高樁碼頭在船舶撞擊下的動(dòng)力響應(yīng)及損傷分析

劉利琴, 陳建峰, 羅超, 胡文韜

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072; 2.海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461)

高樁碼頭結(jié)構(gòu)在港口工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,在經(jīng)歷了大規(guī)模的港口建設(shè)期之后,我國(guó)現(xiàn)階段存在大量使用了幾十年的老舊高樁碼頭[1]。這些使用年限已久的碼頭在使用期間由于船舶撞擊、風(fēng)浪荷載、混凝土材料劣化及自然環(huán)境侵蝕,基樁普遍受到了一定的損傷。高樁碼頭的特性導(dǎo)致碼頭的修復(fù)工作需要花費(fèi)的金錢和時(shí)間都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他結(jié)構(gòu)形式的碼頭,而船舶撞擊作為高樁碼頭的主要荷載來(lái)源,對(duì)高樁碼頭的使用耐久性影響較大,因此有必要針對(duì)高樁碼頭的船舶撞擊損傷進(jìn)行研究和預(yù)測(cè),為實(shí)際碰撞事故提供更多的理論依據(jù)。Minorsky[2]提出了基于24次實(shí)際碰撞事故的半解析求解方法,分析了碰撞過程中船舶的損傷程度,標(biāo)志著船舶碰撞研究的開始;AbuBakar等[3]研究了撞擊角和撞擊速度對(duì)碰撞的影響,以數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ),提出了船艏結(jié)構(gòu)碰撞損傷響應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法;Petersen[4]利用船舶水平運(yùn)動(dòng)的瞬態(tài)方程推導(dǎo)了仿真程序,采用條分法計(jì)算了船舶碰撞過程中作用于船體的水動(dòng)力問題,用近似方法計(jì)算截面附加質(zhì)量和阻尼,從而計(jì)算截面單元響應(yīng)函數(shù)。Amdahl等[5]開發(fā)了動(dòng)力分析軟件USFOS,建立了船-橋碰撞系統(tǒng)的數(shù)值模型,對(duì)船撞橋梁的3個(gè)碰撞位置,即中跨、1/4跨和橋端跨進(jìn)行了數(shù)值分析,計(jì)算了包括位移、軸力、剪力和彎矩在內(nèi)的橋梁響應(yīng)。鄧?yán)罪w等[6]應(yīng)用有限元方法對(duì)船舶撞擊碼頭的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉、壓應(yīng)力和混凝土強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則判斷碼頭的損傷情況,由此確定碼頭升級(jí)改造的可行性;馮森[7]采用非線性軟件ANSYS/LS-DYNA建立了散貨船和高樁碼頭實(shí)際尺寸模型,研究了船舶不同初始速度、船艏不同構(gòu)件增厚以及碼頭有無(wú)橡膠護(hù)舷等不同工況對(duì)碰撞過程的影響。趙天輝[8]使用ABAQUS/Explicit對(duì)船舶與碼頭碰撞過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬,分別就船舶撞擊速度、船舶排水量、撞擊角度、碼頭結(jié)構(gòu)剛度及有無(wú)橡膠護(hù)舷等影響因素進(jìn)行對(duì)比分析,提取了樁身頂部單元三向應(yīng)力進(jìn)行損傷判斷和計(jì)算,并分別得出它們對(duì)高樁碼頭樁基損傷的影響。王璟[9]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,對(duì)不同參數(shù)組合下的群樁結(jié)構(gòu)損傷位置進(jìn)行了預(yù)測(cè),進(jìn)行可行性評(píng)估。王承強(qiáng)[10]依托連云港老港區(qū)的高樁碼頭,對(duì)不同類型船舶靠泊荷載進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),并根據(jù)行業(yè)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。

以上研究中對(duì)于高樁碼頭在船舶撞擊下的動(dòng)力響應(yīng)及損傷特性研究較少,因此本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件,考慮撞擊速度、撞擊角度等參數(shù),分析了高樁碼頭在船舶撞擊下的動(dòng)力響應(yīng)以及樁的損傷特性。

