防船撞夾層結構沖擊試驗研究*

劉 滔 張博文 許明財 潘 晉

(湘潭市規(guī)劃建筑設計院有限責任公司1) 湘潭 411100) (中國艦船研究設計中心2) 武漢 430064) (華中科技大學船舶與海洋工程學院3) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司4) 武漢 430040) (武漢理工大學交通學院5) 武漢 430063)

0 引 言

隨著通航船舶與建設橋梁增加，船-船、船-橋之間的碰撞可能造成船體結構的損傷，進而造成人員傷亡和環(huán)境污染.根據(jù)143例橋梁垮塌事故原因的統(tǒng)計分析，由于船舶撞擊導致的各類大型橋梁垮塌事故約占據(jù)垮塌總數(shù)的30%[1].文獻[2-3]均將船舶撞擊橋梁事件按偶然載荷處理，導致在橋梁抗力設計中對于船撞偶發(fā)事故的安全余量不足.文獻[4]規(guī)定應比較增強結構自身抗撞能力和采用附加防撞設施兩種方案，宜采用增強結構自身抗撞能力的方案，方案不可行時可考慮增加防撞設施.因此，船舶和橋梁都面臨船舶撞擊的問題.

Wang等[5]采用了鋼絲圈來減小撞擊力的峰值，從而降低傳遞到橋墩上的撞擊力.潘晉等[6-7]設計了廣東崖門大橋的防船撞設施，并通過數(shù)值方法研究結構的耐撞性.但傳統(tǒng)的單層結構吸能效果差，當撞擊在艙壁上和板上的撞擊力差別很大.而當撞擊力對撞擊點很敏感時，該結構的穩(wěn)健性差，在特定位置的撞擊會有大于其他位置的撞擊力，影響結構的耐撞性能，因此，有必要研究新形式的橋梁防撞設施，以提高結構的穩(wěn)健性和耐撞性.Naar等[8]對于橫向沖擊下的Y形夾層結構進行了一系列的非線性數(shù)值模擬研究結構的抗撞性能.Klanac[9]運用數(shù)值方法分析了10種不同形式夾層結構的沖擊響應，研究結果表明夾層結構具有良好的耐撞性能,因此，許明財?shù)萚10]把夾層結構應用于橋墩防撞設施，通過數(shù)值仿真結果表明雙層結構比單層有更好的吸能和緩沖效果，而且撞擊力對撞擊點位置不敏感.

由于橋梁防撞設施是通過自身的變形和失效來吸收動能，破壞損傷機理比較復雜，因此有必要開展試驗為數(shù)值仿真模擬提供校準數(shù)據(jù).Amdahl等[11]進行了一系列模擬船舶擱淺的試驗研究Y形夾層結構的抗撞性.Rubino等[12]采用試驗和有限元模擬方法對不同邊界條件下的小尺寸度波紋型夾層梁結構在沖擊下的彎曲力學特點進行了研究.Tabri等[13]進行了Y形與X形夾層結構的沖擊試驗，并與傳統(tǒng)的雙層舷側結構進行比較.

全尺寸試驗能夠獲得實際結構的響應，但試驗難度和成本較高.而經(jīng)常用于沖擊試驗的落錘試驗機主要適用于小尺寸的試樣，而當試驗模型太小會使得其結構沖擊響應與實際結構差別較大.目前針對采用非傳統(tǒng)結構的大尺寸的橋梁防撞設施夾層結構的沖擊試驗研究相關文獻較少，因此本文采用了一種能夠開展大比例模型的沖擊試驗裝置，其主要特點是能夠較簡單地避免二次撞擊，在此基礎上進行大尺寸Y形夾層結構的沖擊試驗，通過試驗結果分析Y形夾層結構在不同沖擊位置下的響應，為橋梁防撞夾層結構的應用提供試驗數(shù)據(jù).

無論是達爾克羅茲音樂教學法，還是奧爾夫音樂教學法，都提倡即興音樂創(chuàng)作能力的培養(yǎng)。良好的即興音樂能力源于扎實的音樂基本素養(yǎng)和對音樂的理解與審美。琴童不是練習鋼琴的工具，所有的練習、演奏都必須以“思”為核心。會思考音樂的兒童，必然是愛音樂的，同時也會在學琴過程中體驗到美和快樂。[7]情境教學“五要素”中提倡“以發(fā)展思維為核心，著眼創(chuàng)造性”，這與正確的兒童鋼琴學習觀不謀而合。教師可以在教學過程中適時創(chuàng)設情境，以“情境”促思考，培養(yǎng)兒童獨立分析鋼琴作品和音樂創(chuàng)編的能力；以“情境”養(yǎng)習慣，潛移默化地培養(yǎng)兒童良好的性格和鋼琴學習習慣。

1 試驗設計

1.1 試樣設計

試驗試樣主尺度尺寸主要參考文獻[10]所設計的實際防撞設施，總長度為2 300 mm，板厚3 mm，見圖1.

