美国航道桥船撞桥事故调查

美国航道桥船撞桥事故调查

航行桥经常受到船舶的碰撞。历史上，许多发生的盗桥盗桥事故严重破坏了生命、财产和社会。表1列出了从1942年～2007年的主要船撞桥事故。国际上关于船撞桥问题的系统研究始于20世纪80年代初,由国际航运协会(PIANC)成立第19工作小组对船撞桥事故进行了大量的研究工作,得出了一些重要的结论,所有研究工作表明跨越航道的桥梁结构设计几乎不可能承受所有可能的船舶碰撞工况,为减少船舶撞桥事件,特别是严重碰撞事件的发生概率,必须采用风险分析方法。1根据一些需要,对桥墩保护系统未作说明旧阳光大道桥建于1954年,是一座双车道钢桁悬臂梁桥,主跨为244m,通航净高45m。1969年又在其南侧平行修建了一座相同结构的钢桁悬臂梁桥,使2车道变为4车道,见图1所示。1980年5月9日早上7:38,一艘长185m、宽26m,排水量为19734t的空货船撞断南侧桥的南2号(2S)墩,导致中跨、悬臂段和引桥段395m的桥面结构连同驶在桥面上的8辆汽车一起坠入海中。造成35人死亡,1人受重伤,直接经济损失3千多万美元。1981年4月10日,美国国家运输安全局公布了事故调查报告,安全局认为造成这次事故的原因有暴风雨天气,能见度低,风速大和船长判断失误,导致空货船偏离航道撞击桥墩;而桥墩的防撞力又储备不足。为此安全局对海岸警卫队有以下建议:第一,联合联邦公路管理局(FHWA)在考虑偏航的船只可能产生水上、水下冲击力的情况下,制定桥墩保护系统的设计、性能和结构物位置的标准;第二,联合联邦管理公路局调查美国港口和港湾航道现存桥梁的桥墩,找出桥墩保护不足的桥梁;第三,发放一份桥墩保护系统的调查报告给美国公路与运输官员协会每个专属部门。2荷载和抗力系数规范1961年和1965年的美国公路与运输官员协会(AASHTO)指定的标准公路桥梁规范,规定在设计桥梁桥墩考虑的侧向荷载有:作用在上部结构和下部结构的风载,作用在活载(车辆)上的风载,曲线结构由于活载引起的离心力,温度力,水流引起的作用力,漂浮的冰块,土侧压力,汽车引起的土侧压力和地震力。这些荷载会在桥墩引起横向和纵向的力。但是标准规范没有考虑由于船撞击引起的侧向荷载。20世纪90年代初,最著名的实用性桥梁防撞设计规范是美国于1991年出版的AASHTO指导规范。该规范吸取了历史上出现过的船撞桥事故教训,借鉴了众多有关技术文献发表的研究成果。联邦公路管理局(FHWA)推荐把《公路桥梁防撞设计指南》用于桥梁设计中。指南建议采用基于概率风险分析方法。为了确保桥梁在受到设计船舶撞击后能继续发挥作用,《规范》建议基于社会性/救生性和安全性/保护性标准,把桥梁分为“关键性”桥和“一般性”桥。关键性桥包括通往必需设施,如医院、警察局和消防站以及通讯中心和国家保护的重要桥梁,它是国家重要公路网,包括洲际间的和联邦资助重要路线的组成部分。1994年美国公路与运输官员协会(AASHTO)颁布了荷载和抗力系数规范(LRFD),荷载和抗力系数规范包括了1991年出台的《公路桥梁防撞设计指南》,并适当改进了有关内容,FHWA规定,2007年10月后,所有联邦政府投资建设的桥梁,必须遵循LRFD规范。LRFD规范考虑的侧向荷载包括了汽车、火车和船舶的撞击力。3新阳光桥的防护和设计3.1结合主桥防护，增设航道封闭1987年建成美国新阳光大道桥,是当时世界最长的扇形双塔单索面的预应力混凝土斜拉桥,全桥长1219.60m,主跨为365.8m。新阳光大道桥为避免再次发生船舶撞桥的重大事故,对该桥补设了防护设施,即:用防护岛将主桥孔的桥墩保护起来,同时按船舶偏航风险设计,在与主桥孔相邻的多个桥孔的上下游方向均设置了两侧防护墩予以防护,这个保护系统可以承受87000t油船航行速度为10海里/h的冲击力,为了安全起见,还将除主跨外的各桥孔的航道封闭。