基于非線性數值模擬的橋梁船撞力主要影響因素研究

王紅梅

【摘 要】船舶的碰撞載荷是橋梁設計的重要控制數據之一。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對船舶與帶FRP防撞浮箱的橋墩碰撞過程進行數值模擬，分析船舶在各種工況下的撞擊力時間歷程，討論船舶撞擊速度、船舶質量、船舶撞擊角度等主要因素對橋梁船撞力的影響，得到船撞力與各影響因素之間的內在規律。

【關鍵詞】船橋碰撞；數值模擬；船撞力

中圖分類號： U441 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0155-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.075

【Abstract】The collision load of ship is one of the important control data of bridge design. In this paper， ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software is used to simulate the collision process between ship and pier with FRP anti-collision floating box. This paper analyzes the time history of ship collision force under various working conditions， discusses the influence of ship collision speed， ship mass and ship collision angle on bridge ship collision force， and obtains the internal law between ship collision force and various influencing factors.

【Key words】Ship-bridge collision； Numerical simulation； Ship collision force

0 引言

船橋碰撞理論涉及諸多因素，比如船舶類型、航行速度、撞擊角度、航道水深、流速以及潮汐變化、橋墩外形、墩基穩定性等。而船舶的撞擊力主要跟船舶質量、船舶撞擊速度、船舶撞擊角度、船舶撞擊位置、承臺形狀等因素有關，由于船舶的碰撞載荷是橋梁設計的重要控制數據之一，目前雖然有相當多的經驗公式可以來估算一定噸位船舶對橋墩的撞擊力，但是其參數簡單，不能描述船首結構的細節。而利用非線性有限元軟件，通過對碰撞過程的數值模擬，是目前獲得船舶撞擊力的最佳和最準確的方法。

FRP防撞浮箱是應用于重慶市嘉陵江黃花園大橋的橋墩防船撞裝置。為研究影響橋梁船撞力的主要因素，本文特選取船舶撞擊速度、船舶質量、船舶撞擊角度三個因素，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對船舶與帶FRP防撞浮箱的橋墩碰撞過程進行數值模擬，通過分析船舶在各種工況下的撞擊力時間歷程，來分析這三個因素對橋梁船撞力大小的影響，從而得到船撞力與各影響因素之間的內在規律[1]。

1 有限元模型

重慶交通科研設計院作出的《嘉陵江黃花園大橋船撞風險分析咨詢報告》[2]中指出，嘉陵江黃花園大橋船撞風險主要來自于1號和2號橋墩，其中2號橋墩船撞風險較大。黃花園大橋船舶上下水航速均為正態分布，船舶逆流航速集中在1～5m/s之間，船舶順流航速集中在5～8m/s之間。黃花園大橋船舶偏航角同樣服從正態分布，船舶的偏航角集中在8°～22°之間。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件進行數值模擬計算，建立一艘2000t散貨船、2號橋墩、FRP防撞浮箱的有限元模型，見圖1。

2 橋梁船撞力主要影響因素分析

2.1 船舶撞擊速度的影響

考慮船舶與FRP防撞浮箱正撞的情況，選用一艘2000t的散貨船為計算對象，流體對船體的作用以附加質量來表示，縱向附連水質量取5%的船體質量，通過調整船舶的密度來實現。船舶的初始速度分別為3m/s、5m/s、8m/s，數值模擬結果見圖2～4。

從數值模擬結果中可以看出，船舶撞擊力的峰值隨著船舶撞擊速度的增加而增大，當速度分別為3m/s、5m/s、8m/s時，對應的峰值分別為10.1MN、16MN、27.5MN。速度的比值為1：1.67：2.67，對應的船舶最大撞擊力的比值為1：1.58：2.72，兩者比較接近，則可以近似地認為船舶撞擊速度與船舶撞擊力峰值之間具有線性關系。圖5給出了船舶撞擊力峰值與船舶撞擊速度之間的關系，可以觀察到撞擊力峰值與船舶撞擊速度基本呈現線性關系[3]。

根據數值模擬的計算結果，可以認為船撞力的峰值和船舶撞擊速度之間呈現線性關系[3]。但在進行橋梁船撞設計時，選用的設計船撞力往往不是這個峰值，通常是在某個時域內的平均力[4]，而這個力和速度之間是否呈現線性關系，還需要進一步研究[3]。

