水域橋梁半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截技術的研究

◎賈存威 王松林 毛利 陳善能 寧波市交通規劃設計研究院有限公司

1.前言

對已發生的船橋相撞事故的調查表明，大部分事故是由船舶操縱者的失誤以及船舶失控導致的，不僅主通航孔兩側的主橋墩會受到船舶的撞擊，引橋橋墩也同樣可能遭受船舶的撞擊，而引橋橋墩抗船撞能力弱，更容易導致災難性后果。近年來發生的廣州九江大橋和舟山金塘大橋遭受船舶撞擊而導致的橋塌、船沉、人亡的災難性事故，都是船舶撞擊到引橋上。

如何盡可能避免在寬闊水域的橋梁遭受來往船舶撞擊，及其在船舶失控時，如何保證不出現橋斷船毀人亡的惡性事故，保證橋梁和船舶兩者人員和財產的安全，在工程上具有技術攻關的必要性和迫切性。

自上世紀八十年代初，國際上對船撞橋以及相應防護問題的研究開始得到關注，八十年代中后期國際上根據船橋碰撞的動能或動量原理，提出了橋梁設計的新標準，特別是1991年美國各州公路和運輸官員協會（AASHTO）出版了《船舶碰撞公路橋梁設計指南》為橋梁的抗船撞設計基礎。在國內，直到本世紀開始，船撞橋的研究才受到較廣泛關注，但至今各種船撞橋的設計規范還存在許多問題有待解決。特別是2007年廣東九江大橋引橋受到運沙船的撞擊而倒塌的事故發生之后，船撞橋的研究才真正得到了相關部門的重視，各種橋梁的抗船撞設計得到了發展。

目前大部分的橋梁抗船撞裝置技術研究采用準靜態的分析方法，雖然船舶通過橋梁時的航速通常為每秒數米，但由于大質量，船舶具有巨大的動能，船橋相撞是一個在數秒鐘內進行的短時歷程中包含巨大能量交換的動態過程，實際上是一個動力學過程，需要發展新的抗撞防護分析，采用動態方法針對各個具體問題進行研究，包括動態數值模擬。

目前我國的橋梁已采用多種方法（設施）來提高橋梁的抗船舶撞擊的能力，這些方法主要是針對大橋主橋墩的防護，對于大橋引橋防護的研究相對較少。引橋橋墩之間為非通航孔，所以防船撞設施不用考慮航道的要求，可以采用攔截的方法，阻止船舶靠近大橋，避免船舶與大橋的碰撞。

本文提出的半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截技術，主要分析和研究以下三個問題：

（1）從理論上研究分析半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截設施的關鍵技術，包括設施的結構動力學響應，恒阻力裝置的動態力學行為，以及設施的固定方式等；

（2）研發適應于高水位差的半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截技術，主要考慮水位差對整個裝置的攔截效果等方面的影響；

（3）采用小模型試驗對半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截裝置進行驗證，使得裝置適用于高水位差水域。

2.半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截技術

本項目研究以三門灣力洋港大橋引橋防船撞為工程背景，三門灣海域具有強潮差特點，同時該水域在靠近岸邊水深較淺，因此，本項目在前期浮式自適應恒阻力船舶攔截技術的基礎上，針對三門灣海域的特點，提出一種新的自適應恒阻力船舶攔截技術。

對于水深比較淺的海灣或江河，樁基工程費用較低，可用固定樁來替代系泊躉船，簡稱固定樁式船舶攔阻系統，大大節約工程費用，該技術已經用于舟山響礁門大橋引橋防撞。固定樁式船舶攔阻系統不適應于強潮差海域條件，為此，我們提出把固定樁和系泊躉船搭配使用，提出了半固定樁式船舶攔阻系統。圖1給出了半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截系統的平面布置圖。力洋港大橋防船撞攔截系統在處于下游的B1和B2區設置了半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截系統，該攔截系統一端為系泊浮體，而另一端（靠近岸邊側）為獨立防撞墩；除了系泊形式的有所改變外，半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截系統的其他結構與浮式自適應恒阻力船舶攔截系統基本上是相同的。

圖1 半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截系統的平面布置圖

該設施的基本結構由樁柱、大浮船、自適應浮筒、恒阻力裝置、攔截網組成。在該攔截系統中，攔截系統的首尾兩端設置一個以樁柱為基礎的承臺和一個大浮船，利用大浮船隨著潮位上下移動來解決強潮差問題，其中間相距約120米設置一個以樁為基礎的承臺。在承臺之間設置6個自適應浮筒，通過攔截網將所有自適應浮筒連接起來。攔截網由抗海水腐蝕的超高分子量高強度聚乙烯繩組成，網眼大小約為3×3m，攔截網設置于自適應浮筒上部，并位于自適應浮筒后部（靠近船舶撞擊端設為前部），固定在承臺的恒阻力裝置（纜繩）上。在自適應浮筒前部裝設一根強度約80噸的鋼絲索，一方面為了保護系統在受到較小的撞擊下，無需維修，另一方面該鋼索用于啟動和拉升自適應浮筒。在正常情況下，浮筒保持在攔截網水面之下0.5-1m的位置，以保護高分子攔截網避免受到紫外線照射而老化，提高裝置的耐久性。自適應浮筒是實現自適應攔截船舶的關鍵機構，而恒阻力裝置則是控制該系統攔船阻力大小的關鍵部件。

