裕溪船閘大型三角閘門剛性防撞體系研究

曹士政 蔡建國 張曉輝

摘 要：本文結合合裕線裕溪一線船閘擴容改造工程大型三角閘門設計，對船閘三角閘門的剛性防撞體系進行了有限元建模。針對2000t的船舶正常通過船閘時出現的最不利工況，開展了剛性防撞體系的船舶撞擊動力分析。研究表明，剛性防撞體系可以對三角閘門主體結構起到有效地保護作用，但剛性防撞體系由于消能作用差，在撞擊過程中防撞面板和防撞桿件會出現塑性損傷，需要在最不利工況時對防撞體系進行維護。

關鍵詞：三角閘門;剛性防撞體系;撞擊;防撞面板

近年來，三角閘門已成為最常用的工作閘門型式。船舶在經過閘室時，存在與閘門發生碰撞的概率，造成閘門損壞，給航道的正常通行帶來隱患。為了避免船閘閘門發生損壞，在三角閘門的迎水面會設置防撞系統。目前工程中使用最多的船閘閘門防撞結構為剛性防撞結構，所謂的剛性防撞結構指防撞面板和面板的支撐桿系都是由鋼質材料組成。在閘門剛性防撞系統方面，相關學者做了一定的研究。遲朝娜[1]對諫壁船閘分析表明，無論是直線形防撞板還是折線形防撞板，均能起到減緩閘門主體構件受撞擊作用的效果;沈波[2]根據淮安三線船閘人字閘門的工作特點建立有限元模型，分析了不同水位下人字閘門的自振特性和在不同撞擊位置、不同撞擊方向、不同水深條件下的振動規律;張志寧[3]等基于ABAQUS的顯示動力分析對三角閘門的剛性防撞體系從撞擊角度、船舶噸位以及撞擊位置進行分析，研究閘門在撞擊過程中的響應。有關船閘閘門剛性防撞的研究相對較少，但除閘門外，相關專家還研究了其他的剛性防撞體系。吳瓊[4]等以贛江某跨橋梁為研究對象，利用ANSYS有限元軟件進行船橋碰撞建模分析，研究船舶以不同的速度及質量撞擊橋墩的動態響應;王新[5]等采用實船撞擊試驗，驗證了向家壩升船機船廂防撞裝置的可靠性;Liu Jiancheng[6]設計了一艘4萬噸級油輪在長江上與船相撞的仿真方案，研究表明有限元方法比經驗公式和簡化分析方法能得到更準確的結果。由此可知，盡管規范公式可以快速計算撞擊的響應，但是在對復雜的模型進行分析時，有必要使用有限元方法來研究撞擊響應。

本研究以裕溪一線船閘擴容改造工程中34m口門大型三角閘門為研究對象，針對剛性防撞體系進行研究，運用有限元軟件ABAQUS分析剛性防撞體系撞擊時的特點，研究其在閘門防護中的適用性、安全性等特點。

1 剛性防撞結構設計

剛性防撞結構包括防撞桿件以及防撞剛性面板，其和三角閘門主體結構共同組成剛性防撞體系，如圖1所示，材料均為Q345鋼質材料。防撞桿件包括豎梁、橫梁、支撐、加勁肋和中片。本文以裕溪一線船閘擴容改造工程中34m口門三角閘門為研究對象，其中設計通過的最大船型為2000噸級，滿載為2800t，長度為55m，寬度為10.8m，對三角閘門剛性防撞結構進行了設計。防撞面板的厚度為12mm，防撞桿件的具體尺寸如表1所示。

2 有限元建模

在有限元軟件ABAQUS中對三角閘門、剛性防撞結構進行建模。閘門主體結構中，端柱承受閘門自重并將網架傳來的水壓力傳遞給支承結構，通過端柱將上、下幾榀水平網架聯接在一起，使閘門形成整體。本文采用組合“工”字形結構，其剛性大，強度高。端柱、浮箱、門體結構的擋水面板均采用殼單元按照實際構造精細化建模。網架部分采用梁單元建模。門體結構的有限元模型如圖2所示。防撞體系的桿件采用梁單元，防撞面板采用殼單元。剛性防撞結構和三角閘門主體結構之間在模型中通過綁定進行連接。剛性防撞體系的最終模型如圖1所示。

門體結構在運行過程中通過網架頂部的液壓直推式啟閉機的推拉桿提供動力繞著端柱轉動。其約束情況為在端柱的頂部限制x、y兩個方向約束，在端柱底部限制x、y和z三個方向的約束，在端柱附近的圓鋼管上作用有液壓直推式啟閉機的推拉桿，約束采用固接。具體的約束施加情況如圖2所示。門體結構和剛性防撞結構中材料選用為Q345鋼材，彈性模量為210GPa，屈服強度為345 MPa。在ABAQUS中賦予桿件理想彈塑性本構關系。