圖1 夾層結構尺寸及撞擊點

球形撞頭的直徑根據(jù)文獻[13]的全尺寸船撞試驗中船首尺寸的7.5%確定，撞頭質(zhì)量為150 kg、直徑為120 mm.撞頭接觸試樣前的速度由試樣抬起的初始高度控制.在四個試樣上進行了三個不同位置的撞擊試驗.撞擊點的位置見圖1b)，撞擊點1位于面板的中間位置，撞擊點2和撞擊點3位于腹板和面板的連接處.通過加速度傳感器獲得的加速度時間歷程，并用高速攝像機獲得撞頭的速度時間歷程，結合加速度時間歷程判斷撞頭與夾層板開始接觸的時刻，進而取得撞擊的初始速度，見表1.

圖2中試樣由四根立柱，兩根橫梁組成的框架固定.試樣用螺栓固定在橫梁上，橫梁與立柱之間也由螺栓聯(lián)結，立柱則由方頭螺栓結合地槽固定在地面上.地槽間距為1 m，可以通過移動一組立柱滿足不同試樣長度的要求.橫梁底端到地面距離為3 m，高于擺桿軸線高度，撞頭垂直撞擊試樣.為了進行大尺寸Y形夾層結構的橫向沖擊，本試驗把試驗試樣水平放置，撞擊錘被提升到高于擺桿軸線的位置釋放，撞擊錘在重力作用下轉(zhuǎn)過大于180°的角度，撞擊到試樣下方.擺桿轉(zhuǎn)軸由中間嵌有軸承的方板用螺栓固定在門形架上，其到地面距離為2.6 m，高于安裝撞頭和配重后的擺桿總長，防止試驗過程中配重塊摩擦地面.擺桿部件的長度為2 m，擺桿轉(zhuǎn)軸中心到撞頭軸線的距離為2.25 m.

1.2 試驗裝置

預注漿法適用于裂隙發(fā)育的溶洞，當注漿時發(fā)現(xiàn)漏漿嚴重時，可以考慮采用快凝水泥漿液進行封堵，或采用間歇注漿方式，以減少漿液不必要流失。預注漿法適用于少量填充物或無填充物溶洞處理，對于全填充型溶洞，注漿漿液難以擴散，處理效果不佳。

圖2 試驗裝置布置

急性肺栓塞發(fā)病突然，患者易焦慮、恐懼，護士應及時告知患者疾病相關治療，做好解釋及安慰，及時解決患者疑問及困難，解除其恐懼心理，順利度過危險期。

常見的沖擊試驗裝置，以沖錘運動方式作區(qū)分，可以分為擺錘式和落錘式兩種.在試驗前對豎直擺錘進行數(shù)值模擬，碰撞速度設置為6 m/s，發(fā)現(xiàn)撞頭在沖擊過程中不會穿透試樣，在首次撞擊回彈之后脫離試樣后，撞頭速度大于2 m/s，會出現(xiàn)二次撞擊.雖然現(xiàn)有的部分落錘試驗機有阻擋或鎖止機構以防止撞頭的二次撞擊，但這類設備主要應用于材料性能試驗，可以選擇的試驗試樣尺寸相對較小，無法滿足2.3 m長夾層結構的橫向沖擊要求.水平擺錘式試驗裝置的簡單結構與擺錘的運動路徑見圖2.

撞頭的提升由一臺安裝在門型架頂端的電動絞車完成，其位置見圖3.考慮到應盡量保證撞頭垂直撞擊試樣，應設置為在擺桿平行于地面時撞頭開始于試樣接觸(試樣板面同樣平行于地面).絞車的掛鉤下掛一個電磁鐵，提升時電磁鐵吸附于連接在擺桿上的一塊金屬板，帶動擺桿上升.使用一個激光測距儀測量撞頭提升后到地面的高度.試驗過程中撞頭的釋放同樣依靠電磁鐵完成，使用布置在地面的開關切斷電磁鐵供電，在撞頭和擺桿重力作用下磁鐵會和金屬板脫離，擺桿轉(zhuǎn)動直到撞頭打擊試樣.根據(jù)動能守恒原理，如果擺錘水平放置，完成第一次撞擊后由于重力作用不會第二次撞擊試樣.但當擺錘初始較高時，擺錘第一次撞擊試樣后仍有一定動能，如果不控制擺錘的運動，擺錘有可能二次撞擊試樣.在門架底部的地面上放置了與重物聯(lián)結的繩索作為攔阻索，撞擊后當擺桿回落通過門架底端時用輕質(zhì)繩索將攔阻索拉起，攔阻索掛到撞頭上，撞頭帶動重物在地面拖動以達成減速的目的，從而避免二次撞擊.

