跨江公路特大橋船撞力學分析研究

田 欽,程海根,康彩霞

(華東交通大學土木建筑學院,江西南昌 330013)

船撞橋問題在國外從 20世紀 80年代初開始得到認真的研究,經過 20年的努力,歐洲和美國等國家已經制定了專門的設計規范或指南。雖然目前我國有關大橋的安全保障部門采取了一系列的安全措施,但對防撞問題一直未得到足夠的重視,也沒有專門的設計規范或指南可供工程師使用。在公路橋梁設計規范中的相應條款過于簡單,設計船撞力過低,對橋梁設計幾乎沒有影響,這不符合實際情況[12]。隨著跨江的公路特大橋越建越多,以及大江航道等級的提高,大噸位的船只越來越多地進入了大江,加之建橋后的航道演變,這些跨大江橋梁被船撞的風險明顯加大[9]。對這些特大橋進行船撞安全風險評價,并提出一些防范措施,就顯得尤為重要。

1 船橋相撞有限元計算方法的研究

1.1 船 -橋碰撞力學計算研究方法

1.1.1 Minorsky理論

Minorsky船 -船碰撞理論[5]、[7]自 1975年公開發表后,已為眾多的實驗所證實,由此奠定了船 -船碰撞的分析基礎,并推廣應用于船 -橋碰撞,為國際橋梁工程界和各國學者公認。Minorsky的研究工作主要是將船 -船碰撞問題分為兩個相互獨立的部分,即動能損失和結構損傷,并用統計分析方法將它們聯系在一起。

1.1.2 漢斯 -德魯徹理論

漢斯和德魯徹教授根據 CG-71955-A合同研究提出的理論,主要是研究公路橋梁預防船舶的撞擊[13]、[14]。該理論將船舶碰撞橋墩及其防撞設施等效成一個彈簧質量系統的數學模型,計算碰撞中橋墩或防護系統受撞位置處的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞擊力、撞擊過程的持續時間。

1.1.3 數值解法

數值解法產生于船 -船碰撞理論[16],引伸到船 -橋碰撞計算。數值方法中較有代表性的是 Petersen方法和梁文娟計算方法[4]。前者提出的方法可以模擬碰撞中船舶的水平運動,歸結為兩維問題;后者將該問題擴展為三維情況,考慮了碰撞中船舶六個自由度運動。在該方法中流體動力用切片法計算,碰撞力則假設為貫入量的非線性函數,通過六根非線性彈簧描述碰撞區結構的內部機理[1]、[2]。

1.1.4 簡化解析法

簡化解析法是將船舶結構部件分解成幾種簡單模型,導出這些簡化模型損傷的理論公式,分別計算出每一種簡化模型的損傷力和變形能,最后合成總的船舶結構碰撞損傷力和能量。簡化解析法是一種非耦合的方法[11]。

1.1.5 實驗方法

通過碰撞模型實驗,直接測量船-橋碰撞中碰撞力、變形能隨撞深的變化曲線[15]。但由于實驗方法耗費昂貴,一般難以實施。有關資料表明從 20世紀 60年代初開始,日本、德國等國的學者相繼完成了少量船 -船碰撞試驗,而船-橋碰撞試驗的資料還未發現。

1.1.6 經驗規范公式法

(1)我國《公路橋涵設計規范》(1989)將船舶撞擊當作一種偶然載荷,對橋梁防撞問題做出了規定:位于通航河流或有漂流物的河流中的橋梁墩臺,設計時應考慮船只或漂流物的撞擊力。對漂流物撞擊力 P給出的計算公式為:

式中:P為撞擊力(kN);

w為漂流物重力(kN);

V為水流速度(m/s);

g為重力加速度(9.81 m/s2);

T為撞擊時間(s),無資料時取 1秒。

這是最簡單的公式,但要獲取確切的撞擊時間是困難的。

(2)我國《鐵路工程技術規范》(1985)第 3.4.6條規定,橋梁墩臺承受船舶或排筏的撞擊力P可按下式計算,即

式中:γ為動能折減系數(m/s1/2),當正向撞擊時取0.3,斜向撞擊時取 0.2;

V為船只撞擊速度(m/s),采用航運部門提供的數據;

α為船只駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角,應根據具體情況確定,如有困難可采用 20°;W為船只重(kN);

C1、C2分別為船只的彈性變形系數和墩臺的彈性變形系數,缺乏資料時可定 C1+C2=0.0005 m/kN。

(3)美國《公路橋梁設計規范》對于通航橋孔的橋墩,船舶對橋墩的正面撞擊力F為:

式中:V為船舶航行速度(m/s);

DWT為船舶重量(t).

