夾層結構曲面環形浮式橋墩防撞套箱碰撞分析

許薛軍，單成林

(1. 華南理工大學 土木與交通學院, 廣東 廣州 510640； 2. 廣東省路橋規劃研究中心,廣東 廣州 510635)

夾層結構曲面環形浮式橋墩防撞套箱碰撞分析

許薛軍1,2，單成林1?

(1. 華南理工大學 土木與交通學院, 廣東 廣州 510640； 2. 廣東省路橋規劃研究中心,廣東 廣州 510635)

針對船舶撞擊橋梁的安全問題，提出一種鋼-聚氨酯-鋼夾層板制作的新型曲面環形浮式橋墩防撞套箱.采用顯式動力瞬態非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了船舶撞擊橋墩的仿真模型，通過撞擊過程中船舶撞擊力和速度的變化，分析了船舶、防撞套箱、橡膠護舷、橋墩之間的能量轉換以及防撞套箱撞擊部位的受力和變形.研究表明：當防撞套箱受最不利撞擊時，夾層板曲面環形橋墩防撞套箱能吸收70%的船舶撞擊能量，且具有節省箱內加勁板及支架、構造簡單、質量輕等特點.本文提出的橋墩防撞套箱具有良好的抗沖擊性能和彈塑性能，為工程應用提供了理論依據.

橋梁工程；防撞設施；夾層結構；曲面套箱；碰撞分析

隨著內河航運的發展，船舶撞擊橋梁事件日益增多，橋梁的防撞研究引起了廣泛關注.目前，柱式橋墩的防撞裝置有多種，就浮式套箱橋墩防撞設施而言，大多采用鋼板制作的套箱、型鋼制作的桁架鋼圍套及多種材料制作的組合結構套箱等[1-3].這些防撞設施具有鋼材用量大、構造復雜、瞬時轉移撞擊能量差等不足.文獻表明，夾層聚氨酯鋼板易制作成弧形曲面，夾層板本身具有良好的抗沖擊性能，已廣泛應用于船舶維修[4-6].采用鋼-聚氨酯-鋼夾層板制作的懸浮式曲面環形橋墩防撞套箱，能大幅提升橋墩的防撞能力，與鋼套箱相比，節省了很多箱內加勁板及支架，構造簡單，質量輕[7].本文采用ANSYS/ LS-DYNA及LS-PREPOST 有限元分析軟件，考慮碰撞過程中材料非線性、幾何非線性、接觸非線性等因素，研究了鋼-聚氨酯-鋼夾層結構浮式曲面環形橋墩防撞套箱的動力碰撞性能，并用于廣東省清遠市陽山縣陽山橋橋墩防撞工程.

1 曲面環形橋墩防撞套箱構造

根據橋墩防撞特點、橋墩外形以及夾層聚氨酯鋼板的抗沖擊特點，本文設計的防撞套箱外形類似救生圈，如圖1所示.該防撞套箱套在橋墩柱上，懸浮在水面上，可自由轉動，有利于瞬時改變撞擊方向，有效轉移船舶的撞擊能，從而使橋墩免受正面撞擊.考慮到船頭高度及有利于消能，套箱的截面形式做成橢圓形，如圖2所示.按照陽山大橋橋墩尺寸和通航等級，經試算，防撞套箱內直徑1.7 m，外直徑4.7 m，套箱與直徑1.5 m混凝土墩柱間設置100 mm的間隙，以便在套箱內側固定厚度小于間隙的橡膠護舷墊塊.套箱的橢圓截面長軸2.5 m，短軸1.5 m；鋼-聚氨酯-鋼夾層板的厚度組合為8 mm-60 mm-6 mm.

圖1 曲面環形橋墩防撞套箱構造

圖2 鋼-聚氨酯-鋼夾層板防撞套箱截面構造

為施工方便，防撞套箱可分為4個對稱構件(圖1未標識接頭)加工制作，每個構件由若干塊曲面板拼焊而成，構件的鋼板內表面經噴砂粗糙及除銹處理后，灌注聚氨酯芯層，再運抵現場拼裝.

