.1.2下部结构和事故在数据库251起事故中,249起发生在内陆河流,2起发生在海上,共涉及68座桥梁.内陆河流中,发生在长江干线177起,占71.1%;发生在珠江13起.按撞桥的位置区分,撞上部结构22起,占8.8%;撞下部结构187起,占70.1%,其中撞桥墩156起,占62.7%;撞桥墩防护装置21起,占8.4%.按年代统计分析的结果参见表1.从表1可以看出,20世纪80年代前年平均船撞桥事故数仅为1.5,90年代前也仅为2.73,而到1999年时,已达4.5.90年代年平均事故数9.8,比20世纪80年代翻一番还多.而本世纪前5年又比90年代略有上升,达到了10.2.这主要有两方面原因:一是从90年代到现在,我国进行了大规模的桥梁建设;二是航运业迅猛发展.因此,尽管随着科技进步,船舶的装备水平、安全监督管理水平及桥梁的建设与管理水平等有了长足的进展,但船撞桥事故在总的数量上未有减少趋势,甚至还呈增长态势.1.3船事故原因自然和环境回归1993年在美国亚利巴马州附近,一支拖驳船队在事发当天因大雾误驶入莫比尔河的侧航道,致使CSX铁路大桥遭受严重撞击,桥梁结构产生巨大位移.几分钟后,一列旅游客车从桥上驶过,大桥即刻坍塌,列车出轨,47人丧生.发生在前苏联的最惨痛两次船撞桥事故,一次是1983年6月一艘客轮在乌苏里扬诺夫斯伏尔加河上通过一座铁路桥时,船长粗心驾驶使船舶偏离航线.当船从大桥的侧跨驶过时,由于桥竖向净空高度不足,上甲板室与桥的上部结构相撞,包括一个放映室在内的上甲板室全部被切掉,176人丧生.另外一起是一艘客船与伏尔加河上铁路桥相撞,桥上的四节列车车厢落水,死亡人数达240多人,是历史上死亡人数最多的一次船撞桥事故.2001年4月8日在法国的塞纳河上,一艘游船由于一块漂木卡在船的螺旋桨里,导致主机熄火,船与路易斯-菲力普桥的桥墩相撞,造成6名游客受伤.2002年5月16日发生在美国俄克拉荷马州阿肯色河上的船撞桥事故,缘于船长突发疾病.2002年8月在圣彼得堡的涅瓦河上,一艘油轮由于机械故障与大桥桥墩相撞,导致部分油料泄露,对环境造成影响.1998年,我国四川涪江一艘机动渡轮因舵机失灵失控漂流,结果撞桥倾覆,20余人丧生.2001年10月20日,丹东某船务公司一艘轮船在舟山响噍门跨海大桥下通行时,由于船长选择锚地不当而走锚,后又操纵失误,导致该轮撞到大桥5号桥墩,使桥墩损坏并对大桥施工造成较大影响,总损失超过1000万元.HenrikGluver和DanOlsen对造成船撞桥事故的各种原因进行归纳(见图1).我国的152起明确原因的事故中,有107起主要由人员失误造成,占70.4%;有34起主要由恶劣的自然环境造成,占22.4%;另有11起由机械故障造成,占7.2%.国际桥协第19工作组对船撞桥事故原因的研究结果是:上述三大类事故原因所占比例分别为70%,10%和20%.可以看出,人为因素是造成船撞桥的第一位原因,其事故贡献率国内外非常接近.2基于船舶撞桥故障树的设计2.1船事故结构法建立建立船撞桥故障树除了前面提到的困难之外,还存在下列问题:①随着技术进步和周围环境的改变,可能出现导致事故的新原因.②事故资料搜集不完整.但运用FTA也有有利的一面:与发生次数很少的核电站事故不一样,船撞桥事故发生比较频繁,而且,事故记录比较全面、深入,记录形式也很相近.这些特点为建立FT提供了可能.确定FT发生结构,可以依靠不同行业专家联合研究,也可以结合数据库并参考其他行业的建立方法,如船船碰撞故障树结构.本文采用后者.以上想法是FT的技术基础.根据这种想法,建立船撞桥FT包括三个过程:“抽象事故过程”、“确定部分FT”以及“建立整体FT”.如图2所示.基本思路是把整个事故抽象成一系列原因事件过程的结果,事件之间的连接用对应逻辑门表示,把所有事件按适当次序叠加,最终形成船撞桥故障树结构图.2.2技术和要求(1)船救结构中的原因事件与事件的区别和联系搜集事故资料必须包括船舶特征、驾驶人员辨别能力、决策、行动以及桥梁特征和周围环境等.抽象事故过程要注意事件的区别,不仅不能漏掉原因事件发生的先后次序,而且要把次序勾勒出来.