圖3 電動絞車和吸附電磁鐵

1.3 工況設置

試驗模型由夾層結構和支撐結構兩部分組成.長度方向兩端設置支撐，在夾層結構部分沒有其他的橫向構件.夾層結構長度方向兩端布置的板厚為12 mm的箱型結構，用于將試樣固定在橫梁上，夾層結構面板延伸到支撐結構上并沿面板邊緣與支撐結構焊接固定.支撐結構上開有用于固定試樣的螺栓孔，螺栓孔被加工成長圓孔避免加工誤差造成安裝困難的問題..

綜上所述，在高校籃球運動發(fā)展的過程當中，如何解決當前存在的問題，是推動高校體育教師培養(yǎng)學生籃球運動發(fā)展最根本性的內(nèi)容。因此，切實的從高校體育教師培養(yǎng)學生籃球運動的發(fā)展角度出發(fā)，對現(xiàn)存的問題進行解決，具有發(fā)展性的意義。

表1 試驗工況

2 試驗結果分析

拉伸試驗儀器為加載范圍為±100 kN的INSTRON試驗機.板材的力學性能通過準靜態(tài)拉伸試驗獲得，試驗環(huán)境為室溫23 ℃、濕度為55%.進行5個試件的拉伸試驗，試驗段的長度、寬度和厚度的平均值分別為62.68 ，20.10和2.97 mm，拉伸速度為5.0 mm/min.試驗中記錄試件的載荷-位移關系，并轉(zhuǎn)換成應力-應變曲線，見圖4.

圖4 應力-應變曲線

通過加速度傳感器獲取的加速度時間歷程見圖5，并根據(jù)加速度時間歷程采用牛頓第二定律計算撞擊力.撞深數(shù)據(jù)則從高速攝像機輸出的結果中取得.工況1和工況2的撞深-力曲線很接近，說明當撞擊點在板上時，結構響應對撞擊點的不是很敏感.但仍然存在偏差，主要是由夾層結構的加工、撞擊點和擺桿提升高度等誤差引起.工況3的撞擊點是在夾層結構腹板上，其最大撞擊力與工況1和工況2相差不大，說明該結構的撞擊力主要取決于整體剛度.由于板的橫向剛度小，撞擊在板上的撞深遠大于撞擊在腹板位置.工況3和工況4的撞擊點都是腹板與面板的連接處，但工況4比工況3的撞擊力小8%.主要是由于在進行工況4試驗時由于擺桿位置的偏差照成撞頭產(chǎn)生偏移，見圖6.工況3和工況4的結果差異說明當撞擊點在腹板上時，撞擊位置精度對試驗結果影響很大，該系統(tǒng)在撞擊點精度方面還需要提高.由于橋梁防撞結構主要關心傳遞到橋墩上的撞擊力，而撞擊在面板和腹板上的撞深差別很大，但撞擊力差異卻很小.因此如果Y形夾層結構用于橋梁防撞設施設計時，應該主要考慮整體剛度.

圖5 結構響應

圖6 沖擊后的變形

3 結 束 語

文中采用一種可以防止二次撞擊的大尺寸模型橫向撞擊試驗系統(tǒng)，并使用球形撞頭進行了Y形夾層結構的橫向沖擊試驗.當球形撞頭的撞擊點在板上時，結構響應對撞擊點的敏感性較低，撞擊點偏離面板中部預計位置時撞擊響應區(qū)別不大.球形撞頭的撞擊點在腹板上時，撞擊位置對撞擊響應影響較大.撞擊在面板和腹板上的撞深差別很大，但最大撞擊力差異卻很小，說明該結構的最大撞擊力主要取決于整體橫向剛度.由于橋梁防撞結構主要關心傳遞到橋墩上的撞擊力，因此如果Y形夾層結構用于橋梁防撞設施設計時，應該主要考慮整體剛度.Y形夾層結構的最大撞擊力對撞擊位置不敏感，變化小.當采用該結構形式所設計的防船撞結構具有較好的穩(wěn)健性和耐撞性.