橋墩防船撞Y形夾層結構耐撞性研究*

許明財 蔡 昆 汪 衡 潘 晉

(華中科技大學船舶與海洋工程學院1) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司2) 武漢 430040)(武漢理工大學交通學院3) 武漢 430063)

橋墩防船撞Y形夾層結構耐撞性研究*

許明財1,2)蔡 昆1)汪 衡1)潘 晉3)

(華中科技大學船舶與海洋工程學院1)武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司2)武漢 430040)(武漢理工大學交通學院3)武漢 430063)

針對傳統鋼套箱吸能效果不明顯的問題，設計了一種Y形夾層結構橋梁防船撞設施.建立防撞設施和船舶有限元模型，并對船舶撞擊防撞設撞過程進行數值模擬.基于數值仿真分析結果，通過對比傳統鋼套箱和新型夾層結構防撞設施的耐撞性、結構損傷、撞擊力折減.結果表明,新型夾層結構具有更好的耐撞性，撞擊力對撞擊位置不敏感，具有良好的防撞效果.

船舶；橋梁；碰撞；耐撞性；夾層結構；復合材料

0 引 言

當船舶直接撞擊橋墩時，由于橋墩的剛度較大，不能有效地吸收船舶的動能[1].文獻[2]要求通航水域中的橋墩的撞擊力宜按專題研究確定.應比較增強結構自身抗撞能力和采用附加防撞設施兩種方案，宜采用增強結構自身抗撞能力的方案，方案不可行時可考慮增加防撞設施.橋梁防撞設施的作用就是保護橋梁，減小船舶撞擊力，吸收船舶的動能.

國內外的專家學者也做過大量研究，各防撞設施的材料和結構形式對耐撞性及撞擊力有很大影響.為了研究鋼夾層結構的耐撞性，Klanac等[3]對10種不同的夾層進行了分析.結果表明Y形鋼夾層結構具有良好耐撞性能和吸能潛力.此外，Wevers等[4-5]對鋼夾層結構進行了碰撞試驗.潘晉等[6]采用有限元方法模擬了廣東崖門大橋的橋墩鋼套箱防撞裝置與船舶之間碰撞，分析了防撞裝置的影響因素.Peng等[7]對具有樁墩支撐的防撞鋼套箱進行了數值仿真計算，提出增加橡膠層能明顯降低碰撞力峰值.

但傳統的鋼套箱防撞設施的耐撞性和撞擊力對撞擊點很敏感，其吸能效果很不穩定[8].因此，文中設計了一種新型的Y形夾層結構防撞設施，通過數值模擬對不同結構形式進行分析.結果表明，Y形夾層結構可以較好的分散船撞力，同時提高結構自身的耐撞性.

1 分析模型

1.1 船舶主尺度

文中以10 000 t散貨船為例，其總長134.42 m、水線長129.0 m、垂線間長126.0 m、型寬19 m、型深9 m，吃水6.75 m，設計排水量為13 645 t，船首基本結構圖見圖1.

圖1 船艏基本結構圖

1.2 防撞設施結構尺寸

傳統的鋼防撞設施內部結構主要是由多個艙壁組成(見圖2a))，吸能效果不理想.Xu等[9]對Y形夾層結構進行了沖擊試驗，結果表明改結構形式具有良好的耐撞性.為了提高防撞結構的吸能效果，文中設計新型Y形夾層防撞設施，見圖2b).由于球鼻首產生的撞擊力很集中，為了使更多結構參與吸能，在外表明增加了聚氨酯材料，見圖 2c).

圖2 防撞設施剖面圖

1.3 有限元模型

由于船舶撞擊橋梁是高度非線性動態響應過程，因此，用簡單的數學模型很難描述清楚，文中采用有限元法研究結構的耐撞性能.有限元模型包括防撞設施和船體兩部分，見圖3a).

對于船體模型，模型與實際幾何尺寸按照1∶1建立有限元模型，船舶采用梁單元、板單元及殼單元進行模擬.考慮到船首結構形式對撞擊力影響較大，因此，船首結構采用精細網格，其他部分采用粗略網格，而對船體的平行中段后面非碰撞區的船殼進行一定程度的簡化，從而達到減少計算時間的目的.船首單元最大尺寸為0.25 m，其余部分最大單元尺寸為0.5 m,整個船體的單元總數為78 452[10].船首中縱剖面有限元模型見圖3b).考慮到要使整船的重量達到設計吃水，對船體模型的質量分布進行合理配重，使整個模型的質量、重心與實船設計吃水時的情況相當.防撞設施網格大小0.2 m，單元總數66 377個，其有限元模型，見圖3c).假設橋墩為剛性，網格大小為0.6 m.