(4)美國《公路橋梁船舶撞擊指導性規范》(AASHTO)對貨船、大型輪船等船舶等效靜態沖擊力按下式計算(即修正 Woison公式):

式中:Ps為靜態等效沖擊力(kN);

V為船舶碰撞時的速度(m/s);

DWT為船舶排水量(kN)。

(5)北歐公共道路管理局對在公共道路系統中的橋梁和渡輪的碰撞力計算公式為:

式中:D WT為船舶重量(t)。

除了以上經驗公式外還有沃辛碰撞理論[3]:1976年,德國學者沃辛根據保護核動力船舶的核反應堆在碰撞下的安全問題而進行了大量實驗,提出了沃辛經驗公式;Saul和Svensson等對沃辛經驗公式進行了修正,得到修正的沃辛公式;挪威公共道路局規定其公共道路系統橋梁和浮橋的碰撞荷載計算公式。

1.1.7 非線性有限元方法

以上對于船橋碰撞的常用工程計算方法中,考慮的因素比較簡單,主要是從沖量公式、能量公式等出發,根據經驗數據導出的計算方法,對工程應用具有一定的指導意義[8]。但這些經驗公式都沒有全面地考慮船舶、樁基、承臺、墩臺等的具體類型、結構、材料等因素的影響。而目前我國的交通基礎設施建設發展迅速,跨江甚至跨海大橋不斷興建,橋梁的結構形式不斷更新,同時船舶噸位和航速也不斷增加,因此,對于不同的船橋撞擊類型,僅采用傳統的工程公式計算,越來越難以滿足我國現代化建設的需要。

近年來隨著非線性有限元分析技術和計算機硬件系統的發展,船橋碰撞問題的計算有了新的突破。采用非線性有限元技術,對于不同類型的船橋碰撞問題可以較為精確地描述船舶和橋梁復雜的幾何形狀、材料本構、破壞損傷等信息,從而能夠得到更精確的結果,較傳統的經驗公式計算體現出了較大的優勢。

1.2 船橋相撞模型經驗規范公式法計算撞擊力結果的比較

一艘重為 237.7765 t(折合 2330.2097 kN)的船,行駛入江中,行駛速度為 11節(5.659 m/s),正面撞擊大橋橋墩。采用經驗公式法計算撞擊力。

(1)采用我國《公路橋涵設計規范》(1989)計算撞擊力得:

(2)采用我國《鐵路工程技術規范》(l 985)計算撞擊力得:

(3)采用美國《公路橋梁設計規范》計算撞擊力得:

(4)采用美國《公路橋梁船舶撞擊指導性規范》(AASHTO)計算撞擊力得:

(5)北歐公共道路管理局對在公共道路系統中的橋梁和渡輪的碰撞力.計算撞擊力得:

從以上的經驗公式的計算結果可以看出,美國規范計算的碰撞力結果是最大的,我國鐵路規范計算的結果是最小的,結果相差近 8倍。由此可以得出,美國的規范對于船橋碰撞力的計算是偏于安全的,而且這個力作為一個活載計算,安全富裕度高;我國的規范對于碰撞力的計算是比較粗糙的,而且只是作為一個偶然荷載進行計算,安全富裕度低;歐洲的規范計算結果和美國差不多。這也就可以解釋為什么我國的橋梁容易被撞斷,而美國、歐洲的橋梁抗撞擊能力強。這就使研究修正我國規范中碰撞力的計算公式,變得尤為重要。

2 橋梁防撞設施的研究與應用

采用橋梁防撞的目的是防止橋梁因船舶撞擊力超過橋墩的設計承受能力,保護橋梁結構安全。工程上通過采用不同型式的防撞設施,可以阻止船舶撞擊力傳到橋墩(或橋梁),或者通過緩沖消能防撞設施,延長船舶的撞擊時間,減小船舶撞擊力,從而最終保護橋梁安全。防撞設施的設計需要根據橋墩的自身抗撞能力、橋墩的位置、橋墩的外形、水流的速度、水位變化情況、通航船舶的類型、碰撞速度等因素進行設計。