有關自適應浮筒的外形設計及其自適應行為在前期研究工作已通過小模型實驗進行了研究，并進行理論建模和分析，此處不再論述。恒阻力裝置在前期研究工作也開展了部分原理性設計方法討論，缺乏理論分析和全尺寸實驗研究，這方面工作是本文需要研究的內容。另外，前期研究工作和工程設計主要是基于物模實驗和理論估算，沒有開展過整個船舶攔截設施的全尺寸數值模擬方面的研究工作，而數值仿真技術是工程設計優化的有力助手，為此，在本文中將重點開展這方面的研究工作。

3.恒阻力機構的理論與數值分析

對于恒阻力機構的計算分析，通過實例計算來開展研究，主要側重在纜索方面，分析的目的在于：

（1）一套恒阻力機構如何通過計算獲得所需的副纜數量（根數），以及確定主纜長度的設計計算方法；

（2）通過對相鄰多根副纜受力同期性分析，研究主纜工作過程中的受力變化，以便明確主纜設計時選擇強度的依據（線徑選擇）。

下面將用理論分析以及有限元分析兩方面來討論。

3.1 理論分析計算

以載重量為5000噸的多用途船為典型船舶，排水量約為9500噸，以8節航速計，該典型船的速度約為4m/s。要設防的船舶所具有的動能E：

該恒阻力攔截網有4根順橋向纜繩，分別穿過自適應浮筒連接與恒阻力機構上，恒阻力機構設置在系泊浮體（或固定樁）側面，攔截網設置于兩者之間，每側4套，每個攔截單元共需8套恒阻力機構,如圖2所示。

圖2 自適應恒阻力攔截系統的基本結構

由于船舶撞擊時動能十分巨大，所以要選擇一種斷裂變形率高并且拉伸強度不低的高分子材料，綜合以上因素考慮，選擇了PA66(尼龍66)這種材料。表1是日本旭化成工業株式會社提供的試驗數據：

表1 PA66機械性能

為了計算的準確，對恒阻力機構做了一系列的1:1拉伸破斷試驗，來確定單根PA66的延伸率、破斷力（峰值）和力-位移曲線（求平均力），這將為下面的計算分析提供可靠的依據。

按船舶動能76MJ計算，這些動能有8套機構同時來吸收，故每套恒阻力機構只需吸收能量為9.5MJ。主纜為鐵索鏈，鐵鏈環內沿長約20cm，強度100噸。副纜為高強度纖維繩，拉伸強度以32噸計算，主纜受力拉伸時，拉力將傳遞到副纜上，副纜受力伸長，在副纜拉斷前，將由副纜受力，整個拉伸過程，由于實驗結果顯示尼龍66力-位移曲線近似一條斜線，折算為平均拉力16噸。副纜長為3米，延伸率為25%。則每根副纜在被拉斷過程中吸收的能量大約為：

為了吸收9.5MJ的能量，每套恒阻力組需要設置158根副纜來吸收船舶的動能。

由于每根鐵鏈環設置一根副纜，即副纜的間距為0.2米，則主纜的有效長度為：

即主纜總長度為67.2米，其中4米為尾部預留長度，以便保證最后幾根恒阻力繩能夠拉斷。在實際設計計算中還要根據具體情況加上與系泊浮體連接的長度。

在該系統攔船過程中，攔網和主纜的變形、浮體和水流的運動、以及錨鏈的移動等，都將吸收部分能量。

圖3 恒阻力機構原理圖和實物照片

3.2 ANSYS/LS-DYNA有限元分析

①前處理過程。將船體簡化成一個質量點，選擇3D MASS166單元類型。這里船體集中質量單元，而非轉動慣性單元，由一個單節點和一個質量值定義。

船體排水量為9500噸，有8個恒阻力裝置一起受力，在實參數中定義船體質量為9.5e5KG。所以選擇Rigid Material(剛性材料)，輸入密度7800Kg/m3，彈性模量2e11，泊松比為0.27。平移約束參數（Translational constraint parameter）和轉動約束參數（Rotational constraint parameter）都選擇無約束。

主纜單元類型為LINK167（僅能拉伸的單元，用于模擬索），實參數中定義截面積為0.00453416m2(直徑38)，偏移量為零，即繩子一有偏移量就產生拉力。材料模型為CABLE，主纜是由鐵環做成的，密度為7800Kg/m3，彈性模量為2e11，曲線號為零即不加載曲線（力-時間曲線或者應力-應變曲線）。

副纜選擇單元類型為3D SOLID 164，為實體單元，實參數不用定義，材料模型為Plastic Kinematic Model。PA66材料密度為1160Kg/m3，拉伸模量為0.32GPa，泊松比為0.4，取失效應變為0.25(尼龍66材料斷裂延伸率為25%)。