2 建立撞擊仿真模型

船舶撞擊橋墩是一個瞬態的沖擊過程, 防撞套箱上的碰撞區域在很短的時間內發生彈塑變形，如屈曲、凹陷、褶皺和撕裂[8].本文采用有限元仿真分析方法模擬船舶撞擊橋墩，用ANSYS/LS-DYNA有限元計算軟件模擬計算懸浮防撞套箱、橋墩、船舶三者的受力和變形[9-11]，并考慮了幾何非線性、材料非線性和接觸非線性.本文提出的防撞套箱是一種新的夾層材料防撞結構，研究的主要目的是探討其具有共性的基本防撞性能，為實際工程應用提供理論支撐.具體的橋墩防撞應用，需結合船體和橋墩的實際情況進行定量分析.基于此，建立有限元計算模型時做了以下簡化：

1)本文重點研究夾層板曲面環形橋墩防撞套箱的防撞性能，不考慮船體變形破壞吸收的能量，用質量塊剛體撞擊模擬船舶撞擊；

2)船舶撞擊防撞套箱時，不考慮橋梁上部結構的動力響應對能量的轉移吸收；

3)在撞擊過程中，水介質吸收的能量等效為一定的附加水質量[12].

2.1 模型材料參數

根據相關文獻，聚氨酯、鋼板、橋墩混凝土的參數見表1.

此外，聚氨酯的沖擊強度為24 kJ/m2,非線性剪切應力參數為0.

橡膠護舷材料為丁苯橡膠SBR，計算模擬材料為非線性Mooney-Rivlin不可壓縮彈性橡膠，有關參數為：重力密度12 kN/m3，泊松比為0.48，拉伸強度為20.5 MPa，伸長率為100%～700% ，使用溫度為-60～100 ℃，彈性模量為7 MPa.

表1 模型材料參數

2.2 有限元模型及計算

計算模型采用控制單元邊長的方法來建立有限元單位網格，但進一步細分了墩柱與套箱接觸部位的單元網格，模型中單元網格的最小特征長度約為120 mm.

采用ANSYS/ LS-DYNA中提供的3維顯式單元劃分算法，橋墩及防撞結構共劃分為37 909個單元，其中曲面套箱夾層板采用Belgtschko-Tsag單點積分的殼單元算法和薄殼空間SHELL163單元，共12 709個，墩柱混凝土及橡膠護舷采用單節點積分算法和SOLID164單元，共25 200個.套箱與墩柱之間設置橡膠護舷，護舷與墩柱單元劃分一致，采用共用節點固接.由于套箱接觸面為曲面，以致護舷與套箱的連接節點不完全重合，本文采用ANSYS軟件中CPTINF命令，將護舷與套箱接觸面上節點轉化為耦合連接.由于主要研究對象為套箱，設墩柱頂自由，墩柱底固結.計算模型如圖3所示.

該計算模型不考慮船體在碰撞過程中的能量消耗，假設船體為剛性體單元，幾何尺寸為1.5 m×1.5 m×2.0 m.碰撞體的質量和剛度一定時，撞擊力的大小主要取決于碰撞速度[13].按照《公路橋涵設計通用規范(JTG D60-2004)》， 100 t級船舶的運行速度在8～11 km/h之間，本文取碰撞體的初速度為2.6 m/s.

接觸模擬是碰撞計算分析的關鍵，直接影響計算結果.本仿真模型計算采用面-面接觸式碰撞，船舶的撞擊面為主面，其上的節點為主節點，防撞套箱上的節點為從節點，接觸算法采用對稱罰函數.碰撞過程中，船舶剛體與鋼套箱表面、套箱內側與橡膠護舷、橡膠護舷與墩柱壁之間均存在摩擦.摩擦因數隨著潤滑條件的不同變化很大，且在變形的彈性階段，隨著壓力增大而增大，在變形的塑性階段，變化非常復雜，一般在0.03～0.45之間.考慮到摩擦能量的損失并不大，本計算假設靜動摩擦因數均等于0.15，不考慮碰撞過程中壓力變化影響.本文計算采用船體質量5%的附加水質量，作為流水介質對動力的影響.有限元模型計算中，重點分析夾層結構的曲面環形套箱的撞擊性能，橋墩柱底固結，不考慮船體和橋梁上部結構轉移吸收的能量.

圖3 模擬碰撞體系有限元計算模型

3 套箱撞擊性能分析

3.1 撞擊力的變化分析

本文采用LS-PREPOST有限元軟件進行數據處理分析，模擬了100 t船舶以2.6 m/s的速度正面撞擊曲面環形橋墩防撞套箱中部.撞擊過程中，碰撞力隨時間的變化曲線如圖4所示.

