基于风险接受准则的桥墩抗撞承载力需求分析

来源:用户上传      作者:罗佳润

　　摘要：本文以一座铁路桥为研究对象，结合 AASHTO 规范的规定，对该桥进行了详细的风险评估，并结合船撞桥的风险接受准则计算得到桥墩抗撞承载力的需求，为桥梁设计提供依据，同时还提出了桥墩防撞风险决策的建议。
　　关键词： AASHTO;桥墩;风险评估;抗撞;承载力;风险决策
　　中图分类号：U443.22 文献标识码：A 文章编号：1006―7973（2022）03-0096-03
　　跨通航河道的桥梁中，通常会有桥墩落于水中，而通航水域往往又有船舶航行，这样就存在船撞桥墩的风险。合理评估桥墩被船撞的风险，对桥墩的科学设防具有重大意义。从目前国际上的应用情况来看，美国 AASHTO 的《公路桥梁船撞设计指南》（2009版）所提供的桥梁船撞风险评估方法最为实用[1]，该指南中提供了一个计算桥梁年倒塌频率的模型，根据这个模型，可以结合船舶年通航量、偏航概率、几何概率、倒塌概率等因素计算得到桥梁的年倒塌频率。
　　目前国内也有不少学者结合AASHTO提供的模型，对特定桥梁船撞风险评估[2-4]，为桥梁抗撞、防撞提供了一定的依据。
　　本文以新建渝黔铁路麻柳坪郁江大桥为例，结合 AASHTO 的数学模型，以P键性桥梁的年撞损概率为目标，来反推桥墩抗撞承载力，为桥墩的设计提供必要的依据。
　　1 AASHTO 风险分析模型简介[6]
　　2009年的 AASHTO 船撞设计指南中，对风险分析提出了三种不同的方法，其中以方法II 的应用最为广泛。方法 II 是一种基于概率的分析程序，方法 II 需要大量的船舶、桥梁和航道特征的输入数据。方法 II 提出了计算由于船撞导致的桥梁年倒塌频率的模型，其计算表达式为：
　　AF=（N）（PA）（PG）（PC）（PF）
　　式中： AF 为由于船撞导致的桥梁年倒塌频率，应针对每个桥梁构件和船舶分类进行计算，所有桥梁构件的 AF 的总和等于整个桥梁结构的年倒塌频率; N 为按类型、尺寸和装载条件分类的可能撞击桥梁构件的船舶年通航数量; PA 为船舶偏航概率; PG 为异常船舶与桥墩或桥跨碰撞的几何概率; PC 为由于异常船舶撞击导致桥梁倒塌的概率; PF 由于上游或下游陆块或其他阻挡船只的结构造成的船只碰撞，考虑到潜在保护桥墩免受船舶碰撞的调整系数。其它更详细参数含义参考文献[6]。
　　2项目概况
　　拟建太子坪乌江特大桥所在河段为乌江重庆段，系乌江下游段。大桥桥址区位于乌江土沱～中咀段内，属低水通航控制河段。
　　从现状河道情况来看，桥址位于三峡回水乌江段末端，桥址河段势弯曲。桥区河段上为峡谷-庙垭口，水面狭窄，枯水期江面宽仅90～100m，最大水深可达25m 左右，水流流速1.0m/s 左右;洪水期江面展宽110～170m，水陡流急，最大流速增至3.5m/s 及以上。桥址枯水面最窄处仅约200m，洪水期流漫滩后，面宽达约400m。白马枢纽建成蓄水后，太子坪乌江特大桥位于其常年回区，桥址附近河道水位将抬升，水深富余，流速变缓，桥区河段航道条件总体较好。
　　拟建太子坪特大桥中心里程： DK160+635.05，桥长2313.85m。其中，跨越乌江段主孔布置为（131+300+131） m 双塔斜拉桥。大桥28#、29#墩间桥孔为通航孔，跨度300m，通航孔梁底高程为231.17m。大桥28#～29#主墩均为圆端矩形墩，桥墩尺寸均为24×12m（横桥向×顺桥向，下同），桥墩下设圆端矩形承台，承台尺寸均为40.8×26×6.0m，承台顶高均基本位于河床面以下。
　　拟建太子坪乌江特大桥位于乌江白马～中咀段，现状航道等级为Ⅳ级，航道维护尺度为1.9×30×330m。太子坪乌江特大桥所在的乌江航道规划为Ⅲ级，对应航道尺度为2.7×45×480m，通航保证率98%，通行1000t 船舶。
　　3船撞风险评估
　　3.1通航水位的选取
　　根据文献[5]，桥区下游的白马枢纽建成后，对桥区的水位将产生影响。
　　据此，本文进行船撞风险评估时，综合考虑以白马枢纽建成后对应的四个水位作为通航水位进行评估。
　　3.2水流速度及航行速度
　　根据文献[5]整理得到表2插值得出180.08下的水流流速并求得速度分量。
　　3.3通航密度
　　在2005年以前，彭水及银盘两级枢纽尚未开工，乌江航运正处在黄金阶段，太子坪乌江特大桥、黄草乌江大桥和清水坪乌江大桥所在的乌江河段船舶流量为16～20艘/日。2005-2010年银盘枢纽实行明渠通航，5000m3/s 以上流量停航，加上彭水枢纽断航，船舶流量减少为6～10艘/日。2010年底乌江银盘枢纽工程截流断航，船舶实行翻坝运输或货物改走路上运输，受其影响，本江段船舶总流量大幅下降。根据当地港航管理部门统计资料显示，2011年至2014年，全年通过本江段的船舶仅900艘次，且多为小型短途运输船。银盘枢纽蓄水运行后，船闸具备通航条件，但受乌江航运萎缩的影响，现阶段工程所在乌江河段过坝船舶很少，仅有些私营的货船及渔船，船舶流量不大，日均流量约1～4艘次，且主要为货船。
　　乌江渡至涪陵段航道全长594km，是乌江干流的主要航道。乌涪段的6座水电站枢纽中（含待建的白马枢纽），思林、银盘、白马等3座枢纽的库区死水位与其上游枢纽最低通航水位相衔接，这3座枢纽建成后，其库区航道将成为常年库区航道[7]。由于太子坪乌江特大桥所在的乌江航道规划为Ⅲ级，故船舶的通航量参照下游同属Ⅲ级航道的涪陵大桥处通航量，主要船型及参数见表4。
　　船舶航行速度根据文献[5]，船舶航行速度上行3.89m/s，下行6.94m/s。分析中按上下行船舶数量相等进行。
　　3.4桥年倒塌可接受风险

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