船舶的采用實體單元進行建模，在研究中，三角閘門防撞體系為研究對象，船舶考慮為接近于剛體，則通過增大彈性模量提高其剛度。船舶的具體建模情況如圖3所示。采用ABAQUS/Explicit顯示動力分析，通過建立接觸關系來模擬碰撞，接觸關系中的接觸對為船頭部分和防撞體系中防撞面板，其中船頭部分為主面，防撞體系中防撞面板為從面。

3 剛性防撞體系動力分析

3.1計算工況

本文選擇設計船型2000t的船舶，考慮到船舶在通過閘室時滿載為最不利的情況，所以選擇滿載重量為2800t的船舶進行撞擊研究。船舶正常通過閘室的過程中與閘門發生的最大碰撞角度為4度，即船頭抵在船閘閘門的一側，船尾抵在中心航道線一側。根據《船閘總體設計規范》，取船舶的航行速度為1.4m/s。進閘與出閘相比，出閘為不利工況。選擇各種因素最不利的工況，研究船閘閘門剛性防撞結構體系的動力響應。

3.2撞擊位置

為了考慮不同撞擊點對三角閘門防撞體系的影響，考慮到撞擊位置的任意性，取防撞結構體系上五個撞擊點的位置進行研究，如圖4所示。具體位置是以撞擊點距離羊角的距離與羊角和端柱距離的比值進行劃分，從圖4中可以看出撞擊點分別為避開端柱撞擊點，1/2撞擊點，3/8撞擊點，1/4撞擊點和1/8撞擊點。

3.3 動力分析結果

剛性防撞結構體系分為三角閘門主體和剛性防撞結構。從三角閘門主體和剛性防撞結構兩個方面進行研究。研究三角閘門主體的動力響應可以判斷剛性防撞結構在計算工況下的防護效果;研究剛性防撞結構可以判斷在計算工況下撞擊的損傷情況。對剛性防撞結構體系進行分析，從三角閘門主體結構的應變能、應力峰值，防撞體系的防撞桿件、防撞面板的應力和塑性應變來進行分析。由前面可知，總共有5個撞擊點，以船舶在1/8撞擊點為例進行具體說明。

圖5為三角閘門主體結構的應力峰值，可以看出，最大應力的桿件在推拉桿的約束附近，大小為166MPa，處于彈性范圍內。圖6為三角閘門主體結構的應變能，其反映了在撞擊過程中主體結構應變能的變化，從圖中可以看出船頭撞擊面板前到船頭離開面板的過程，應變能先增大后減小，在0.1s撞上面板，應變能急劇增大，在0.4s達到最大值，最大應變能為6.66e3J，此時刻船頭在垂直于面板方向的速度為0m/s，隨后船頭離開防撞面板，應變能減小。可以看出，撞擊的時間很短暫，為0.3s。從防撞面板和支撐桿件的塑性情況可知，在撞擊過程中防撞體系出現了損壞。綜上，在計算工況下，1/8撞擊點處的剛性防撞結構體系在撞擊過程中，三角閘門主體結構沒有出現損傷，防撞體系對主體結構起到了良好的保護作用，但是防撞面板和防撞桿件出現了塑性損傷。

對于其他幾個撞擊點的情況，以表格的形式來呈現，三角閘門主體結構應變能和應力峰值如表2所示，防撞面板和防撞桿件計算結果如表3所示。

從表2和表3可以看出，三角閘門主體結構的應力峰值都在彈性范圍內，但防撞面板和防撞桿件都出現了不同程度的破壞，且防撞桿件的破壞程度大于防撞面板。結果分析表明，在正常通過船閘出現的最不利工況下，剛性防撞結構體系在撞擊過程中對于主體結構可以起到有效的保護作用，但是防撞體系沒有良好的消能作用，導致防撞體系撞擊受損。

4 結論

本文結合合裕線裕溪一線船閘擴容改造工程大型三角閘門設計，開展了設計船舶最不利工況下對剛性防撞結構體系的動力撞擊分析，得出以下結論：

（1）剛性防撞體系可以對三角閘門主體結構起到有效的保護作用;

（2）剛性防撞體系由于消能作用差，在撞擊過程中防撞面板和防撞桿件會出現塑性損傷，需要在最不利工況時對防撞體系進行維護。

參考文獻：

[1] 遲朝娜.船閘三角閘門結構的空間有限元分析[D].南京：河海大學，2007.

[2] 沈波. 船舶撞擊下人字閘門的動力反應分析[D].河海大學，2007.

[3] 張志寧，張曉輝，張騫.洪藍船閘閘門剛性防撞體系碰撞研究[J].中國水運（下半月），2018，18（11）：92-93.

[4] 吳瓊，劉令令，鄧超，溫永華.基于船撞橋墩有限元數值仿真分析[J].北方交通，2020（09）：1-5+9.

[5] 王新，胡亞安.向家壩升船機船廂防撞系統實船撞擊試驗[J].水力發電學報，2019，38（1）：12-19.

[6] Liu Jiancheng， Gu Yongning.Simulation of the whole process of ship—bridge collision[J]. China Ocean Engineering， 2002，16（3）： 369-382.