1 碰撞模型建立

1.1 模型簡(jiǎn)化

本文主要研究對(duì)象為高樁碼頭,因此對(duì)船舶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,所建船舶模型主要包括船艏和船身,保持船舶模型的一些基本參數(shù)如船長(zhǎng)、船寬、型深、重心、質(zhì)量等和實(shí)船相同即可。建模時(shí)采用附加水質(zhì)量法[11-12]。將船舶周圍的水對(duì)船舶的作用通過附加質(zhì)量的方式體現(xiàn)出來(lái),其中,附加水質(zhì)量為船舶總質(zhì)量的0.05倍。增大船身鋼板密度以使船模和實(shí)船質(zhì)量相等。由于實(shí)船內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及通常會(huì)運(yùn)輸大量貨物,船舶總質(zhì)量比空船質(zhì)量大得多,因此,本文通過增大船身鋼板密度使得貨物等的質(zhì)量轉(zhuǎn)化到船身上,從而確保船模質(zhì)量和實(shí)船質(zhì)量相等。

1.2 建立幾何模型

高樁碼頭的幾何模型是參照?qǐng)D1所示天津港液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)碼頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立的,高樁碼頭幾何模型如圖2所示。該高樁碼頭的工作平臺(tái)平面尺寸為55 m×35 m,主要由混凝土面板、橫梁、縱梁、混凝土基樁等結(jié)構(gòu)組成。工作平臺(tái)混凝土基樁一共有36根,分為6排6列,樁徑均為1.2 m。其中,第1、6排為直樁,直樁長(zhǎng)51.5 m;第2、4排為前斜樁,第3、5排為后斜樁,斜樁長(zhǎng)52.5 m。各列樁距10 m,各排樁距5～7 m。各基樁的樁位如圖3所示,船舶撞擊點(diǎn)位于#3基樁的橫梁處。

圖1 天津港LNG碼頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of LNG terminal of Tianjin Port

圖2 高樁碼頭模型Fig.2 Model of high piled wharf

圖3 高樁碼頭樁位圖Fig.3 Pile location of high piled wharf

本文中船舶的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為:船長(zhǎng)164 m,船寬26 m,型深13.4 m,船舶噸位20 000 t。劃分網(wǎng)格后的船舶撞擊高樁碼頭模型如圖4所示。

圖4 船舶撞擊高樁碼頭模型Fig.4 Model of ship impacting high piled wharf

1.3 材料參數(shù)設(shè)置

本文中船舶的船艏及船身結(jié)構(gòu)采用Thin Shell 163單元,高樁碼頭及土體結(jié)構(gòu)采用3D Solid 164實(shí)體單元。其中,船身鋼板的密度是通過使船舶噸位達(dá)到20 000 t計(jì)算得到的,各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 船舶結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 1 material parameters of ship structure

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)對(duì)船舶和高樁碼頭模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分過密會(huì)大大增加計(jì)算時(shí)間,網(wǎng)格劃分過疏則會(huì)使計(jì)算精度降低,本文綜合考慮了計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度,最終劃分的網(wǎng)格總數(shù)為290萬(wàn)。

1.4 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

在網(wǎng)格劃分結(jié)束后,還要對(duì)模型進(jìn)行一系列的計(jì)算參數(shù)設(shè)置,才能進(jìn)行進(jìn)一步的求解,計(jì)算參數(shù)設(shè)置主要包括以下幾個(gè)方面:

1)撞擊船的速度。撞擊船的速度主要包括速度的大小和速度的方向,本文中速度的大小選取了0.2 m/s和0.5 m/s,而速度的方向(撞擊船的中縱剖面方向與碼頭前沿右側(cè)之間的夾角)選取了30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°這7個(gè)具有代表性的角度,故共計(jì)14個(gè)計(jì)算工況;

2)計(jì)算時(shí)間。為了保證在計(jì)算時(shí)間內(nèi)船舶和高樁碼頭完成碰撞并保證能量充分傳遞,各個(gè)工況的計(jì)算時(shí)間均為2.2 s;

3)時(shí)間步長(zhǎng)。最小時(shí)間步長(zhǎng)與單元大小密切相關(guān),本文計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1.1×10-5s,完成整個(gè)計(jì)算需要2×105步;

4)接觸和約束。為實(shí)現(xiàn)碰撞過程中船舶與高樁碼頭之間的能量傳遞,在船舶與高樁碼頭之間設(shè)置單面自動(dòng)接觸,動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)的取值為0.3;在樁與土體之間設(shè)置面面自動(dòng)接觸,動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)的取值為0.6;約束土體底面所有自由度。

