國際船舶碰撞橋問題研究方法綜述

國際船舶碰撞橋問題研究方法綜述

隨著世界航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，有時(shí)會(huì)發(fā)生危及橋梁的事故，這是橋梁設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。國際海上橋梁設(shè)計(jì)有兩種研究方法。首先，調(diào)查事故數(shù)據(jù)并找到規(guī)律。然后進(jìn)行模擬測試。事實(shí)上，事故數(shù)據(jù)是對特定過程的真實(shí)再現(xiàn)，通常比實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)更真實(shí)、更可靠。因此，我們必須盡可能多地掌握數(shù)據(jù)，通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行分析，并發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生的性質(zhì)。這是研究海洋橋梁的基本內(nèi)容之一。目前,國內(nèi)外普遍把船撞橋視為風(fēng)險(xiǎn)事故,核心問題是確定撞擊失效概率.美國規(guī)范和歐洲規(guī)范都基于事故統(tǒng)計(jì),采用整體分析手段建立船撞橋失效概率模型.在1993年出版的《船舶碰撞橋梁分冊》中,國際橋協(xié)(IABSE)根據(jù)Larsen研究成果,采用細(xì)節(jié)分析手段把航行失誤分為四種,總體撞擊幾率為四種失誤的計(jì)算結(jié)果相加.這幾種方法雖能計(jì)算船撞橋總體概率,但不能全面細(xì)致地揭示各種原因?qū)κ鹿拾l(fā)生的貢獻(xiàn)率,無法進(jìn)行敏感性分析.因而,在分析位于某一確定航道船撞橋梁風(fēng)險(xiǎn)時(shí),顯得靈活性不足,不利于作出具有針對性的風(fēng)險(xiǎn)決策.故障樹分析(faulttreeanalysis,FTA),是分析系統(tǒng)失效的一種技術(shù),它為尋找可能導(dǎo)致事故發(fā)生的原因事件及其邏輯關(guān)系,并采取對策以防止事故再發(fā)生提供有用信息.在航海安全領(lǐng)域,Rabien,Ueno,Takemoto和Kugumiya等人運(yùn)用FTA進(jìn)行了一些研究;在電子行業(yè),Fussel提出自動(dòng)創(chuàng)建故障樹的方法.但由于船撞橋包含許多復(fù)雜因素,確定相應(yīng)事故的發(fā)生結(jié)構(gòu)并不是一件容易的事.目前國內(nèi)外從橋梁角度出發(fā),研究船撞橋的故障樹(fauletree,FT)建立技術(shù)很少,尚未看到相關(guān)資料.基于此,筆者首先根據(jù)搜集到的事故資料,建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,提出創(chuàng)建船撞橋FT的方法,構(gòu)造了船舶撞擊橋墩框圖,并給出工程實(shí)例.1船橋連接數(shù)據(jù)庫1.1資料的收集和整理戴彤宇收集了1959~2002年上半年期間發(fā)生在長江、珠江及黑龍江內(nèi)河水系共213條船撞橋信息.在此基礎(chǔ)上,筆者增加了2000年以來我國的船撞橋紀(jì)錄,初步建立了時(shí)間跨度為1959~2004年的中國船撞橋數(shù)據(jù)庫.數(shù)據(jù)庫事件總數(shù)有251個(gè),包括事故總體信息、橋梁信息、船舶信息、航道信息、自然環(huán)境信息、原因信息和損失信息七大類.嚴(yán)格地講,由于可能存在記錄不全或搜集遺漏等原因,庫中包括的事故數(shù)量還不能完全代表已發(fā)生的事故.