②有限元模型建立及計算結果分析。在上面設置的基礎上，再對每一根副纜和主纜X，Y，Z方向進行耦合，使主纜與副纜固定在一起（圖中綠色為耦合處）。最終模型如圖4所示。

圖4 恒阻力機構有限元模型

計算的各個狀態用圖表達，圖5為第一個副纜拉斷瞬間，圖6為全部副纜拉斷瞬間。

圖5 第一個副纜拉斷瞬間應力云圖

圖6 全部副纜拉斷瞬間云圖

圖7給出了主纜的力-時間曲線，受力最大值為662.8kN。這說明在主纜需要達到抗662.8kN力的強度，特別是與系泊浮體的連接處容易斷裂，需要加強防護。

圖7 主纜力-時間曲線

11根副纜在拉斷過程中吸收的能量如圖8所示，A曲線是副纜總能量，B曲線基本與A曲線吻合，是副纜的內能，C曲線是副纜的動能，其值可以忽略不計。導出曲線的數據，得到最大能量為6.7646381250e+005J，表明11根副纜一共吸收約676464J能量。通過計算得一共需要155根副纜。

圖8 能量變化曲線

4.物模實驗

4.1 物模實驗參數確定

原型與模型對應尺寸之比為同一比例常數，理論上幾何比尺越小,模型的相似性越好，在船帕模型試驗中幾何模型比尺一般為70以內。實驗中,按p=50選取最大典型模型實驗船舶。通過系列模型實驗，獲得合理浮體幾何形狀、浮體間距、網間距及繩索的張力等特征參量特性，為工程設計提供參考。

4.2 物模實驗方案

模型實驗裝置相似比采用1∶50,自適應浮筒中心距40cm。模型實驗中左端是固定樁，右端仍然采用系泊浮體。固定樁與系泊浮體之間設置4個自適應浮筒。模型船舶以一定速度撞擊該系統，實驗測試攔截系統的運動響應行為。船舶模型采用鐵皮制作,為5000T級噸位典型船模型（p=50）。根據實驗要求，使船舶模型滿足吃水、重量與原型相似。

4.3 模型實驗結果分析

一是船舶正撞半固定樁自適應恒阻力攔截系統。自適應恒阻力攔截系統在船舶正撞下的運動情況采用攝像機進行拍攝記錄，典型的模型實驗結果照片如圖9所示。

圖9 正撞工況下攔截系統攔截船舶過程

整個船舶攔截過程分為以下幾個階段：①航行船舶碰撞攔截系統的觸發索，帶動系泊大浮體和自適應小浮筒往前運動；②當系泊大浮體的錨鏈和自適應小浮筒之間的纜繩被拉緊后，觸發索才開始沿船頭往下滑動，隨后帶動自適應小浮筒尾部沉入水中，在浮力作用下，自適應小浮筒的頭部開始上翹；③隨著船舶繼續往前運動，自適應小浮筒的頭部上翹程度越來越大，自適應小浮筒的系攔截網超過船頭高度，并包裹住船頭；④當攔截網包裹住船頭后，如果船舶動能較小，攔截網可以直接攔截住船舶；當船舶動能較大時，觸發索斷裂，恒阻力機構開始啟動來消耗船舶動能。在小模型試驗中，我們用拖動砝碼來模擬恒阻力機構。

二是船舶側撞半固定樁自適應恒阻力攔截系統。自適應攔截系統在小型船舶側撞(夾角約50度)下的運動情況見圖10所示。小模型實驗結果顯示：在側撞條件下，整個攔截系統的運動情況與正撞情況比較類似，雖然側撞條件比較惡劣，船舶碰撞觸發索后，船舶會沿著觸發索橫向移動，這將影響觸發索沿船頭向下滑動的行為，從而影響自適應小浮筒的運動姿態。總體來看，側向撞擊下整個攔截系統的效果比正撞條件要差一些，但不影響總體攔截效果。

圖10 側撞工況下攔截系統攔截船舶過程

5.結論與創新點

5.1 主要結論

①針對非通航孔橋梁的特點以及高水位差水域特點，提出了半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截技術，不僅實現對橋梁的安全防護，同時也保護航行船舶的安全；

②基于能量守恒原理，提出了恒阻力裝置的設計方法，通過理論計算、實驗和數值模擬相結合研究了恒阻力裝置的能量吸收行為；

③開展了半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截設施的物模實驗，驗證了理論數據并考察船舶碰撞角度對攔截效果的影響。

5.2 創新點

①基于全浮式自適應恒阻力船舶攔截技術，提出了半固定樁式自適應恒阻力船舶攔截技術，該新技術的創新點：改變船舶攔截設施的固定方式——從系泊躉船改為固定樁，不僅解決了淺灘海域系泊躉船難以拋錨固定問題，還大大節約了工程造價；半固定樁式——靠岸邊的淺灘海域，采用固定樁而另一端仍然采用系泊躉船，這種創新設計解決了高水位差的變化問題，通過一端的系泊躉船可以實現整個攔截系統潮起潮落。

②開展了半固定樁式自適應恒阻力攔截設施的物模實驗，原理上驗證了新型船舶攔截技術的可行性，同時也分析了其與全浮式自適應恒阻力攔截設施相比之優缺點。