新型FRP橋墩防撞浮箱有限元仿真分析

杜柏松, 李亞迪, 張錫祥, 姜 旭

(重慶交通大學土木建筑學院， 重慶 400074)

新型FRP橋墩防撞浮箱有限元仿真分析

杜柏松, 李亞迪, 張錫祥, 姜 旭

(重慶交通大學土木建筑學院， 重慶 400074)

隨著航道通航量增加，對橋墩的防護不斷有新方法引入，基于在橋墩防撞結構中首次引入FRP新型材料的防撞浮箱有限元仿真分析，探索這種新型結構在橋墩防撞方面的優勢，應用FRP防撞浮箱能達到“既不傷墩、又少傷船、還少結構自傷”的設計目的，實現長效防撞。

纖維增強復合材料；橋墩；防撞浮箱；船舶；有限元仿真分析

重慶黃花園嘉陵江大橋主橋上部結構為137.16 m+3×250.00 m+137.16 m的五跨預應力混凝土連續剛構橋，其連續長度1 024.32 m。大橋于2000年建成交付使用后，大橋被船撞擊事故時有發生。為保證大橋安全，對船撞風險較大的2號主墩和3號主墩設計了圍護在橋墩墩柱周圍的纖維增強復合材料(FRP)防撞浮箱作為被動防撞保護結構，使橋墩受到不大于其設防船撞擊力的失控船舶撞擊時，經FRP浮箱消能后傳給橋墩的船撞擊力小于橋墩的自身抗力，從而保證橋墩和全橋結構安全。

一年當中嘉陵江水位是不斷變化的，本文選取最低水位黃海高程174 m，具有代表作用的工況進行計算分析。船按照1.5 m吃水深度取值，撞擊噸位和撞擊速度分別選擇設計時考慮的最大撞擊噸位1 600 t和速度3 m/s。

1 有限元仿真分析目的

船橋碰撞是一個復雜的非線性動力學問題，是通過碰撞區域內的結構或者構件的變形和壓潰，在短時間內將巨大的沖撞能量吸收、轉化和耗散的非線性動力響應過程。應用有限元仿真分析研究FRP應用在橋梁防撞結構中的耗能效果，通過有限元仿真計算為實際工程試驗方案完善和試驗參數選取提供依據，更期望通過試驗與有限元仿真計算結果對比，檢驗針對同一結構和相同荷載工況及邊界條件進行的結構計算的可靠性及計算結果可信度，從而為黃花園大橋的橋墩FRP防撞浮箱工程施工圖設計提供既有科學依據、又有足夠精度還偏于安全的計算方法。

2 有限元模型的建立

2.1 代表船型選取和船舶有限元模型的建立

根據設計要求，計算采用內河航運常用的駁船模型，總質量1 600 t，船舶材料參數如表 1、表 2所示，船舶采用殼單元劃分，為了減小計算量，船頭單元尺寸較小，平均尺寸10 cm，而船尾在撞擊過程中變形極小，可以采用剛性單元，最大單元尺寸取115 cm，全船共劃分單元20 262個，有限元模型如圖1。

表1 橋墩及船舶主要構件的材料參數表

表2 船頭補充參數

圖1 撞擊船舶有限元模型

2.2 FRP防撞浮箱模型的建立

FRP橋墩防撞浮箱的總體結構形式，為圍護在橋墩四周的FRP外圍箱體結構與附著于外圍箱體結構內表面上的一排FRP內襯八邊形柱殼薄壁構件組成的組合結構。FRP外圍箱體結構，為浮箱的抗撞消能主體結構和浮力平衡結構；FRP內襯柱殼構件，為浮箱與橋墩的弱接觸連接支承結構和撞擊緩沖結構。

黃花園嘉陵江大橋FRP防撞浮箱材料及構件基本力學性能根據拉伸試驗、壓縮試驗、彎曲試驗、剪切試驗、沖擊韌性試驗等得出。FRP橋墩防撞浮箱新結構，為全FRP結構，各構件分別為碳纖維增強復合材料(CFRP)或玻璃纖維增強復合材料(GFRP)或芳綸纖維增強復合材料(AFRP)桿系構件或薄殼構件。各構件的材料選擇和截面尺寸，根據構件的抗撞受力要求和能量吸收、動量緩沖要求按復合材料力學理論分析計算和設計確定。