2 碰撞結(jié)果分析

在ANSYS/LS-DYNA中完成計(jì)算以后,可在后處理軟件LS-Prepost中查看碰撞過程中各結(jié)構(gòu)的撞擊能量、位移、撞擊力及有效應(yīng)力等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律,進(jìn)而對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 撞擊能量分析

在船舶撞擊高樁碼頭時(shí)碰撞系統(tǒng)的總能量包括動(dòng)能和內(nèi)能,碰撞過程中動(dòng)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)換,總能量以熱能等形式發(fā)生耗散。2萬(wàn)噸級(jí)船舶以0.2 m/s的速度正向撞擊高樁碼頭時(shí)碰撞系統(tǒng)的能量變化如圖5所示。

圖5 碰撞系統(tǒng)的能量變化Fig.5 Energy change of impact system

從碰撞系統(tǒng)的能量變化曲線可以看出,在碰撞過程中,系統(tǒng)的最大內(nèi)能達(dá)到了296 kJ,而內(nèi)能的增加是由碰撞系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)發(fā)生形變引起的,因此碰撞系統(tǒng)的最大內(nèi)能即為船舶的有效撞擊能量。根據(jù)港口工程荷載規(guī)范[13]中的相關(guān)規(guī)定,船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量為:

(1)

式中:E0為船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量,kJ;ρ為有效動(dòng)能系數(shù),取0.7～0.8;m為船舶質(zhì)量,t;Vn為船舶靠岸的法向速度,m/s。

由式(1)計(jì)算可得2萬(wàn)噸級(jí)船舶以0.2 m/s的速度正向撞擊高樁碼頭時(shí)的有效撞擊能量為280～320 kJ,而在有限元軟件中計(jì)算得到的有效撞擊能量為296 kJ,介于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的結(jié)果范圍之間,進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 樁頂有效應(yīng)力分析

樁是高樁碼頭結(jié)構(gòu)中易受損傷的一個(gè)部分,樁的損傷形式因不同的受力特性分為3種:拉應(yīng)力過大導(dǎo)致樁頂斷裂、壓應(yīng)力過大導(dǎo)致樁頂壓碎、位移過大導(dǎo)致樁傾斜變位。當(dāng)船舶撞擊高樁碼頭時(shí),樁的頂端彎矩最大,樁頂受到的有效應(yīng)力也是最大的,因此在研究中主要關(guān)注樁頂受力。

由于應(yīng)力集中,樁頂截面外部單元的應(yīng)力較大,樁頂截面內(nèi)部的單元應(yīng)力較小。再?gòu)臉俄斀孛嬗行?yīng)力云圖中可以看出有效應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在樁頂前側(cè)和樁頂后側(cè),其中樁頂前側(cè)受到了較大的壓應(yīng)力,而樁頂后側(cè)受到了較大的拉應(yīng)力。以撞擊速度0.2 m/s、撞擊角度90°(即船艏正碰)為例,樁頂前、后側(cè)單元的有效應(yīng)力如圖6、7所示。

圖6 樁頂前側(cè)單元有效應(yīng)力Fig.6 Effective stress of front side unit of pile top

圖6和圖7中的6個(gè)數(shù)據(jù)圖分別代表第1～6列樁頂單元的有效應(yīng)力。由于樁頂前側(cè)單元主要受到壓應(yīng)力,從圖6中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,后斜樁受到的壓應(yīng)力大于直樁,直樁受到的壓應(yīng)力大于前斜樁,即不同類型的樁受到的壓應(yīng)力σc大小的關(guān)系為:σc3>σc1>σc2(其中,1、2、3分別對(duì)應(yīng)直樁、前斜樁、后斜樁,下同)。而樁頂后側(cè)單元主要受到拉應(yīng)力,從圖7中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,前斜樁受到的拉應(yīng)力大于直樁,直樁受到的拉應(yīng)力大于后斜樁,即不同類型的樁受到的拉應(yīng)力σt大小的關(guān)系為:σt2>σt1>σt3。各樁頂所受拉壓應(yīng)力極值大小如圖8和圖9所示。另外,由于船舶撞擊點(diǎn)在#3號(hào)樁的橫梁處,位于碼頭中部的左側(cè),因此各列樁所受到的有效應(yīng)力呈現(xiàn)出從左到右遞減的趨勢(shì),其中,第1、2列樁受到的有效應(yīng)力較大。因此,對(duì)于以上撞擊工況,壓應(yīng)力較大的樁集中在第1、2列樁中的后斜樁中,在碼頭維護(hù)的過程中應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)這些樁是否發(fā)生樁頂壓碎損傷;而拉應(yīng)力較大的樁集中在第1、2列樁中的前斜樁中,在碼頭維護(hù)的過程中應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)這些樁是否發(fā)生樁頂斷裂損傷。

