靠船墩船舶撞擊力計算方法及影響因素研究

李亮亮　高羽末

摘 要：以江蘇某船閘靠船墩結構實際工程為例，本文研究采用大型有限元分析軟件ABAQUS中的Explicit模塊，建立了船舶、靠船墩及地基土的三維有限元模型，模擬了船舶在不同影響因素條件下撞擊靠船墩的瞬態過程，得到了不同工況下的撞擊力變化規律。研究表明：撞擊力與船舶質量的0.5次方成正比，與速度的1次方成正比，與撞擊角度近似呈正弦關系。研究表明：三維有限單元方法可以對船舶撞擊靠船墩的問題進行準確模擬。

關鍵詞：靠船墩 船舶撞擊力 影響因素 計算公式

靠船墩是船閘結構中供等待過閘的船舶臨時停靠所用的重要水工建筑物，直接承受船舶停靠時的反復撞擊作用。靠船墩結構的安全將直接影響到船閘的通過能力和船舶通航的安全，有必要對船閘靠船墩撞擊荷載開展深入的研究。

靠船墩在船舶的撞擊作用下將可能發生不同程度的損壞，如泗陽雙線船閘個別靠船墩整體倒塌等，嚴重影響了正常通航。為合理的設計靠船墩結構，近年來國內學者對船舶撞擊力的取值進行了相關的研究。大多數研究將船舶撞擊力作為一個靜力荷載處理。但是船舶的撞擊作用實際上是一種短暫、局部的非線性力，故船舶撞擊力的研究應該基于動力分析而開展的研究。

大型有限元分析軟件ABAQUS/Explicit模擬船舶撞擊靠船墩的瞬態過程，該軟件不僅可以很好的描述船舶與靠船墩接觸前、接觸中以及分離以后的各個時刻的狀態響應，還可以得出撞擊力在撞擊過程各個時刻的變化，功能非常強大。建立三維瞬態動力模型后，繼而分析撞擊力的影響因素，確定靠船墩撞擊力的合理取值，為船閘靠船墩結構的設計提供參考。

數值模型建立

依據江蘇某船閘的實際工程結構尺寸來建立有限單元模型，如圖1所示。計算體系由土體、靠船墩和船舶三個部分共同組成，其中土體與靠船墩之間設置面面接觸；船體與靠船墩之間設置面面接觸，模型共計65367個節點54520個單元，各個部分的尺寸如下：

土體：平面尺寸21m*18m，高度方向10m。

靠船墩：平面尺寸6m*5m，高度方向10m。

船舶：平面尺寸55m*10m，高度方向3.5m。

計算結果驗證

為了驗證計算結果與實際碰撞力之間的吻合度，本文采用現場實驗結果進行驗證，現場實驗在鹽邵船閘下游某靠船墩處采用船舶撞擊力動態測試系統進行了現場碰撞試驗，碰撞力測量裝置和測速桿安裝圖如圖2所示，實驗條件為600t船舶，初速度3.8cm/s，撞擊角度為90°撞擊靠船墩。最終通過儀器測得試驗撞擊力峰值為578.82kN。

依托上述現場試驗資料的靠船墩、通航船舶的實際尺寸，建立有限元模型，通過有限元仿真計算得到最大撞擊力為566.7kN，結果對比如表1所示。由表中可知，現場試驗與有限元仿真得到的撞擊力值誤差在5%之內，結果表明，本文的有限元模型合理可行。

影響因素分析

影響船舶撞擊力的因素主要包括船舶噸位、船舶樁基初速度以及船舶撞擊角度，因此本節從這三個方面進行研究。首先，本文研究在90°正向撞擊作用下，初速度和船舶噸位對撞擊力的影響。研究中考慮船舶噸位分別取為100、300、500、1000、2000、3000的情況，并對每一種噸位下考慮撞擊初速度為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m/s條件下的平均撞擊力，計算結果如下表2所示。

計算結果繪制于圖3中可以看到撞擊力隨著質量的變化趨勢以及撞擊力隨著速度的變化趨勢。從圖中可以看到：撞擊力隨著初速度呈現較為明顯的線性關系，而撞擊力隨著船舶質量呈現一定的非線性關系。為了使得計算結果能夠在工程設計中便于使用，本文采用一定形式的函數來描述撞擊力隨著質量以及初速度的變化規律。這里假定：

通過對表2中數據的回歸可以得到：a1=0.5，a2=1.0是上式的最大似然估計。

同樣的，為了考慮撞擊角度對船舶撞擊力的影響本文計算了15、30、45、60、75、90°下的撞擊力平均值，計算結果如表3所示。

將表中計算結果繪制于圖4中可以看到撞擊力隨著撞擊角度的變化趨勢。從圖中可以看到：撞擊力隨著角度呈現較為明顯的線性關系，考慮到角度變量的特殊性，本文采用正弦函數對角度變量進行擬合，擬合得到的結果如圖4中實線所示，可以看到，正弦函數基本能夠反應角度對撞擊力的影響特性。

由上述分析，本文采用如下形式的函數來描述撞擊力隨著質量、初速度以及撞擊角度的變化規律：

通過對表2和表3中數據的回歸可以得到：是上式的最大似然估計。

結語

本文采用顯式有限元算法，基于ABAQUS/EXPLICIT軟件，以重力式靠船墩為例對船閘結構設計中的船舶撞擊力計算荷載的影響因素進行了研究，研究表明：撞擊力與船舶質量、撞擊初速度以及撞擊角度三者之間的擬合函數關系式為。該公式以及本文所采用的研究方法可以為類似工程提供參考，以及理論基礎。

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（作者單位：中交上海航道勘察設計研究院有限公司）endprint