盡管如此,這些資料仍然是非常有用的.1.2下部結(jié)構(gòu)和事故在數(shù)據(jù)庫251起事故中,249起發(fā)生在內(nèi)陸河流,2起發(fā)生在海上,共涉及68座橋梁.內(nèi)陸河流中,發(fā)生在長江干線177起,占71.1%;發(fā)生在珠江13起.按撞橋的位置區(qū)分,撞上部結(jié)構(gòu)22起,占8.8%;撞下部結(jié)構(gòu)187起,占70.1%,其中撞橋墩156起,占62.7%;撞橋墩防護(hù)裝置21起,占8.4%.按年代統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果參見表1.從表1可以看出,20世紀(jì)80年代前年平均船撞橋事故數(shù)僅為1.5,90年代前也僅為2.73,而到1999年時(shí),已達(dá)4.5.90年代年平均事故數(shù)9.8,比20世紀(jì)80年代翻一番還多.而本世紀(jì)前5年又比90年代略有上升,達(dá)到了10.2.這主要有兩方面原因:一是從90年代到現(xiàn)在,我國進(jìn)行了大規(guī)模的橋梁建設(shè);二是航運(yùn)業(yè)迅猛發(fā)展.因此,盡管隨著科技進(jìn)步,船舶的裝備水平、安全監(jiān)督管理水平及橋梁的建設(shè)與管理水平等有了長足的進(jìn)展,但船撞橋事故在總的數(shù)量上未有減少趨勢,甚至還呈增長態(tài)勢.1.3船事故原因自然和環(huán)境回歸1993年在美國亞利巴馬州附近,一支拖駁船隊(duì)在事發(fā)當(dāng)天因大霧誤駛?cè)肽葼柡拥膫?cè)航道,致使CSX鐵路大橋遭受嚴(yán)重撞擊,橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大位移.幾分鐘后,一列旅游客車從橋上駛過,大橋即刻坍塌,列車出軌,47人喪生.發(fā)生在前蘇聯(lián)的最慘痛兩次船撞橋事故,一次是1983年6月一艘客輪在烏蘇里揚(yáng)諾夫斯伏爾加河上通過一座鐵路橋時(shí),船長粗心駕駛使船舶偏離航線.當(dāng)船從大橋的側(cè)跨駛過時(shí),由于橋豎向凈空高度不足,上甲板室與橋的上部結(jié)構(gòu)相撞,包括一個(gè)放映室在內(nèi)的上甲板室全部被切掉,176人喪生.另外一起是一艘客船與伏爾加河上鐵路橋相撞,橋上的四節(jié)列車車廂落水,死亡人數(shù)達(dá)240多人,是歷史上死亡人數(shù)最多的一次船撞橋事故.2001年4月8日在法國的塞納河上,一艘游船由于一塊漂木卡在船的螺旋槳里,導(dǎo)致主機(jī)熄火,船與路易斯-菲力普橋的橋墩相撞,造成6名游客受傷.2002年5月16日發(fā)生在美國俄克拉荷馬州阿肯色河上的船撞橋事故,緣于船長突發(fā)疾病.2002年8月在圣彼得堡的涅瓦河上,一艘油輪由于機(jī)械故障與大橋橋墩相撞,導(dǎo)致部分油料泄露,對環(huán)境造成影響.1998年,我國四川涪江一艘機(jī)動(dòng)渡輪因舵機(jī)失靈失控漂流,結(jié)果撞橋傾覆,20余人喪生.2001年10月20日,丹東某船務(wù)公司一艘輪船在舟山響噍門跨海大橋下通行時(shí),由于船長選擇錨地不當(dāng)而走錨,后又操縱失誤,導(dǎo)致該輪撞到大橋5號(hào)橋墩,使橋墩損壞并對大橋施工造成較大影響,總損失超過1000萬元.HenrikGluver和DanOlsen對造成船撞橋事故的各種原因進(jìn)行歸納(見圖1).我國的152起明確原因的事故中,有107起主要由人員失誤造成,占70.4%;有34起主要由惡劣的自然環(huán)境造成,占22.4%;另有11起由機(jī)械故障造成,占7.2%.國際橋協(xié)第19工作組對船撞橋事故原因的研究結(jié)果是:上述三大類事故原因所占比例分別為70%,10%和20%.