圖7 樁頂后側(cè)單元有效應(yīng)力Fig.7 Effective stress of unit at the back of pile top

圖8 樁頂壓應(yīng)力極值Fig.8 Extreme value of pile top compressive stress

圖9 樁頂拉應(yīng)力極值Fig.9 Extreme value of tensile stress at pile top

圖10所示樁的位移云圖可以看出,在該撞擊工況下,各列樁的位移也呈現(xiàn)出從左到右遞減的趨勢(shì),第1、2列樁的位移較大,因此在碼頭維護(hù)的過程中應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)這些樁是否發(fā)生傾斜變位。

圖10 撞擊速度0.2 m/s、撞擊角度90°時(shí)樁的位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of pile when the impact velocity is 0.2 m/s and the impact angle is 90°

3 不同影響因素下碰撞結(jié)果對(duì)比

3.1 撞擊速度

以撞擊角度90°(即船艏正碰)為例,分別讓船舶以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s的撞擊速度撞擊高樁碼頭,撞擊結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 撞擊角度90°時(shí)不同撞擊速度結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of results at different impact velocities when the impact angle is 90°

由表2數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,在船艏正碰的情況下,撞擊速度越大,碼頭受到的撞擊力和有效應(yīng)力以及樁頂最大位移也越大;當(dāng)撞擊速度大于0.2 m/s時(shí),碼頭有效應(yīng)力大于20 MPa,碼頭開始出現(xiàn)局部損傷;當(dāng)撞擊速度達(dá)到0.5 m/s時(shí),碼頭有效應(yīng)力大于混凝土材料的抗壓強(qiáng)度,被撞區(qū)域發(fā)生壓碎損壞。

3.2 撞擊角度

以撞擊速度0.2 m/s和0.5 m/s為例,分別讓船舶以30°、45°、60°、90°的撞擊角度撞擊高樁碼頭,撞擊結(jié)果對(duì)比如表3所示。再將撞擊速度0.2 m/s時(shí),各對(duì)稱方向撞擊角度(即30°和150°、45°和135°、60°和120°)下的撞擊響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表4所示。

表3 撞擊速度0.2 m/s和0.5 m/s時(shí)不同撞擊角度結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of results of different impact angles at impact velocity of 0.2 m/s and 0.5 m/s

表4 撞擊速度0.2 m/s時(shí)各對(duì)稱方向撞擊角度下的撞擊響應(yīng)對(duì)比Table 4 Comparison of impact response under impact angle in each symmetrical direction at impact velocity of 0.2 m/s

由表3可以看出,在撞擊速度一定時(shí),撞擊角度(銳角)越大,碼頭受到的撞擊力及有效應(yīng)力也越大。這是因?yàn)楫?dāng)船舶與碼頭撞擊角度為銳角時(shí),船舶的撞擊速度可以分解為垂直于碼頭前沿的垂向速度和平行于碼頭前沿的切向速度,垂向速度提供撞擊過程中的撞擊動(dòng)能,而切向速度使船舶在撞擊過程中沿碼頭前沿滑移。當(dāng)撞擊角度越大時(shí),船舶的垂向速度越大,因此碼頭受到的撞擊力及有效應(yīng)力也越大,碰撞響應(yīng)越接近正碰。

