水平沖擊下防撞裝置的試驗及有限元研究

宗莉娜，方 海，周 輝

(1.江蘇城市職業學院 建筑工程學院，江蘇 南京210036；2.南京工業大學 土木工程學院，江蘇 南京211816)

0 引言

船舶撞擊事故屢見不鮮，尤其對于大型的船舶和橋墩而言，在發生碰撞后會使船舶沉沒和橋墩受損，造成嚴重的經濟損失和社會安全問題[1-2]。因此，從20世紀60年代末起，相關人員就開始對船橋相撞問題開展了研究，但由于橋梁防撞涉及到多種學科，情況復雜、研究難度大。我國研究學者從20世紀90年代開始對橋梁防撞展開研究[3-5]。目前，主要通過對橋梁設置防撞措施(如鋼套箱、人工島、防護板系統浮動保護系統等)來避免或減低船舶撞擊后產生的撞擊力。此方法可以有效保護橋墩和船舶的安全。

近年來，大型橋梁的橋墩使用一種新型的復合材料裝置[6-9]。這種新型的防撞裝置的特點是其外壁與內置格構均由玻璃鋼復合材料加入聚酯纖維構成，內部填充一定數量的聚氨酯泡沫。在船舶撞擊時，主要通過內部填充的聚氨酯泡沫壓縮變形耗能，達到減小船舶撞擊力的效果。本文擬采用試驗及有限元方法對格構增強復合材料橋梁防撞裝置的水平抗沖擊性能進行研究。

1 復合材料防撞裝置試驗方法

1.1 構件設計

本次水平沖擊試驗中橋墩截面尺寸0.3 m×0.5 m，高1.5 m，混凝土等級C40，縱筋為10根Φ10 mm，箍筋為Φ6 mm，箍筋間距及加密區范圍見圖1。試驗時采用剛性小車模擬船舶。小車質量為1.5 t，每次以4.1 m/s的速度進行水平沖擊。

圖1 橋墩模型尺寸圖(單位：mm)

構件制作流程如下：

(1)將聚氨酯泡沫發泡成型。

(2)根據構件橫向格構間距的設置將聚氨酯泡沫截斷。

(3)將纖維布裹在泡沫表面，并整體放置于模具中。

(4)對其表面附加一層纖維布并真空導入成型，成型后的構件為半筒形。

(5)用強力膠將2個成型構件粘結在一起，形成一個完整試件。

試件制作時復合材料防撞裝置筒壁、縱向格構、橫向格構均為復合材料纖維鋪層。

三維模型圖中船舶撞擊位置見圖2(a)。圖中：沿著防撞裝置軸線方向的格構為縱向格構，與軸線垂直方向的格構為橫向格構。構件外殼面層和橫向格構厚度為1.3 mm，縱向格構厚度為2.6 mm。構件的具體尺寸參數見圖2(b)。為了增加參數變化，多角度考慮耗能影響因素，試驗構件制作了2種格構間距，分別為90、270 mm，用AC-90和AC-270表示，便于研究格構間距對防撞裝置吸能大小的影響。

圖2 橋梁防撞裝置模型及外形尺寸(單位：mm)

根據調查資料及數據分析顯示：由于慣性影響，當船橋碰撞時船舶會與橋墩發生多次撞擊。為了更真實模擬實際情況，本次試驗增加了對構件的2次撞擊。AC-270-1、AC-270-2分別表示對構件的第1、第2次沖擊。

1.2 試驗方法

橋墩頂部用千斤頂提供豎向荷載，以模擬橋梁上部結構對橋墩的豎向荷載作用；精確提升落錘高度，以確保小車沖擊速度。小車在獲得沖擊速度后沿著軌道滑行撞擊橋墩及防撞裝置。

2 復合材料防撞裝置試驗過程

各試件在經歷第1次沖擊后，均顯示出較輕微受損，防撞裝置變形量均相對不大。第2次撞擊后，防撞裝置破壞嚴重。其中：防撞裝置AC-90的破壞表現除縱向格構與筒壁處撕裂外，另有大范圍的縱向格構本身撕裂分層；AC-270則表現出了縱向格構與筒壁處撕裂及小范圍的縱向格構撕裂分層，縱向格構粘結處未出現整體開裂。由此可見：橫向格構在防撞裝置受沖擊時，與縱向格構形成垂直支撐；當橫向格構間距過密時，縱向格構在沖擊時受壓變形受阻，出現了撕裂分層現象。

3 復合材料防撞裝置試驗分析

3.1 時程曲線

試驗中各試件水平撞擊力時程曲線及撞擊點處的位移時程曲線見圖3～圖5。圖5中“N-AC”表示試件無防撞裝置。

圖3 AC-270水平撞擊力和撞擊點位移時程曲線

圖4 AC-90水平撞擊力和撞擊點位移時程曲線

圖5 N-AC水平撞擊力和撞擊點位移時程曲線

3.2 水平撞擊力峰值

試驗中各試件水平撞擊力峰值見表1。無防撞裝置時，撞擊力峰值為364.15 kN。首次沖擊時， AC-270和AC-90撞擊力峰值分別為247.54、310.14 kN，比無防撞裝置時分別降低了32.0%和14.8%。第2次沖擊時，AC-270和AC-90撞擊力峰值分別為194.85、235.93 kN，較無防撞裝置時分別降低46.5%和35.2%，較首次沖擊時分別降低21.3%和23.9%。因此，在設置防撞裝置后，能有效地降低船舶撞擊時所產生的撞擊力峰值。