FRP防撞浮箱采用殼單元劃分，單元主要控制尺寸為20 cm，為了提高計算速度，盡量采用四邊形單元進行劃分，整個浮箱約劃分160 000單元，整個系統共約劃分26.4萬個單元，整個系統的有限元模型參見圖2。

圖2 FRP防撞浮箱有限元模型

2.3 橋墩模型的建立

本次計算選取受力不利的2號墩進行，墩和主梁為固結體系，主梁質量相當大，在船-墩的碰撞過程中，碰撞時間非常短，主梁提供了強大的慣性約束，因此，主梁頂端可以簡化為固結模式，墩底為基巖，亦可采用固結模式。

橋墩采用六面體單元劃分，主要單元尺寸為豎向50 cm長，截面尺寸為20 cm，在船舶撞擊部位，豎向尺寸加密，碰撞區最大豎向尺寸為20 cm，共約劃分84 000個單元。材料參數如表3。

表3 橋墩模型材料參數

2.4 單元退出計算的準則

由于FRP材料的防撞浮箱材料為脆性材料，第一強度理論適用于這種脆性材料，該理論認為最大拉應力是使材料發生斷裂破壞的主要因素，即認為不論是什么應力狀態，只要最大拉應力達到與材料性質有關的某一極限值，材料就發生斷裂。既然最大拉應力的極限值與應力狀態無關，于是就可用單向應力狀態確定這一極限值。單向拉伸時只有σ1(σ2=σ3=0)，當σ1達到強度極限σb時即發生斷裂。故據此理論得知，不論是什么應力狀態，只要最大拉應力σ1達到σb就導致斷裂。在模型試驗中，FRP材料的拉伸強度已經得到，橫向為300 MPa，縱向為150 MPa。按彈性材料計算，碰撞完成后，應力超過150MPa的單元假設為破損單元，該方法結果為近似結果，計算速度較快。

3 碰撞及接觸條件的定義

接觸是碰撞分析常用的一種約束方式，整個浮箱由12個子箱組成，子箱之間通過卡榫連接。從力學模型上分析，是一種典型的接觸受力模式。本計算模型中，船和浮箱或橋墩之間LS-DYNA中提供的面—面接觸；浮箱與橋墩之間也采用面—面接觸；整個浮箱采用計算速度最快的自動單面接觸模式。接觸參數：FRP材料之間的接觸靜摩擦系數取0.233，動摩擦系數取0.15；船舶靜摩擦系數取0.30，動摩擦系數取0.20；船舶對FRP箱或橋墩混凝土的靜摩擦系數取0.30，動摩擦系數取0.20； FRP材料與混凝土之間的靜摩擦系數取0.30，動摩擦系數取0.20。荷載以速度的方式體現，在船舶行駛方向設定計算速度3 m/s，不計加速度及自重。計算時間取3 s，試算發現，對于裸墩而言，計算時間超過1s即可；對于帶FRP防撞浮箱的結構，則采用3 s。

4 有限元仿真結果及分析

在裸墩工況下船撞整體有限元模型如圖3，船頭直接與橋墩接觸撞擊，橋墩與船頭剛度均較大，緩沖距離小、撞擊時間短、相互作用力大，對橋墩安全十分不利。

帶FRP防撞浮箱工況的船撞整體有限元模型如圖 4，FRP防撞浮箱為橋墩提供了緩沖，吸收了船的動能，延長了接觸時間，使橋墩受力減少。

圖3 中心正撞裸墩頭部

圖4 中心正撞FRP防撞浮箱頭部

碰撞過程中，碰撞系統的能量是守恒的，碰撞過程也即是能量的轉換過程，從能量的狀態變化可以看出計算可靠性。在船舶撞擊裸墩的過程中，動能向內能轉換是主要出現的能量交換方式。裸墩及帶浮箱船撞計算的能量變化狀態參見圖5～圖7，橋墩受撞擊力變化參見圖8～圖9。