可以看出,人為因素是造成船撞橋的第一位原因,其事故貢獻(xiàn)率國內(nèi)外非常接近.2基于船舶撞橋故障樹的設(shè)計(jì)2.1船事故結(jié)構(gòu)法建立建立船撞橋故障樹除了前面提到的困難之外,還存在下列問題:①隨著技術(shù)進(jìn)步和周圍環(huán)境的改變,可能出現(xiàn)導(dǎo)致事故的新原因.②事故資料搜集不完整.但運(yùn)用FTA也有有利的一面:與發(fā)生次數(shù)很少的核電站事故不一樣,船撞橋事故發(fā)生比較頻繁,而且,事故記錄比較全面、深入,記錄形式也很相近.這些特點(diǎn)為建立FT提供了可能.確定FT發(fā)生結(jié)構(gòu),可以依靠不同行業(yè)專家聯(lián)合研究,也可以結(jié)合數(shù)據(jù)庫并參考其他行業(yè)的建立方法,如船船碰撞故障樹結(jié)構(gòu).本文采用后者.以上想法是FT的技術(shù)基礎(chǔ).根據(jù)這種想法,建立船撞橋FT包括三個(gè)過程:“抽象事故過程”、“確定部分FT”以及“建立整體FT”.如圖2所示.基本思路是把整個(gè)事故抽象成一系列原因事件過程的結(jié)果,事件之間的連接用對應(yīng)邏輯門表示,把所有事件按適當(dāng)次序疊加,最終形成船撞橋故障樹結(jié)構(gòu)圖.2.2技術(shù)和要求(1)船救結(jié)構(gòu)中的原因事件與事件的區(qū)別和聯(lián)系搜集事故資料必須包括船舶特征、駕駛?cè)藛T辨別能力、決策、行動(dòng)以及橋梁特征和周圍環(huán)境等.抽象事故過程要注意事件的區(qū)別,不僅不能漏掉原因事件發(fā)生的先后次序,而且要把次序勾勒出來.船撞橋FT結(jié)構(gòu)中的原因事件應(yīng)不僅現(xiàn)在存在,而且將來還可能再發(fā)生,這為尋找相應(yīng)預(yù)防措施提供有用的建議.(2)下一個(gè)原因事件時(shí),ft頂事件下同一層次事件間的邏輯關(guān)系用“和”、“或”表達(dá).部分FT由頂事件和下面原因事件根據(jù)邏輯關(guān)系組成.對部分FT,當(dāng)結(jié)果事件下只有一個(gè)原因事件時(shí),選擇“和”或“或”并不是件簡單的事,但如果把幾個(gè)部分FT放在一起,結(jié)果事件下還有其他原因事件時(shí),困難就容易解決了.(3)整體ft結(jié)構(gòu)部分FT構(gòu)成了整體FT的某一發(fā)生路徑.把所有部分FT放在一起,確定它們的上下順序,調(diào)整好頂事件的位置,就構(gòu)成了整體FT結(jié)構(gòu).兩個(gè)事故的部分FT可能完全不同或部分不同.這意味著同樣的頂事件,可以有不同的部分FT.受到統(tǒng)計(jì)數(shù)量限制,可能漏掉一部分FT發(fā)生路徑.因此,對于已建成的FT,將來應(yīng)進(jìn)一步完善,使整個(gè)系統(tǒng)盡可能完整.3設(shè)備連接結(jié)構(gòu)3.1基于船救橋ft的統(tǒng)一ft結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫資料是建立船撞橋FT結(jié)構(gòu)的良好資源.由于引起船撞橋原因很多,而且有時(shí)由各種因素耦合在一起,因此要建立一個(gè)既考慮所有因素又具有實(shí)用價(jià)值的統(tǒng)一FT結(jié)構(gòu)是不現(xiàn)實(shí)的.鑒于此,本文建立的船撞橋FT遵循以下原則:①不同性質(zhì)航道對事故原因有很大影響,因此,分別考慮了運(yùn)河、內(nèi)河、海峽/海灣三種情況;②關(guān)心對象是橋梁,對橋梁安全影響很小的事故,即便對船舶可能造成較大損傷也不予考慮.3.2事故資料描述建立的運(yùn)河、內(nèi)河及海峽/海灣船撞橋墩FT結(jié)構(gòu),如圖3~5所示.需要說明的是,由于我國跨海橋梁建設(shè)才剛剛起步,因此海峽/海灣船撞橋墩FT結(jié)構(gòu)的建立主要參考國外的事故資料.