船撞桥FT结构中的原因事件应不仅现在存在,而且将来还可能再发生,这为寻找相应预防措施提供有用的建议.(2)下一个原因事件时,ft顶事件下同一层次事件间的逻辑关系用“和”、“或”表达.部分FT由顶事件和下面原因事件根据逻辑关系组成.对部分FT,当结果事件下只有一个原因事件时,选择“和”或“或”并不是件简单的事,但如果把几个部分FT放在一起,结果事件下还有其他原因事件时,困难就容易解决了.(3)整体ft结构部分FT构成了整体FT的某一发生路径.把所有部分FT放在一起,确定它们的上下顺序,调整好顶事件的位置,就构成了整体FT结构.两个事故的部分FT可能完全不同或部分不同.这意味着同样的顶事件,可以有不同的部分FT.受到统计数量限制,可能漏掉一部分FT发生路径.因此,对于已建成的FT,将来应进一步完善,使整个系统尽可能完整.3设备连接结构3.1基于船救桥ft的统一ft结构数据库资料是建立船撞桥FT结构的良好资源.由于引起船撞桥原因很多,而且有时由各种因素耦合在一起,因此要建立一个既考虑所有因素又具有实用价值的统一FT结构是不现实的.鉴于此,本文建立的船撞桥FT遵循以下原则:①不同性质航道对事故原因有很大影响,因此,分别考虑了运河、内河、海峡/海湾三种情况;②关心对象是桥梁,对桥梁安全影响很小的事故,即便对船舶可能造成较大损伤也不予考虑.3.2事故资料描述建立的运河、内河及海峡/海湾船撞桥墩FT结构,如图3~5所示.需要说明的是,由于我国跨海桥梁建设才刚刚起步,因此海峡/海湾船撞桥墩FT结构的建立主要参考国外的事故资料.图3~5中,运河船撞桥墩FT结构具有10层共32个原因事件,内河船撞桥墩FT结构具有4层共13个原因事件,海峡/海湾船撞桥墩FT结构具有4层共3个原因事件.同一顶事件下的同一层次事件间为“和”关系,相应的框图都用实线表示;若为“或”关系,则用虚线表示.菱形框对应的事件表示该顶事件下面由一系列底事件构成.需要指出,调查记录和FT结构都为“船舶偏航”提供了丰富的原因“树干”,但是涉及到“桥梁选址不当”的原因事件很少.从这个意义上讲,已建成的FT只是部分的FT.3.3驳船的产品从各图可以看出,运河的船撞桥故障树比内河和海湾/海峡要复杂得多.这和前面提到的建立原则是相关的.事实上,运河航道相对狭窄,桥梁跨径小,驳船是主要通行船只,航道管理较为混杂,船舶交汇异常是引起撞击桥墩事件的主要原因之一.相比之下,内河桥梁跨径较长,下部结构要坚固得多,对桥梁安全构成威胁的是吨位较大的轮船而不是驳船,但是轮船偏航很少是因交汇异常引起的;而海湾/海峡桥跨径很大,对桥墩构成威胁主要是吨位较大的轮船.一般来说,大吨位轮船人员素质普遍较高,船舶维护管理较好,船舶撞桥很少.由此可见,内河船撞桥故障树建立应重点考虑船舶交汇之外的其他原因.对运河,交汇和非交汇异常的原因事件都要考虑.而对海湾/海峡主要考虑领航员失误.这些区别较好地揭示了现实中不同性质航道桥梁船撞损坏的根本原因.据统计,1960~1996年间,国外共发生19起内河船撞桥梁下部结构事故,其中人为疏忽和技术故障引起的各6起,环境引起的7起.所有事故均与船舶交汇异常无关.这和图4反映的情况一致.研究船撞桥困难之一是不清楚原因事件间的相互联系,而FT结构指出了事件间比较明确的联系.此外,把调查新发现的事件新路径加到已建成的FT上,可以修正对船撞桥发生结构的认识.清晰的FT结构图不仅为计算各事件概率提供了可能性,而且有助于找到防止发生或降低发生概率的措施.4船舶撞击频率分析广西南宁某桥梁主桥为非对称肋拱桥,跨径为300m,桥址航道规划等级为Ⅲ级,现航道日平均交通量为280艘次,吨位为1000t左右.根据图4,对施工阶段主桥进行船撞桥频率计算分析.图4故障树结构揭示了内河船撞桥各种可能原因.由于本例桥梁不在航道转弯处,不会发生船舶转弯失败.根据当地气象和水利部门提供的资料,本航道船舶偏航主要由人为失误和技术故障引起,其中技术故障包括舵机失灵和主机丧失动力两种情况,如图6所示,所采用的概率和参数见表2.假设人为失误导致偏航船只的航行轨迹沿航道中心线呈标准正态分布,技术故障导致的漂流船只的航行轨迹沿各个方向呈均匀分布,根据船舶交通资料,计算得出船舶撞击拱角及支架的频率和相应重现期如表3所示