橋梁防撞設計中船舶撞擊力計算方法分析

許富琳，陳立新

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060）

橋梁防撞設計中船舶撞擊力計算方法分析

許富琳，陳立新

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060）

介紹了理論公式計算、碰撞試驗和有限元仿真分析3種目前常用的船舶-橋梁撞擊力計算分析方法；以北江航道擴能升級工程中的白土大橋為例，對比分析了中國公路、鐵路規范和歐美規范中所推薦的撞擊力公式的計算結果，分析了理論計算公式的局限性，探討了有限元仿真分析應用于撞擊力計算的優越性，為橋梁防撞設計提供參考。

橋梁；防撞設計；船舶撞擊力；有限元仿真分析

隨著公路、水運事業的發展，越來越多的跨越航道的橋梁投入使用，船舶數量、噸位和航速不斷增加，船舶與橋梁相撞事故時常發生，造成巨大人員、經濟、社會、環境等方面的損失。JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》明確規定航道內可能遭受大型船舶撞擊的橋墩應進行防撞設計。

船舶撞擊力的確定是防撞設計的首要環節和基礎，船舶撞擊力選取是否恰當，直接影響橋梁結構的安全性和防撞方案的經濟性。由于船舶與橋梁結構的碰撞過程十分復雜，與碰撞時的環境（風浪、氣候、水流等）、船舶特性（船舶類型、尺寸、行進速度、裝載情況及船首、船殼的強度與剛度等）、橋梁結構（構件尺寸、形狀、材料、質量和抗力特性等）及駕駛員的反應時間等因素有關，要確定船舶對橋梁的撞擊力非常困難。現有設計規范涉及橋梁-船舶撞擊力的內容不多，且國內外雖然對船舶撞擊有一定研究，但由于撞擊過程是一個復雜的力學問題，采用不同的分析方法，計算結果相差較大，導致撞擊力的取值在工程設計中存在較大困難。

1 船舶-橋梁撞擊力計算方法

目前國內外常用的船舶-橋梁撞擊力計算方法有理論公式、碰撞試驗和有限元仿真分析。

1.1 理論公式

包括中國公路、鐵路規范在內，世界上不同組織提出了數十種船舶撞擊力的經驗公式。這些公式計算快捷、簡便，但它們是在特定的船型、速度和角度等撞擊情況下通過統計數據得來的，通常存在一定的局限性，導致計算結果與實際撞擊情況有較大差別，而且采用不同的公式，計算結果也不盡相同。

較常用的船舶撞擊力計算公式有4種：1）JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》取消了1～3級航道撞擊作用的推薦設計值，參考漂流物的撞擊公式［見式（1）］計算船舶撞擊力；2）TB 10002.1-2005《鐵路橋涵設計基本規范》中的撞擊力計算公式［見式（2）］；3）AASHTO1994《美國公路橋梁設計規范》中的船舶撞擊力計算公式［見式（3）］；4）國際橋梁和結構工程協會（IABSE）采用的索爾-諾特-格林納計算公式［見式（4）］。

式中：W為船舶重量（k N）；v為撞擊速度（m／s）；T為撞擊時間（s）；γ為動能折減系數；α為船只與橋梁撞擊點處切線所成的夾角；C1、C2為船舶和墩臺的彈性變形系數（m／k N）；DWT為船舶噸位（t）；Dact為船撞擊時排水量（t）；Dmax為船滿載時排水量（t）。

上述計算公式中考慮的因素不盡相同（見表1），具有以下特點：1）都是從能量理論、試驗研究、數值計算三方面推導出的；2）都與船舶的航行速度和船舶重量有關；3）均認為船舷與被撞結構發生全接觸，未考慮被撞結構尺度、形狀對于撞擊力的影響；4）在特定假設條件下推出，在使用上均有一定的局限性。

1.2 碰撞試驗

從20世紀80年代初開始，世界各國開始進行船舶碰撞試驗，通過一系列碰撞模型試驗得到結構損傷變形、沖擊力歷程和能量交換過程，進而驗證理論計算結果與試驗結果的符合程度。結果表明：船舶撞擊力與結構變形之間存在非常復雜的關系，具有很強的非線性特征。碰撞試驗的優點：由于船舶碰撞現象表現為強非線性，許多細節無法用理論模型來表達，通過模型試驗可從中獲取可靠數據，認識碰撞過程中的各種影響因素。缺點：由于模型試驗費用昂貴，試驗周期長且普遍適用性差，在工程中對每座橋梁進行模型試驗顯然是不切實際的。

表1 各規范船舶撞擊力計算中考慮的因素

1.3 有限元仿真分析

隨著計算機在運算速度、內存容量和圖形功能等方面的發展，軟件技術不斷推陳出新，目前已成功開發了許多非線性有限元仿真軟件，如ANSYS／LS -DYNA、ABAQUS、MSC／DYTRAN和MARC等，運用這些仿真軟件可完成船舶-橋梁碰撞的計算。在模擬準確的情況下，通過有限元仿真計算結果與碰撞試驗結果的對比，仿真分析結果準確、可靠。因此，有限元仿真分析越來越受到青睞。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