圖3~5中,運(yùn)河船撞橋墩FT結(jié)構(gòu)具有10層共32個(gè)原因事件,內(nèi)河船撞橋墩FT結(jié)構(gòu)具有4層共13個(gè)原因事件,海峽/海灣船撞橋墩FT結(jié)構(gòu)具有4層共3個(gè)原因事件.同一頂事件下的同一層次事件間為“和”關(guān)系,相應(yīng)的框圖都用實(shí)線表示;若為“或”關(guān)系,則用虛線表示.菱形框?qū)?yīng)的事件表示該頂事件下面由一系列底事件構(gòu)成.需要指出,調(diào)查記錄和FT結(jié)構(gòu)都為“船舶偏航”提供了豐富的原因“樹干”,但是涉及到“橋梁選址不當(dāng)”的原因事件很少.從這個(gè)意義上講,已建成的FT只是部分的FT.3.3駁船的產(chǎn)品從各圖可以看出,運(yùn)河的船撞橋故障樹比內(nèi)河和海灣/海峽要復(fù)雜得多.這和前面提到的建立原則是相關(guān)的.事實(shí)上,運(yùn)河航道相對狹窄,橋梁跨徑小,駁船是主要通行船只,航道管理較為混雜,船舶交匯異常是引起撞擊橋墩事件的主要原因之一.相比之下,內(nèi)河橋梁跨徑較長,下部結(jié)構(gòu)要堅(jiān)固得多,對橋梁安全構(gòu)成威脅的是噸位較大的輪船而不是駁船,但是輪船偏航很少是因交匯異常引起的;而海灣/海峽橋跨徑很大,對橋墩構(gòu)成威脅主要是噸位較大的輪船.一般來說,大噸位輪船人員素質(zhì)普遍較高,船舶維護(hù)管理較好,船舶撞橋很少.由此可見,內(nèi)河船撞橋故障樹建立應(yīng)重點(diǎn)考慮船舶交匯之外的其他原因.對運(yùn)河,交匯和非交匯異常的原因事件都要考慮.而對海灣/海峽主要考慮領(lǐng)航員失誤.這些區(qū)別較好地揭示了現(xiàn)實(shí)中不同性質(zhì)航道橋梁船撞損壞的根本原因.據(jù)統(tǒng)計(jì),1960~1996年間,國外共發(fā)生19起內(nèi)河船撞橋梁下部結(jié)構(gòu)事故,其中人為疏忽和技術(shù)故障引起的各6起,環(huán)境引起的7起.所有事故均與船舶交匯異常無關(guān).這和圖4反映的情況一致.研究船撞橋困難之一是不清楚原因事件間的相互聯(lián)系,而FT結(jié)構(gòu)指出了事件間比較明確的聯(lián)系.此外,把調(diào)查新發(fā)現(xiàn)的事件新路徑加到已建成的FT上,可以修正對船撞橋發(fā)生結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí).清晰的FT結(jié)構(gòu)圖不僅為計(jì)算各事件概率提供了可能性,而且有助于找到防止發(fā)生或降低發(fā)生概率的措施.4船舶撞擊頻率分析廣西南寧某橋梁主橋?yàn)榉菍ΨQ肋拱橋,跨徑為300m,橋址航道規(guī)劃等級為Ⅲ級,現(xiàn)航道日平均交通量為280艘次,噸位為1000t左右.根據(jù)圖4,對施工階段主橋進(jìn)行船撞橋頻率計(jì)算分析.圖4故障樹結(jié)構(gòu)揭示了內(nèi)河船撞橋各種可能原因.由于本例橋梁不在航道轉(zhuǎn)彎處,不會(huì)發(fā)生船舶轉(zhuǎn)彎失敗.根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蠛退块T提供的資料,本航道船舶偏航主要由人為失誤和技術(shù)故障引起,其中技術(shù)故障包括舵機(jī)失靈和主機(jī)喪失動(dòng)力兩種情況,如圖6所示,所采用的概率和參數(shù)見表2.假設(shè)人為失誤導(dǎo)致偏航船只的航行軌跡沿航道中心線呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,技術(shù)故障導(dǎo)致的漂流船只的航行軌跡沿各個(gè)方向呈均勻分布,根據(jù)船舶交通資料,計(jì)算得出船舶撞擊拱角及支架的頻率和相應(yīng)重現(xiàn)期如表3所示