圖3 有限元模型

1.4 材料模型

碰撞是一個短時間內復雜的非線性動態響應過程[11]，材料的動力特性對碰撞過程影響較大，因而，不能忽略[12].而對于船用低碳鋼，其塑性性能受應變率的影響非常明顯，隨應變率的增加，低碳鋼的屈服應力和拉伸強度極限都會增加，所以需要在材料模型中引入應變率敏感性的影響[13].考慮材料應變率敏感性的本構方程有很多，文中采用與實驗結果吻合度較高的Cowper-Symonds本構方程.

(1)

材料的失效判定非常復雜，文中采用最大塑性失效應變來定義材料的失效.最大塑性失效的失效條件為：結構單元的等效塑性應變達到定義的單元最大塑性失效應變；一旦單元被判定失效，該單元將不再參與后續的計算.根據所建立模型的單元大小，材料的最大塑性失效應變取0.34.鋼材料參數取值如下：密度為7 860 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27，屈服應力為310 MPa，剪切模量為763 MPa，硬化參數為0.聚氨酯材料采用實體單元，其密度為1 150 kg/m3，剪切模量為1 040 MPa.

1.5 載荷和邊界條件

由于船舶碰撞運動主要是縱蕩，不考慮水的運動效應，采用附連水質量系數0.07來計入周圍流體的作用[14].不約束船體的轉動與平動自由度，并施加初始速度.橋墩考慮為剛體，忽略橋墩和基礎的變形.考慮船舶撞擊正撞橋墩、以及正撞防撞設施正面和側邊的工況.

2 結果分析

Pan等[15]通過自動識別系統(AIS)數據對長江武漢流域的船舶進行統計獲得的水流速度和平均船速分別取1.72 和3.44 m/s.下面分析三種防撞設施的減小碰撞力的效果.計算結果見表1.

對于傳統單層防撞設施(A)，當撞擊點在正中間和側邊時，橋墩受到的撞擊力相差比較大.當船速為1.72 m/s時，撞擊點在側面的撞擊力是正面的2.9倍，當船速為3.44 m/s時，撞擊力在側面的撞擊力是正面的4.2倍.由圖4可知，剛開始時單層艙壁的防撞設施的碰撞力很小，然后急劇上升.主要原因船舶撞穿傳統單層艙壁防撞設施，然后與橋墩直接接觸，單層艙壁防撞設施不能有效地保護橋梁.

表1 計算工況及結果

注：R-撞擊剛性橋墩;A,B,C-撞擊對象為三種防撞設施；撞擊位置，1-正中間，2-側邊；V-撞擊速度；Fmax,Fmean-橋墩受到的最大和平均碰撞力；δ-撞深；V1=1.72 m/s,V2=3.44 m/s.

圖4 時間-碰撞力曲線

對于側邊最大撞擊力達到了60.3 MN，僅比船舶直接撞擊橋墩力減少了8%.而在實際中，船舶有可能撞擊防撞設施的任何位置，單層艙壁防撞設施減小碰撞力效果不明顯，對撞擊點很敏感.而船舶撞擊在Y形夾層結構的正中和側邊的撞擊力差別不大，即碰撞點的位置對最后碰撞力的影響不大.此外，Y形防撞設施使用鋼材傳統防撞設施多使用17.15%的鋼材，但撞擊力卻多減少了40.2% .

圖5～6為最大撞深時的應力云圖.當船速較高時，傳統單層艙壁防撞設施在經受船舶撞擊后，結構破壞非常嚴重，單層艙壁幾乎被撞成兩半，基本報廢，需要重新更換防撞設施.Y形防撞設施也產生了破壞，只有前端較大形變.而且應力分布均勻，說明有更多的結構參與吸能.內部主體結構保持較好的完整性，可以降低后期的維護成本.

圖5 防撞設施應力云圖(撞擊中間，V=3.44 m/s)

圖6 防撞設施應力云圖(撞擊側邊，V=3.44 m/s)

圖7為不同船速下兩種Y形防撞設施(B，C)的撞深-碰撞力曲線.當撞深較小時，加設聚氨酯層會增大，但撞擊力能夠滿足橋梁抗撞要求.因為聚氨酯層使結構整體變形，提高整體的耐撞性，同時分攤更多的碰撞力，因此，能更有效的減小船舶速度，減小防撞設施自身損傷.