以北江（韶關—烏石）航道擴能升級工程中的白土大橋為例，對船舶-橋梁撞擊力理論公式計算結果與有限元數值分析結果進行對比分析。

白土大橋是一座空腹式梁拱組合結構橋梁，采用實體式橋墩。航道整治后，北江航道等級由五級提升為三級，通航船舶噸位從300 t提升為1 000 t，船型尺寸、船舶噸位提升顯著，且船舶通航流量大幅增加，導致橋梁被船舶撞擊的風險加大。而白土大橋建成時間較早，設計標準較低，不能滿足1 000 t船舶的撞擊，需增設防撞設施。在確定防撞設施方案、尺寸之前，需確定船舶與橋梁的撞擊力。

根據航道現狀和總體規劃，北江航道的設計代表船型為1 000 t級內河干貨船和1 000 t級多用途集裝箱船，船型尺寸見表2。

表2 北江航道設計代表船型的尺寸m

選取代表船型中尺寸大的1 000 t級內河干貨船作為設計計算船型，該船型的三維視景見圖1。

圖11 000 t級干貨船的三維視景

2.2 船舶-橋梁撞擊力計算

2.2.1 理論公式計算

假設1 000 t級內河干貨船在3 m／s的航行速度下以90°正面撞擊橋梁，運用上述4種規范中的撞擊力公式進行計算，結果見表3。

表31 000 t船舶撞擊力計算結果 MN

由表3可看出：采用AASHTO1994規范和歐洲IABSE規范中的公式計算的船舶撞擊力相近，與中國兩規范公式的計算結果相比偏大。由于各種規范采用的是根據各自研究成果形成的經驗公式，而實際情況下航行的船舶類型、主尺度離散性很大，橋墩形式也有很大差別，運用經驗公式進行計算所得的結果常與實際有較大差距。

2.2.2 有限元仿真分析

采用通用非線性有限元軟件ANSYS／LS-DYNA建立包括船體和橋墩兩部分的有限元模型，船舶分別采用梁單元、桿單元及殼單元模擬，橋墩采用實體單元模擬。船首部位采用Plastic Kinematic材料模型，橋墩采用ELASTIC材料模型，其余部位采用ELASTIC材料模型。計算模型見圖2。通過計算分析，得到船舶撞擊過程中的時間-碰撞力曲線（見圖3）。

圖2 船舶-橋梁撞擊有限元模型

圖3 船舶撞擊過程中的時間-碰撞力曲線

由圖3可看出：撞擊過程中，船舶瞬時撞擊力峰值為7.41 MN，比采用中國規范公式計算的數值偏大，介于中國規范與歐美規范理論計算值之間。有限元仿真分析考慮了船舶與橋梁的材料、尺寸及碰撞時的結構變形等因素，其精度比理論公式更高。

3 結語

下的一種復雜非線性動態響應過程，涉及多門學科，很難建立一個精確的數學模型使之完全解析，而實體碰撞試驗研究耗資巨大難以付諸實施。隨著數值計算方法的改進和計算機硬件設備的提高，采用有限元仿真模型進行船舶-橋梁虛擬碰撞試驗成為可能。通過理論公式、模型試驗、有限元分析結果對比，在模擬準確的情況下，有限元分析結果與模型試驗結果基本接近，計算精度能滿足工程設計需要，而理論公式計算結果與模型試驗結果差距較大。因此，有限元數值仿真分析必將成為計算船舶-橋梁撞擊力的首選方法，并在工程實踐中得到越來越廣泛的應用。

［1］ JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范［S］.

［2］ 國際橋梁和結構工程協會（IABSE）.交通船只與橋梁結構的相互影響（綜述與指南）［R］.國際橋梁和結構工程協會，1991.

［3］ AASHTO1994，美國公路橋梁設計規范［S］.

［4］ 李雅寧.船橋碰撞的非線性有限元仿真研究［D］.上海：上海交通大學，2000.

［5］ 陳國虞.關于船對橋墩的正撞力［A］.第15屆全國橋梁學術會議論文集［C］.上海：同濟大學出版社，2002.

［6］ 姜河蓉.船和橋墩防撞裝置碰撞仿真模擬研究［D］.武漢：武漢理工大學，2004.

［7］ 涂紅軒.橋墩撞擊力計算方法及應用［J］.公路交通科技：應用技術版，2008（2）.

［8］ 段敏，王銀輝，袁偉東.船舶撞擊橋梁分析方法探討［J］.公路與汽運，2015（6）.

［9］ 張峰.跨海大橋橋墩防撞技術［D］.上海：同濟大學，2007.

由于船舶與橋梁的碰撞是在瞬間巨大荷載作用

U442.5

A

1671-2668（2016）06-0162-03

2016-05-25