新桥较旧桥还有许多安全方面的改进:(1)将桥下净空高度提高到59m,桥通航主跨径加大到现在的366m,这样新桥两个主墩较旧桥相距更远也更高,船只不易被撞上;(2)新桥的防护系统包括围绕2个主桥墩的防护支柱和保护12根桥墩用的36个直径为14～18m的碰垫,保护桥墩防止船撞;(3)防护系统的另一个组成部分,是港口配备了由引水员携带上船的手提式电子助航仪,以便将船位、速度、航道方向等数据随时提供给引水员。3.2船舶事故撞击新阳光大道桥立面布置见图2所示。按照美国AASHTO船撞设计指南,对新阳光大道桥的防撞力进行了试算。根据构件的年倒塌频率和桥墩的极限侧向抗力的关系,就可以通过控制桥梁构件的年倒塌频率,来反算桥梁应设计的防撞力。计算桥梁构件的年倒塌频率,计算式为:AF=N×PA×PG×PC(1)式中:AF为船只撞击引起的桥梁构件倒塌的年度频率;N为水路中会碰撞桥墩的船舶年总数;PA为船只偏航的概率;PG为撞击的几何概率,反映船只偏航失去控制后,与桥墩相撞的条件概率;PC为由于一条偏航的船只撞击一次,桥梁倒塌的概率。(1)AF,对于关键性桥梁,整个桥的最大倒塌年频率AF应取为0.0001。(2)N,因无法找到桥址处的数据,作为试算,取美国AASHTO船撞设计指南算例中的船舶频率数据,见表2。(3)PA,可用统计方法或用近似方法确定。查美国AASHTO船撞设计指南,可以获得阳光大道桥偏航的概率,对于货船为1.3×10-4。(4)PG,根据文献对以往船撞桥数据的分析,采用正态分布模拟偏航船只在桥墩附近的航道,见图3所示。计算PG时,令σ等于设计船只的总长,同时分析距船只航线中心线小于3σ内的桥梁构件,阴影部分的面积就是计算的PG,它以桥墩的宽度加桥墩每侧船只的宽度为界。1号墩的几何概率见表3。(5)PC,根据桥墩和桥跨的极限侧向抗力HP和HS与船只撞击力PS之比,按以下公式计算。当0≤HP<0.10≤ΗΡ<0.1时:PC=0.1+9(0.1−HP)(2)ΡC=0.1+9(0.1-ΗΡ)(2)当0.1≤HP<10.1≤ΗΡ<1时:PC=(1−HP)/9(3)ΡC=(1-ΗΡ)/9(3)当HP≥1ΗΡ≥1时:PC=0.0(4)式中:H为桥梁构件的极限侧向抗力,Hp或者HS,N;Hp为桥墩的极限侧向抗力,N;HS为桥跨的极限侧向抗力,N;PS为船只的撞击力,N。船只的撞击力PS计算式为:PS=1.2×105V(DWT)12(5)ΡS=1.2×105V(DWΤ)12(5)式中:V为船只冲击速度,m/s,据新阳光大道桥资料,VT航道内典型船只的航速为5.2m/s(10海里/h);DWT为船只吨位,t。航道宽244m时,各墩的设计撞击速度见图4所示。基于以上信息和计算结果,参照美国AASHTO船撞设计指南,当年倒塌频率AF=0.0001时,计算得到各桥墩所需防撞力设计值,见表4。从表4试算结果可知,在满足桥梁年倒塌风险频率AF=0.0001的条件下,该桥①～⑥号墩均需具备较大的抗船舶撞击能力,因而新阳光大道桥对这些墩均做防撞保护是十分必要的,见图5所示。4船事故风险评估随着我国经济的高速发展,交通基础设施的建设速度之快举世瞩目,我国现有桥梁31万座,总长达1.25万km,长江上已建桥梁62座,10座左右在建,黄河上已建桥梁70座。其他水系及跨海桥梁的建设亦方兴未艾。大量的跨航道桥梁,不可避免地承担着船舶撞击的风险,特别是2007年6月15日,广东九江大桥非通航孔墩被撞断,造成200m桥面倒塌,9人死亡的严重后果,因而必须把现有通航桥梁的防撞风险评估提高到重要的议事日程。目前我国公路桥梁设计规范尚无船撞桥梁风险设计的相关规范,建议不妨借鉴国外相关规范(如美国公路桥梁设计规范),结合我国的船舶特点,对现有桥梁做船撞风险评估。船撞桥梁风险评估可按以下步骤进行:(1)调查桥位处水流条件,桥墩处水深,船舶的数量、类型、航速和大小分布;(2)计算偏航概率和几何概率;(3)计算各墩的撞击力;(4)复算各墩的抗力;(5)计算倒塌概率;(6)根据倒塌