2.2 船舶質量的影響

考慮船舶正撞FRP防撞浮箱的情況，按比例調整船體的所有材料的密度，使船舶的質量改變為1000t、2000t、3000t，附連水質量均取5%的船體質量來表示流體的影響，船舶的撞擊速度取3m/s，其他參數均保持不變。數值模擬結果見圖6～8。

在這里，歐洲規范公式規定了船舶的撞擊力與船舶質量的平方根成正比，因此本次的數值模擬計算結果也驗證了這一點。

2.3 船舶撞擊角度的影響

船撞橋機理相對復雜，撞擊位置或撞擊角的輕微變化就可能導致撞擊后果發生顯著的變化。因此，目前國內外在計算船撞橋撞擊力時，都考慮了撞擊角度的影響。偏航角是指船舶軸線與航道方向之間的夾角，本文是指船舶在橋梁附近因偏航撞擊橋梁下部結構時的偏航角度，而撞擊角是指發生撞擊時船舶軸線方向與結構物撞擊面所成的角度。當橋梁下部結構幾何形狀和相對航道位置確定之后，撞擊角大小取決于船舶偏航角度。因此，研究撞擊角度的分布，本質上應研究偏航角度的分布。

本文研究的船舶撞擊角度是指船舶航行的方向與橋墩的法線之間的夾角，依據重慶交通科研設計院所作出的《嘉陵江黃花園大橋船撞風險分析咨詢報告》，正撞時，船舶的航行方向與橋墩的法線之間的夾角為0°。為方便研究，將FRP防撞浮箱模型旋轉了8°角和22°角，則可認為船舶的航行方向就與橋墩法線分別成8°角和22°角，船舶質量取2000t，船舶撞擊速度取3m/s，數值模擬計算結果見圖10～12。

從上圖可以看出，當船舶正撞、8°夾角、22°夾角撞擊FRP防撞浮箱時，其對應的船舶最大撞擊力分別為10.1MN、15MN、14.9MN。隨著船舶撞擊角度的增加，碰撞的持續時間在減小，但船舶撞擊力的峰值并沒有呈現一定的規律。正撞的時候碰撞時間最長，22°時碰撞的持續時間最短。這是因為角度越大，船舶沿橋墩法線方向的速度分量就越小。當船舶斜向撞擊FRP防撞浮箱時，沿橋墩法線方向的速度變為零或者變為反方向時，船舶就會與FRP防撞浮箱脫離，所以沿橋墩法線方向的速度越小，船舶脫離FRP防撞浮箱所用的時間就會越少，那么碰撞持續的時間也就越短。但由于碰撞問題的復雜性，涉及的方面比較多，單從以上的算例并不能得出一定的規律，還需要更多的算例，進行統計分析，繼而進行更深一步的研究。現有的規范中對于船舶撞擊角度對船撞力的影響的規定并不多，我國的鐵路橋規[5]將船舶撞擊角度的影響定義為取其夾角正弦值作為因子，計入船舶撞擊力中。

3 結論

本文通過數值模擬分析來研究船舶撞擊速度、船舶質量、船舶撞擊角度這三個主要因素與橋梁船撞力的關系，通過一系列的數值模擬算例得到以下結論：

船舶撞擊力的峰值與船舶撞擊速度之間具有線性關系，但是如何選擇設計船撞力及設計船撞力是否和船舶撞擊速度成線性關系還需要進一步研究[3]；

船舶撞擊力的峰值隨著船舶質量的增加而增加，與船舶質量的平方根具有線性關系[3]；

船舶撞擊力的峰值與船舶撞擊角度的關系比較復雜，還需要作大量的算例，統計分析，作更深入的研究[3]；

【參考文獻】

[1]宗莉娜，劉偉慶，方海，莊勇.船橋碰撞中各因素對船撞力影響的研究[J].江蘇船舶，2016（6）：9-12.

[2]汪宏，耿波.嘉陵江黃花園大橋船撞風險分析咨詢報告[R].重慶：重慶交通科研設計院，2008.45-50.

[3]顏海泉.影響橋梁船撞力的主要因素的數值模擬研究[A].王福敏，王君杰.橋梁船撞研究與工程應用-2011年全國橋梁船撞學術研討會論文集[C].重慶：人民交通出版社，2011.327-334.

[4]AASHTO. Guide Specifications and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges. American Association of State Highway and Transportation Official ，Washington D.C，1991.

[5]王勝斌，朱宇.內河橋梁船撞力計算方法比較分析[J].工程與建設，2009，23（1）：9-11.