復合材料防撞裝置在第1次沖擊時表現出一定的剛性，防撞裝置的變形較小，只是局部破損，并未發生整體破壞。發生第2次碰撞后，防撞裝置被壓潰，通過自身的變形吸收耗散了大部分能量，進一步降低了撞擊力峰值。可見，此種復合材料防撞裝置對降低船舶撞擊力峰值有明顯的效果，達到保護橋墩和船舶的作用。

表1 水平撞擊力峰值

3.3 橋墩位移分析

試驗中橋墩沖擊點處的位移見表2。無防撞裝置時，橋墩沖擊點處位移為10.1 mm。在第1次沖擊時， AC-270和AC-90橋墩沖擊點處位移分別為8.6、9.4 mm，比無防撞裝置時降低了14.9%和6.9%。第2次沖擊時，AC-270和AC-90橋墩沖擊點處位移分別為5.6、6.8 mm，較無防撞裝置時降低44.6%和32.7%。所以，設置防撞裝置能有效地降低船舶撞擊時所產生的位移。

表2 橋墩沖擊點處位移

試驗中對混凝土動力響應進行監測，發現混凝土橋墩模型在整體試驗過程中未出現明顯裂縫，可認為混凝土橋墩處于彈性工作范圍。

4 復合材料防撞裝置有限元分析

本文采用有限元軟件LS-DYNA模擬船舶水平沖擊橋墩的過程，分析復合材料防撞裝置在受到水平沖擊后泡沫、格構及外殼的力學響應。

4.1 有限元仿真模型建立

目前橋墩多為鋼筋混凝土結構，受力后的性能復雜[10]。數值模擬時，準確定義混凝土模型非常重要。現階段常用的混凝土模型有：以彈性力學為基礎的模型，以塑性力學為基礎的模型、塑性斷裂模型、損傷力學模型等。不同的混凝土模型表現出不同的特點，應用范圍也不同。本文選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC[11]模型來模擬混凝土材料。混凝土單元采用SOLID164。復合材料采用線彈性材料模型，其單元采用薄殼單元SHELL163。FRP筒壁和格構因采用殼單元，并未增加實體，通過定義殼單元的厚度來模擬格構厚度和壁厚。防撞裝置在迎撞面將每個線單元長度劃分為10 mm，除了迎撞面外線單元劃分長度為10 mm。有限元模型見圖6。

圖6 幾何建模及劃分

用*MAT_CRUSHABLE_FOAM模型來模擬聚氨酯泡沫，參照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》和GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》標準對聚氨酯泡沫進行材料試驗，得出抗壓強度、應力應變失效值、彈性模量及變異系數。通過*DEFINE_CURVE給模型定義應力應變曲線，并添加“MAT_ADD_EROSION”來定義聚氨酯泡沫的失效。聚氨酯泡沫也采用SOLID164單元。泡沫和復合材料層接觸為面面自動接觸(ASTS)，靜摩擦系數和動摩擦系數均取0.1。為了實現第2次撞擊是在第1次撞擊產生變形后進行的，在第1次計算時生成能夠進行重啟動計算的文件d3dump01；在第2次加載時，同時提交第2次K文件及第1次計算生成的d3dump01。

4.2 有限元仿真數值分析

建立有限元模型進行數值模擬，得出AC-270及AC-90有限元模擬水平沖擊撞擊力時程曲線，并將其與試驗曲線進行對比，具體見圖7、圖8。

圖7 AC-270水平沖擊有限元和試驗荷載時程曲線對比

圖8 AC-90水平沖擊有限元和試驗荷載時程曲線對比

從圖中可以看出，2組試件的有限元撞擊力時程曲線與試驗曲線趨勢基本相似，撞擊力的峰值比較接近，兩者誤差控制在15%以內，吻合度較好，具體的撞擊力峰值數值對比見表3。防撞裝置的應力云圖見圖9。從圖中可見，防撞裝置被撞擊區域應力集中，變形也較大。

表3 水平沖擊撞擊力峰值試驗值與有限元值

圖9 防撞裝置的應力云圖

圖10為有限元模擬時試件破壞形態與試驗時試件破壞形式。從形態上破壞形式基本一致，均表現為外層復合材料纖維斷裂破壞，內部聚氨酯泡沫達到屈服強度被壓潰。

圖10 有限元模擬與試驗試件破壞情況對比

5 結論

本文對格構增強復合材料防撞裝置進行了水平沖擊試驗及有限元分析，得出以下結論：

(1)格構增強復合材料防撞裝置能有效減弱沖擊過程中的撞擊力峰值。格構間距為270、90 mm時，水平沖擊的撞擊力峰值比無防撞裝置時分別降低32.0%和14.8%；第2次沖擊時較無防撞裝置時分別降低46.5%和35.2%。 (2)格構增強復合材料防撞裝置能減小沖擊過程中橋墩位移。格構間距為270、90 mm時，第1次沖擊時最大位移較無防撞裝置分別降低了14.5%和6.9%；第2次沖擊時較無防撞裝置時分別降低了44.6%和32.7%。

(3)有限元模擬中防撞裝置格構及筒壁接觸的泡沫首先被破壞。隨著變形量加大，格構發生屈曲繼而彎折，泡沫達到屈服強度后破壞，試件整體失去承載能力。泡沫在沖擊過程中起到約束縱橫向格構屈曲變形的作用，并隨著格構變形而變形。

(4)有限元模擬時的破壞形態與試驗中的破壞形態基本一致，并且撞擊力時程曲線趨勢也基本一致，撞擊力峰值的誤差也較小。