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为构建立体交通、促进区域经济发展,在过去的几十年间,我国建造了大量的跨江、跨海等跨越通航水域的桥梁。这些桥梁的建设对区域经济发展起到重要作用的同时,也对水上交通运输造成了不同程度的不利影响。目前,我国航运业、造船业蓬勃发展,船舶数量增加的同时,船舶尺度也在进一步增大,船舶速度也逐步提高,致使发生船一桥碰撞事故的概率越来越大。从我国近年来已建、在建和拟建的大型跨海、跨江大桥如港珠澳大桥、上海洋山深水港东海大桥、苏通长江公路大桥、琼州海峡大桥等可以看出,桥梁在增加跨度的同时,桥梁的规模也在逐步增大,致使发生桥梁船舶撞击事故的风险逐步提升。桥梁及桥区通航船舶的双向安全问题正成为桥梁和桥区航运管理部门亟待解决的关键问题。
为了顺应我国跨江、跨海大桥建设带来的桥区水域船舶和桥梁安全问题进行研究的迫切需求,防患于未然,非常有必要系统深入的开展桥区通航安全预控研究,以切实提高桥梁和航行于桥区水域船舶的安全性。
国内外研究成果表明,船-桥碰撞事故发生的原因主要包括以下三个方面:人为因素、机械故障和环境因素。根据PIANC的调查数据:64％的船舶碰撞事故是由于人为因素导致,主要是由于船舶驾引人员对船舶运动态势和环境条件估计不足,错误估计或错过避碰时机造成的；21％的事故为船舶机械故障导致的船舶失控所致。可以看出,提升桥梁和船舶双向安全的关键是除了对船舶加强检验,尽量减少因机械故障导致的失控事故外,应将研究的中心转向减小人为因素影响。
为保障桥梁和船舶安全,国内外诸多学者对船-桥碰撞的机理、动态响应以及事后分析等方面开展了大量的研究,并根据研究结果对桥梁通航孔桥墩的防撞开展了理论研究和工程设计工作,也取得了显著的成果。但广州九江大桥非通航孔桥墩被撞致使桥梁坍塌的事故以及杭州湾跨海大桥非通航孔被撞事故的发生,让人们对桥梁非通航孔桥墩的安全问题重新加以关注。相比较与跨越长江的部分桥梁,跨海大桥和部分大尺度的跨江大桥有着诸多新的特点。一是大尺度桥梁的非通航孔数量增加较多,非通航孔桥墩的安全对桥梁安全至关重要；二是通航孔与非通航孔是按照船舶习惯航路确定的,非通航孔除了在通航孔尺度上有别于通航孔外,已不再是常规意义上按照航道条件确定的无法通航的桥孔,由于人为因素或船舶失控等原因导致的船舶撞击非通航孔桥墩的概率急剧增加。开展非通航孔桥墩防船撞研究是在新形势下亟待解决的问题。
本文以港珠澳大桥为例,分别对避免受控船舶和失控船舶撞击桥梁的情况进行了研究,并据此架构了桥梁非通航孔防船撞预控信息系统。以期从预警与预控的角度,降低人为因素和突发失控事故造成的船-桥碰撞事故发生的概率。
论文主要开展了以下工作:
(1)调研国内外船-桥碰撞事故,寻找船-桥碰撞的诱因,指出解决船-桥碰撞的关键因素,指出桥区水域船舶通航安全研究的必要性和紧迫性。
(2)运用船舶操纵运动理论,建立多工况下受控船舶操纵运动数学模型,并对船舶运动进行航迹控制。针对桥区水域通航船舶低速航行状态下受风、流影响较大的特点,建立了船舶在风、流作用下的漂移运动数学模型。
(3)建立桥区失控船舶运动数学模型,对失控船舶过桥状态进行分析,失控船舶撞击桥梁非通航孔的危险水域,判断失控船舶能否安全过桥。
(4)集成受控船舶运动和失控船舶漂移运动两种船舶运动状态分析成果,架构桥梁非通航孔桥墩防船撞预控系统。
本文以港珠澳大桥为研究对象,基于受控船舶航迹控制和船舶失控撞击桥墩的危险水域分析,架构桥梁非通航孔防船撞预控信息系统,研究成果将会是桥梁防船撞研究领域的重要补充。