時間/s

從圖4中看出，碰撞力隨著時間的變化呈現出很強的非線性特征.在碰撞初期，船舶撞擊力很小，船舶動能正在轉化為碰撞能，套箱僅在接觸點附近發生變形.大約在t=0.015 s時，船舶的瞬間碰撞力急劇增大，并達到最大值約2.8 MN，隨后套箱產生擠壓變形，約在t=0.050 s時，船體的撞擊力小于碰撞反作用力，撞擊波向整個防撞系統擴散，撞擊能轉換成防撞系統的變形能.大約在t=0.092 s時，船舶撞擊力達到第二個峰值約1.25 MN，但遠小于前一次撞擊力，說明防撞套箱的變形有效地抵抗了船舶撞擊.

在碰撞過程中，船舶的碰撞力出現了不同程度的非線性跳躍，表示應力-應變波的傳播使防撞套箱某部分夾層板結構有效地參與到防撞工作中或者局部夾層板發生了失效或破壞.

3.2 船舶速度分析

船舶碰撞的初始速度為2.6 m/s，船舶撞擊速度隨時間的變化如圖5所示.

時間/s

從圖5看出：碰撞過程中船舶速度總體在逐漸下降，但速度變化與時間呈現出非線性特點.在t=0.120 s時，船速降至零，開始脫離防撞套箱，從圖4可知此時船舶的碰撞力約為0.65 MN.此后，船舶受撞擊反作用力，開始反向運動，防撞套箱的變形開始部分回彈.在t=0.200 s時，船舶完全脫離防撞套箱并以反向運動，速度約為-1.05 m/s.

3.3 能量轉換分析

撞擊過程中，船舶的撞擊動能及附加水質量提供的動能將轉化為防撞套箱、橡膠護舷、墩柱的彈塑性變形能和構件之間摩擦引起的熱能損失，以及船舶本身的彈塑性變形能等.計算程序自動記錄生成了船舶、套箱、橡膠護舷和橋墩4構件的受力和能量吸收過程.船舶撞擊動能隨時間的變化如圖6所示.

時間/s

圖6反映了船舶在碰撞過程中的動能變化關系.船舶初始動能為0.338 MJ，隨后迅速下降，在t=0.040 s時，船舶動能下降至0.05 MJ，大部分的船舶動能已迅速轉換為撞擊能，隨后船舶動能轉換減慢.在t=0.120 s時，船速接近零，船舶動能也趨于零，船舶開始反向運動，在t=0.200 s時，船舶反向行駛動能約0.05 MJ.可以看出，在碰撞初始的0.030 s內，約80%的船舶動能迅速轉換為撞擊能，隨后轉換平穩.

防撞套箱變形能隨時間的變化如圖7所示.

時間/s

圖7表明，在t≤0.150 s時，防撞套箱吸收的變形能變化不大，約為0.06 MJ；隨后迅速增加，在t=0.200 s時，防撞套箱吸收的變形能達0.237 MJ，占船舶撞擊初始動能的70%，也就是說，曲面環形防撞套箱吸收了大部分撞擊能量，對橋墩起到了較好的保護作用.

橡膠護舷變形能隨時間的變化如圖8所示.

圖8表明，橡膠護舷吸收的撞擊能滯后于防撞套箱，t=0.140 s時達到最大值約為1.7 kJ，隨后緩慢減小.

時間/s

橋墩的變形能隨時間的變化如圖9所示.

時間/s

從圖9可以看出，橋墩承受的船舶撞擊能又滯后于橡膠護舷，時程曲線的形狀與撞擊力的變化一致，出現了兩個峰值.大約在t=0.030 s時，橋墩開始承受撞擊能，并迅速增大，在t=0.070 s時，橋墩承受的撞擊能達到最大值約1.04 kJ，之后又迅速降低；在t=0.120 s時，橋墩承受的撞擊能最小，船速降至零，之后在套箱變形擠壓作用下，承受少量的套箱變形能.

從能量轉換過程可以看出，船舶最初的撞擊動能為0.338 MJ，最后殘余動能約占撞擊動能的7.4%，防撞套箱吸收或轉移的動能約占70%，橡膠護舷吸收的動能大多轉移到橋墩上，約占撞擊動能的0.5%，碰撞損失能量如船體變形破壞或水介質吸收的能量，占撞擊動能的22%.可見，本文研究設計的鋼-聚氨酯-鋼夾層板曲面環形浮式防撞套箱能有效吸收或轉移船舶的撞擊能，在船舶撞擊橋墩時，能起到較好的保護作用.