圖5 裸墩工況系統能量變化

圖6 帶FRP防撞箱工況系統能量變化

圖7 FRP防撞浮箱能量變化

圖8 裸墩工況橋墩受到的撞擊力結果

圖9 帶FRP防撞浮箱工況橋墩受到的撞擊力結果

從能量角度分析，對于裸墩而言，船舶動能減小而內能迅速增加，說明船舶變形極大；而撞擊FRP浮箱時，船舶的內能增加較小，但FRP浮箱的內能增加極快，說明FRP浮箱產生了較大的變形，吸收了能量。橋墩兩端約束，無法大幅度運動，因此以內能為主，并且在帶有FRP浮箱時，內能峰值出現比裸墩時晚，船直接撞擊裸墩時，峰值出現時間沒有超過0.6 s，而采用浮箱保護后，撞擊峰值出現的時間都超過了1.6 s。從能量的角度可以看出，FRP浮箱作用是非常明顯的，吸收了能量的同時，減小了橋墩能量的峰值并且延長了橋墩能量峰值出現的時間。

表4 FRP防撞浮箱的船撞動能轉換及其消能比例計算結果

從橋墩受到船撞擊力角度分析，橋墩受到的撞擊力計算對比結果如表5，可以看出帶有FRP浮箱撞擊工況下的橋墩應力相比裸墩受船撞擊時的應力降低幅度極大，說明FRP防撞浮箱保護橋墩效果顯著。

表5 橋墩的船撞擊力計算對比結果

從船頭受到的應力角度分析如圖10、圖11，采用FRP浮箱保護后，船頭的應力有大幅度降低；船舶撞擊凹陷深度會有較大幅度的降低，撞擊并未對船舶整體產生破壞性作用，僅局部產生變形，表明FRP浮箱能夠達到“少傷船”的目的，說明FRP防撞浮箱保護船舶效果顯著。FRP防撞浮箱的變形能力也使得自身在發生變形后有較少損傷，損傷組件可方便更換，整體結構可繼續使用。綜上所述，就數值計算結果而言，FRP防撞浮箱能達到“既不傷墩、又少傷船、還少結構自傷”的設計目的。

圖10 裸墩撞擊工況船首變形

圖11 帶FRP防撞浮箱撞擊工況 船首及浮箱變形圖

5 結論

橋梁防撞結構經過多年發展，防護系統的種類已經很多，能夠給予橋梁長期的穩定、安全、易于維護的防撞保護逐漸成為可實現的目標，FRP防撞浮箱充分發揮新材料的特性，加以合理結構設計，在撞擊吸能方面有突出優勢，結構的高度非線性使撞擊時間大大延長，撞擊過程中對船和橋墩應力時程曲線趨于緩和，既保護了橋梁又保護了船舶。同時，浮箱結構的模塊化組件，單構件質量輕，在發生撞擊后部分組件如發生破損可快速方便的更換組件，恢復整體結構可用性。本次計算中FRP的材料優勢明顯，為結構產生大變形非線性變形后產生盡可能少的結構自傷只有較好效果，FRP在其他結構類型防撞裝置中的應用也應進行探索嘗試。

[1] 張錫祥，王智祥．一種新型FRP橋墩防撞浮箱結構[J]．重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(3):388-393.

[2] 肖波，鹿道凡．船橋碰撞問題的有限元仿真分析[J] ．船海工程,2011,40(1):143-146.

[3] 陳國虞．防御船撞橋的新裝置及其機理研究[J]．船舶工程,2007,29(4):40-43.

[4] 肖波，王爽．橋墩防撞裝置碰撞動力學分析[J]．武漢理工大學學報:交通科學與工版，2005，29(1)：49-51，67.

[5] 汪宏，耿波．菜園壩長江大橋船撞風險分析咨詢報告[D]．重慶：重慶交通科研設計院，2008．

Finite element analysis of late—model frp floating pontoon for bridge piers in ship collision

DU Bai-song， LI Ya-di， ZHANG Xi-xiang， JIANG Xu

(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

With the rising volume of navigation channels, new methods for the protection of bridge piers were introduced. This paper, based on the firstly introduced finite element analysis of FPR floating pontoonfor protection of bridge piers in the ship collision, explores the advantages of this new structure in collision avoidance of bridge piers. With the usage of FPR floating pontoon, the design goal of “no harm to piers, no harm to ships, decreased self-hurt of the structure” can be obtained so as to achieve long-term protection.

fiber reinforce plastic；bridge piers；floating pontoon；ships；finite element analysis

2013-12-20

杜柏松(1976-)，男，湖北黃岡人，博士，重慶交通大學土木建筑學院副教授。

1674-7046(2014)01-0010-05

U443.22

A