然而,由表4中的對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)船舶的撞擊角度為對(duì)稱方向時(shí),撞擊角度為鈍角的情況相比于撞擊角度為銳角的情況下碼頭受到的撞擊力和有效應(yīng)力更大,而樁頂?shù)淖畲笪灰聘　＿@是因?yàn)樵诒狙芯康呐鲎睬闆r中,船舶撞擊點(diǎn)位于#3號(hào)樁的橫梁處,樁頂位移呈現(xiàn)出從左側(cè)到右側(cè)逐漸遞減的趨勢(shì),即碼頭在碰撞過程中呈現(xiàn)出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。當(dāng)船舶的撞擊角度為銳角時(shí),由于船舶沿著碼頭前沿向左側(cè)滑移,而碼頭前沿的位移向左側(cè)逐漸增大,因此,在滑移的過程中船艏與碼頭有一個(gè)分離的趨勢(shì);當(dāng)船舶的撞擊角度為鈍角時(shí),由于船舶沿著碼頭前沿向右側(cè)滑移,而碼頭前沿的位移向右側(cè)逐漸減小,因此,在滑移的過程中船艏與碼頭有一個(gè)靠近的趨勢(shì),這就導(dǎo)致了撞擊角度為鈍角的情況相比于撞擊角度為銳角的情況下碼頭受到的撞擊力和有效應(yīng)力更大的現(xiàn)象。另外,由于撞擊角度為鈍角時(shí),船舶向碼頭中部滑移,因此由船舶撞擊力導(dǎo)致碼頭旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩有所減小,這也就導(dǎo)致樁頂最大位移相比于撞擊角度為銳角時(shí)的更小。

3.3 船舶噸位

分別建立20 000、80 000、130 000、280 000 t船舶撞擊高樁碼頭的碰撞模型,以撞擊速度0.2 m/s船艏正碰為例,碼頭局部皆有損傷,撞擊結(jié)果對(duì)比如表5所示。

表5 撞擊速度0.2 m/s時(shí)不同船舶噸位結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparison of results of different ship tonnage at impact velocity of 0.2 m/s

對(duì)比不同船舶噸位下的撞擊結(jié)果可以看出,隨著船舶噸位的增加,船舶撞擊力、碼頭有效應(yīng)力和樁頂最大位移均顯著增加。當(dāng)船舶噸位為80 000 t時(shí),撞擊點(diǎn)處的有效應(yīng)力達(dá)到了46.36 MPa,遠(yuǎn)超過高樁碼頭混凝土面板及橫梁的平均抗壓強(qiáng)度,即此時(shí)碼頭撞擊點(diǎn)處已經(jīng)發(fā)生損壞。

4 結(jié)論

1)在船舶撞擊作用下,高樁碼頭不同類型的樁受到的拉壓應(yīng)力大小不同。其中,后斜樁受到的壓應(yīng)力較大,在碼頭維護(hù)的過程中應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)后斜樁是否發(fā)生樁頂壓碎損傷;前斜樁受到的拉應(yīng)力較大,在碼頭維護(hù)的過程中應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)前斜樁是否發(fā)生樁頂斷裂損傷。

2)對(duì)于本文中的撞擊工況(撞擊點(diǎn)在#3號(hào)樁的橫梁處),高樁碼頭各列樁所受到的有效應(yīng)力呈現(xiàn)出從左到右遞減的趨勢(shì),各列樁的位移也呈現(xiàn)出從左到右遞減的趨勢(shì),在碼頭維護(hù)的過程中應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)第1、2列樁是否發(fā)生損傷。

3)在船艏正碰的情況下,撞擊速度或船舶噸位越大,碼頭受到的撞擊力和有效應(yīng)力以及樁頂最大位移也越大。撞擊速度或船舶噸位過大可能直接導(dǎo)致碼頭損壞。

4)在撞擊速度一定時(shí),撞擊角度(銳角)越大,碼頭受到的撞擊力及有效應(yīng)力也越大;對(duì)于本文中的撞擊工況(撞擊點(diǎn)在#3號(hào)樁的橫梁處),當(dāng)船舶的撞擊角度為對(duì)稱方向時(shí),撞擊角度為鈍角的情況相比于撞擊角度為銳角的情況下碼頭受到的撞擊力和有效應(yīng)力更大,而樁頂?shù)淖畲笪灰聘?這取決于船舶滑移的過程中船艏與碼頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

由于研究水平及時(shí)間有限,本文對(duì)于高樁碼頭的船舶撞擊研究還存在一些不足。例如,基樁拉壓應(yīng)力的一般規(guī)律主要針對(duì)斜樁,若碼頭基樁均為直樁,在船舶撞擊下碼頭基樁拉壓應(yīng)力的變化規(guī)律還有待研究,可在今后的研究工作中進(jìn)一步完善。