圖7 撞深-碰撞力曲線(Y形夾層)

但當撞深較深時，沒有加設聚氨酯層的Y形防撞設施的碰撞力會突然急速上升，因為之前防撞設施吸收的船舶動能較少，Y形防撞設施碰撞后船仍有0.12 m/s的速度,見圖8.而改進Y形防撞設施船速出現負值，說明船舶發生反彈.

圖8 船速變化曲線

3 結 論

1) 單層艙壁防撞設施防撞效果對船舶撞擊點較敏感，撞擊點位置不同，防撞效果差別巨大.

2) 與單層艙壁防撞設施相比，Y形防撞設施具有更好的耐撞性，吸能效果對撞擊點不敏感.

3) 加設阻尼塊和聚氨酯層能更有效率地吸收船舶動能，提高整體的吸能效果.同時很好的減小防撞設施表面破壞，降低后期的維護成本.

[1] 夏飛.橋梁防撞系統的發展[J].中國水運,2008,6(1):68-69.

[2] 中交公路規劃設計院.公路橋涵設計通用規范:JTG D60-2015[S].北京:人民交通出版社，2015.

[3] KLANAC A, EHLERS S, TABRI K, et al. Qualitative design assessment of crashworthy structures[J].Maritime Transportation and Exploitation of Ocean Coastal Resources,2005(1):26-30.

[4] WEVERS L J, VREDEVELDT A W. Full scale ship collision experiments: TNO-report 98-CMC-R0359[R].Delft: TNO,1998.

[5] XU M C, Zhang B W, Wang J, et al. Experimental analysis on the response of Y shape stiffened panels under lateral impact load[C]. 27th International Offshore and Polar Engineering Conference,2017.

[6] 潘晉，吳衛國，王德禹，等.船-橋墩防護裝置碰撞中的影響因素研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2005,29(4):538-541.

[7] PENG S, WU W G, PAN J, et al. Non-linear finite element drop collision simulation of the anti-collision device hitting a bridge pile cap[C]. Proceedings of the ASME 2010 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering,2010.

[8] 潘晉,吳亞鋒,許明財.基于失效概率的橋梁防船撞裝置安全性評估[J].公路,2015(4):93-98.

[9] XU M C, ZHANG B W, WANG J, et al. Experimental analysis on the response of Y shape stiffened panels under lateral impact load[C].The Twenty-seventh International Offshore and Polar Engineering Conference,2017.

[10] 王向前,楊校剛,張曉君.不同有限元網格數對船體數值模擬的影響[C].全國船舶與海洋工程學術會議,鎮江,2009.

[11] 王自力,顧永寧.船舶碰撞動力學過程的數值仿真研究[J].爆炸與沖擊,2001,21(1):29-34

[12] 歐碧峰,王君杰.帶防撞設施的船橋碰撞數值模擬[J].計算機輔助工程,2006,15(1):75-77.

[13] 朱厚勤,鄭際嘉.船舶碰撞的剛塑性動力分析[J].武漢水運工程學院學報,1993，17(2):204-209.

[14] 金占禮,王宗利.結構在無限流體域中振動時附連水質量的數值計算方法[J].上海交通大學學報,2000,34(8):1078-1082.

[15] PAN J, WANG Y, HUANG S W, et al. Statistical investigation of the influential parameters for probability analysis of ship-bridge collision based on AIS data[C]. The Twenty-seventh International Offshore and Polar Engineering Conference,2017.

Study on Crashworthiness of Y-shape Sandwich Structure for Protecting Bridge Piers Against Vessel Collision

XUMingcai1,2)CAIKun1)WANGHeng1)PANJin3)

(SchoolofNavalArchitecture&OceanEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)1)(WuhanLituoBridgeProtectionTechnologyCo.Ltd.,Wuhan430040,China)2)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)3)

Since the traditional steel boxed cofferdams for the protection of bridge pier have the disadvantage of absorbing energy, a new Y-shape sandwich structure is designed. First, the FE models of Y-shape sandwich structure and vessel are modeled to simulate the process of collision between the protective structure and vessel. According to the numerical results, the crashworthiness, damage and reduction of impact force acting on the bridge pier are compared between the traditional steel boxed cofferdams and new Y-shape sandwich protective structures. The results show that the designed Y-shape sandwich structure can provide better crashworthiness and has less sensitive to the impact position.

vessel; bridge; collision; crashworthiness; sandwich; composite

U443.26

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.004

2017-10-03

許明財(1978—)：男，博士，副教授，主要研究領域為工程結構與力學

*國家自然科學基金項目(5167090447，51609192)、中央高校基本科研業務費專項資金項目(2015MS103,2017IVB007)資助