2.1 防撞設施的性能要求

防撞設施一般應滿足如下要求[10]:

(1)吸能能力要大,但更重要的是將船的動能仍保留在船上,最新的辦法是防撞裝置將船頭撥歪,使船離開墩而不被鑲住,即不咬住船頭。

(2)防撞設施不能影響航道的通航,占用航道范圍盡量少。

(3)通過合理的結構形式、各種緩沖材料的布置,盡量減小通航船舶的損傷。

(4)防撞設施制造、安裝、維護和修理經濟性較好,現在一般可做到只占橋梁建設費用的 5%左右。

(5)防撞設施具有很好的可靠性和安全性。

(6)應適應水位變化的要求:枯水、洪水;漲潮、退潮。

(7)不因設置防撞裝置而增加新的問題,如回流沉積、妨礙捕撈養殖等。

2.2 防撞設施的設計原則

由于橋、船和防撞設施都是造價昂貴的工程建筑物,所以,對于設計防撞設施的目的和要求,是按照下列原則處理的。

(1)大橋的破壞后果最為嚴重,確保橋梁安全是防撞設施設計的首要目的,為了保證大橋的安全,即使防撞設施和船舶損壞,也是合理的、必要的。

(2)防撞設施的損壞是允許的,但應易于修復,以使大橋不失受保護狀態。

(3)船舶是碰撞事故的責任方,但船舶的沉沒也是極大的經濟損失,而且影響航道暢通,應予避免,所以,對船舶的保護在防撞設施的設計中也應給予必要的適度考慮,應避免沉船事故。

3 結束語

規范化的橋梁防撞研究在我國處于起步階段,不斷發生的船撞橋事故卻使這一課題研究越來越具有必要性和緊迫性。目前,建立統一的適用于實際的船橋碰撞規范研究是這一領域有待完善和今后發展的重點。此外,相關基礎學科,如船舶、橋墩的材料本構模型定義、船艙內壓載水影響、船橋碰撞力學等理論的不斷完善并應用于船-橋碰撞力學計算方法中,也可以進一步提高船撞橋的研究技術,相信非線性有限元技術的橋梁防撞研究技術將會在這一研究領域發揮更重要的作用。

[1]劉建成,顧永寧.船橋碰撞數值仿真[C]∥第 15屆全國橋梁學術會議論文集.上海:同濟大學出版社,2002

[2]孫霧.橋梁防撞設施數值仿真研究[D].上海:同濟大學,2005

[3]陳國虞,沈文瑋.船對橋墩的側撞力[C]∥第 15屆全國橋梁學術會議論文集.上海:同濟大學出版社,2002

[4]梁文娟,金允龍,陳高增.船舶與橋墩碰撞力計算及橋墩防撞[C]//第 14屆全國橋梁學術會議論文集.上海:同濟大學出版社,2000:566-571

[5]V.U.Minorsky An Analysis of ShipCollision to Protection of Nuclear Powered Plant[J].J.Ship Researeh,1959(1)

[6]Zhang Sheng ming,The Mechanics of shi pCollisions,[Dissertation],Denmark,Technical University of Denmark,1999

[7]Kinkead A.N.AMethod for Analyzing Cargo Protection Afforded by ship Struetures in Collisions and Its APP lieation to the LNG Carrler,RINA Transactions,1980:299-323

[8]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

[9]李雅寧.船一橋碰撞非線性有限元仿真研究[D].上海:上海交通大學,2003

[10]潘晉.船橋碰撞機理及橋墩防護裝置研究[D].武漢:武漢理工大學,2003

[11]顧永寧,胡志強,高震.船舶碰撞與觸底事故的數值仿真[J].上海交通大學學報,2003,37(8)

[12]吳衛國,姜河蓉,楊茨祥.橋墩防護裝置在船舶撞擊載荷作用下的動態響應分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2004,28(4):482-484

[13]戴彤字.橋梁船撞力實用計算方法[J].黑龍江交通科技,2003(1)

[14]元文果,金先龍,張曉云.沖擊 -接觸問題有限元仿真的并行計算[J].振動與沖擊,2006,25(4):68-72

[15]楊世殊,范眾斌.靠船樁船舶撞擊力的計算[J].湖南交通科技,2003(2)

[16]劉小虎,楊文兵,王乘,等.大橋受船撞擊災害的計算機評價方法[J].工程力學,2000,17(4):124-131