淺談復合材料防撞設施后的船撞撞擊力

黃駿

摘 要：主要探討通揚運河特大橋橋墩船撞力，采取格構腹板增強泡沫夾芯自浮式復合材料防撞箱設施形式。并對設置防撞設施后的引橋11#橋墩進行建模，模擬了一艘1000t級船舶以4.1m/s的速度撞擊橋墩的過程。通過復合材料防撞設施后橋墩的有限元模擬圖計算撞擊力。

關鍵詞：復合材料;船舶;撞擊力;計算

中圖分類號：U654? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0090-03

1工程概況

無錫至南通過江通道公路北接線工程，長22.333km。采用雙向四車道高速公路標準。設通揚運河特大橋全長1209m，造價約為8000萬元，其中主跨為60+100+50m變截面預應力混凝土連續梁結構，掛籃懸臂澆筑施工。通揚運河為規劃三級航道，設計寬度為70m，通航凈空高度為7m。下部結構薄壁墩墩高56m，采用維薩板爬模施工工藝，上部結構采用5*50m預制裝配式T梁、45+75+75+45m預應力混凝土連續剛構、4*43.5+2*43.5+50鋼-混組合連續梁及高墩、大跨徑現澆預應力連續箱梁（最高墩高28m、最大跨徑50m）結構。橋梁施工工藝復雜、質量、安全風險高，施工難度大。

2復合材料防撞設施設計方案

通航孔橋墩為等截面橋墩結構，在通航孔橋墩防撞保護系統中，船舶若正對橋墩撞擊，橡膠護舷首先與橋墩的棱邊相接觸發生彈性變形，吸收碰撞能量;本方案可隨著水位的變化自動升降，提出采納自浮式箱型復合材料防撞系統。另外當船舶與防撞系統撞擊緊密接觸后，防撞系統箱型截面本身也能承受較大的撞擊力，箱型截面外殼為彈性復合材料，其內部填充的耗能材料抗剪強度高，緩沖能力強。其中箱型復合材料防撞圈的內側面設置拱形橡膠護舷，橡膠護舷的高是0.3m，橡膠護舷內側與橋墩接觸處采用60mm厚的四氟滑板，所以箱型復合材料防撞設施的外伸寬度≧1.3m。復合材料防撞結構直接承受船撞的纖維復合材料單位寬度（m）的抗彎剛度必須達到300000N.m2，平壓強度必須達到10MPa及以上。外殼材料的彈性模量需約為鋼材的1/10，保護鋼結構船舶不受局部損傷。復合材料防撞箱內填充的輕質耗能芯材需采用復合材料加勁腹板增強，具有一定的抗剪強度，達到1MPa以上。由于復合材料防撞系統具有自浮性、可轉動性、緩沖性、彈性模量低等特點，因此可有效保護船舶不至于局部受損。

防撞系統與橋墩的側邊接觸實現上下浮動，且防撞圈的兩端為尖形，在與船舶成角度撞擊后，防撞系統可轉動一定的角度，從而撥離船舶行駛方向。

邊墩防撞設計的立面布置圖和平面布置圖參見圖1。

3鋼管樁與復合材料防撞設施防撞方案

采用“兩級消能”防護：第一級防護在墩柱兩側離承臺邊約3m的位置插打三根鋼管樁形成鋼管樁組，攔截正面向墩柱行駛的船只，船只撞上后減小船只的行進速度，鋼管樁組容許被船只撞壞;第二級防護為墩柱上安裝的箱型復合材料防撞系統，攔截經上一級防護后未能攔住的船只。防撞設施的立面布置見圖2。

11#～14#墩的上下游距承臺邊3米處各設置三根Φ810mm一組鋼管柱，主要起到對通行船只的防撞及引導作用。10#墩現澆段上游有棧橋圍護，下游則再設置兩排間距4米Φ630mm鋼管樁，各鋼管樁間相互連接而成。

4 ANSYS/Ls-Dyna動力計算

4.1結構建模

對設置防撞設施后的引橋11#橋墩進行建模，模擬了一艘1000t級船舶以4.1m/s的速度撞擊橋墩的過程，圖3（a）為1000t級船舶撞擊設置H200型復合材料防撞設施后橋墩的有限元模擬圖;圖3（b）為1000t級船舶撞擊設置鋼管樁及H200型復合材料防撞設施后橋墩的有限元模擬圖。鋼管樁計算長度取為11.04m，樁底固結。

4.2設置防撞設施后11#引橋橋墩的船撞力有限元模擬

4.2.1設置H200型復合材料防撞設施后船撞橋有限元模擬

以設H200型復合材料防撞設施后，最高通航水位下1000t船與11#引橋以4.1m/s速度滿載正撞工況為例進行帶防撞裝置的船橋碰撞計算。設防撞設施時，船撞有限元模型如圖4所示，橋墩受到的船撞力如圖5所示，撞擊過程中的能量變化如圖6所示。

從圖5中可以看出，設置H200型防撞設施后，橋墩受到的橫橋向撞擊力為7.22MN。與無防撞設施相比，橋墩受到的撞擊力下降34.7%。

4.2.2設置鋼管樁及H200型復合材料防撞設施后船撞橋有限元模擬

以設鋼管樁及H200型復合材料防撞設施后，最高通航水位下1000t船與11#引橋以4.1m/s速度滿載正撞工況為例進行帶防撞裝置的船橋碰撞計算。設防撞設施時，船撞有限元模型如圖7所示，橋墩受到的船撞力如圖8所示，撞擊過程中的能量變化如圖9所示。

從圖8中可以看出，設置鋼管樁及H200型復合材料防撞設施后，橋墩受到的橫橋向撞擊力為6.03MN。與無防撞設施相比，橋墩受到的撞擊力下降45.4%。

4.3設復合材料防撞設施后的船撞有限元分析結果匯總

綜上，典型工況下，設置防撞設施后的有限元計算結果匯總于下，無防撞設施情況下船舶撞擊力11.05KN;H200型復合材料防撞設施情況下船舶撞擊力7.22KN，撞擊力消減34.7%;鋼管樁+H200型復合材料防撞設施情況下船舶撞擊力6.03KN，撞擊力消減45.4%。

參考文獻：

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