3.4 防撞套箱撞擊點的變形分析

圖10反映了撞擊過程中，防撞套箱撞擊點的位移變化.在t=0.015 s時，撞擊點的深度變形為35 mm，對應船舶撞擊力為第一個峰值. 在t=0.092 s時，撞擊點的深度變形為150 mm，對應船舶撞擊力為第二個峰值.在t=0.120 s時，撞擊點的深度變形達到最大值，為170 mm，此時對應的船速為零，隨后撞擊點的位移開始逐漸減小.在t=0.200 s時，撞擊點的深度變形為95 mm，船舶反向運行.圖10表明，船舶在撞擊過程中，防撞套箱變形分為彈性變形和材料失效塑性變形，彈性變形在船舶脫離防撞套箱時逐漸回復，材料失效的塑性變形則不可恢復.

時間/s

上述研究中，船舶是正碰撞防撞套箱(最不利碰撞)，曲面形的防撞套箱更容易拔開船頭方向，使船舶與撞擊點形成一定的空間角度，將正碰撞轉化為斜碰撞，體現出曲面環形防撞套箱的優勢.船舶撞擊橋墩的研究適合采用有限元計算分析或試驗分析方法，本文主要進行了動力碰撞數值計算分析，其他研究，如防撞箱各種參數變化對防撞性能的影響等將另作討論.

4 工程應用

本文研究的曲面環形浮式橋墩防撞套箱已成功應用于廣東省清遠市陽山縣陽山橋的橋墩防撞工程．防撞套箱懸浮于水面上，防止船舶直接撞擊橋墩.該橋全長227 m，主橋上部結構為4×40 m簡支梁，下部結構為1.5 m的雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎.橋位處河道寬180 m，內河六級航道，船舶噸級100 t，年水位差在5 m左右，低水位時通航孔梁底高出水面約10 m.工程應用效果如圖11所示.

圖11 陽山橋橋墩防撞工程應用

5 結 論

實際工程中，撞擊力是根據航道等級、船舶噸位等效為靜力作用進行計算的.本文提出的橋墩防撞套箱是一種新的夾層材料防撞結構，采用動力碰撞來分析和評價碰撞過程中各部件的受力性能及防撞效果是十分必要的.本文研究得出如下結論：

1) 船舶撞擊曲面環形防撞套箱的過程中，船舶的撞擊力出現了不同程度的非線性跳躍，表明防撞套箱在擠壓、回彈變形中有效地吸收或轉移了船舶的撞擊能量.

2) 撞擊過程中，船速為零時防撞套箱撞擊點的變形最大為170 mm，船舶反向運動時，撞擊點的變形恢復到95 mm，說明鋼-聚氨酯-鋼夾層板制作的曲面環形套箱有較好的彈性變形能力，容易吸收和轉移撞擊能量.

3) 能量轉換分析表明，防撞套箱吸收了70%的船舶撞擊能量，墩柱及橡膠護舷等吸收能量很少.

4) 文中提出的鋼-聚氨酯-鋼夾層板曲面環形浮式防撞套箱能更好地發揮夾層結構及曲面結構的抗沖擊性能和彈塑變形性能，較好地保護橋墩.

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Impact Analysis of the Bridge Pier Anti-collision Floating Box Sets Made by Sandwich Structure with Curved-shaped

XU Xue-jun1,2, SHAN Cheng-lin1?

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China Univ of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China;2. Center of Research and Planning for Roads and Bridges of Guangdong Province, Guangzhou, Guangdong 510635, China)

To improve the crashworthiness of bridge piers，a new type of annular anti-collision box with curved-shaped made by steel-polyurethane-steel sandwich plate was proposed. Using the ANSYS / LS-DYNA software with explicit dynamic transient nonlinear, the simulation model of ship collision with pier was established. This paper analyzes the energy conversion between the ship, the anti-collision box, the rubber fender and the pier with the changes of the impact force and the speed of the ship in impact process. It also analyzed the stress and deformation of impact parts of anti-collision box. The results show that the bridge pier's annular anti-collision box with curved-shaped made by the sandwich plate can absorb 70% of the ship impact energy when the anti-collision box is unfavorably impacted, and that the anti-collision box has a saving stiffening plates and brackets, simple structure, and light weight. The study not only shows that the anti-collision box can fully play the impact property and excellent elastoplastic property of the sandwich plate itself, but also provides a theoretical basis for its engineering application.

bridge engineering; cushioning facilities; sandwich structure; curved-shaped box; impact analysis

1674-2974(2015)03-0106-06

2014-07-24

國家自然科學基金資助項目(51278201), National Natural Science Foundation of China(51278201)；廣東省交通運輸廳科技項目(粵交科2012-02-021，2011-02-042)；廣東省公路管理局科技項目(粵公研2011-28)

許薛軍(1977-)，男，河北石家莊人，華南理工大學博士

?通訊聯系人，E-mail:shanchenglin@163.com

U443.26

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