混凝土框架型人工魚礁結構著底撞擊力計算方法研究

吳 霖，張李唯，沈 璐

(大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

1 概 述

進入21世紀以來，由于近海生態環境惡化和漁業資源嚴重衰退，我國沿海地區也掀起了人工魚礁建設的高潮。在諸多類型的人工魚礁中，混凝土人工魚礁以其造價低、工程技術成熟、礁體大小及空腔布置靈活等優勢被廣泛使用。但與其廣泛應用不相適應的是，混凝土人工魚礁的設計體系尚不完善，特別是容易造成礁體結構破壞的碰撞問題并沒有得到足夠的重視，相關研究也比較滯后。目前在人工魚礁投放后，往往還要采用潛水員或側掃聲納進行定位和檢查，以便進行人工魚礁的投放質量評價。國內關于魚礁撞擊方面的計算也主要參照20世紀70年代日本的《水產土木工程》中的研究成果以及國外的其他工程案例。因此，在設計階段防止混凝土人工魚礁發生撞擊破壞是提高布放質量的有效途徑。開展混凝土魚礁碰撞動力分析，并據此開展防撞設計方法研究，對于減少損失、優化完善魚礁設計具有現實意義。

關于人工魚礁著底撞擊問題的研究，日本學者在20世紀七八十年代取得了許多研究成果。近年來，隨著數值計算和有限元軟件的發展，有學者采用有限元軟件ANSYS Workbench對魚礁結構在撞擊作用下進行了初步的強度分析。現有的研究主要采用列出運動學方程的方式研究沖擊荷載的大小，并且都沒有考慮波浪、海流對沖擊力的影響。另外，根據車橋碰撞、船橋碰撞等其他碰撞問題的研究成果來看，結構在碰撞荷載作用下將發生局部損傷和整體損傷，而在混凝土人工魚礁結構方面還缺乏破壞模式的分析，特別是針對不同類型的混凝土礁體結構的特點開展失效機理的研究還未見報道，尚需要開展進一步的研究工作。

2 基于能量法的著底撞擊力計算

在碰撞過程中，假定彈性體的初始動能和局部變形能分別為：

(1)

人工魚礁投放后在洋底發生碰撞，在碰撞過程中部分結構發生塑性變形，導致部分能量損耗，損耗的能量為Es：

(2)

式中：v1為碰撞結束后速度；e為速度恢復系數(e=v1/v)。

在碰撞過程中，碰撞系統的初始動能T和局部勢能P轉化為彈性體的變性能及部分結構發生塑性變形損失的能量：

T+P=FdΔd/2+Es

(3)

式中：Fd為結構所受的碰撞力；Δd為結構的碰撞變形。

如果彈性體以靜載方式作用于剛性體上，則彈性體的靜變形和靜應力分別為Δst和σst，在碰撞載荷作用下，相應的碰撞變形和碰撞應力分別為Δd和σd。

對于線彈性材料有以下關系:

(4)

帶入式(3)有:

(5)

引入碰撞荷載系數Kd：

(6)

于是有下列關系：

Δd=kdΔst,σd=kdσst,Fd=kdmg

(7)

Δst和σst可通過構件的靜力壓塑模型求得:

(8)

式中：L和S分別為彈性體的長度和橫截面積；E為彈性體的彈性模量。

把式(8)帶入式(7)，并聯立式(5)和式(7)可以得到碰撞力Fd，以及結構的變形Δd和應力σd。

3 基于計算結構動力學的著底撞擊力計算

設結構的結點在時刻t0開始與洋底發生碰撞，碰撞持續時間為Ct,碰撞反力R(t)，按下述假設確定：①碰撞過程分為變形發生階段和變形恢復階段，且在此二階段中變形是對稱的；②力與變形關系是線性的，而變形與時間的關系是非線性的；③能量守恒定理、動量守恒定理和沖量定理是適用的；④在非完全彈性碰撞時，本來能量損失是在碰撞過程中積累產生的，這里假設是在碰撞開始時刻產生的，模擬非完全彈性碰撞是采用碰撞前后速度比表示的。

根據上述假設有：

(9)

式中：a0、a1和a2為反力系數；tc為碰撞開始時刻；Ct為碰撞開始到結束碰撞這一時間段。

(10)

在非完全彈性碰撞的情況下：

mv=mv1+m1v2

(11)

(12)

式中：m為人工魚礁的質量；v為人工魚礁碰撞前的速度；v1為人工魚礁碰撞后的速度；m1為海底質量；v2為海底碰撞后的速度。

由于海底質量m1趨向于無窮，所以v2=0 ，v1=-ev，顯然當e=1時，此時的碰撞反力為-R1(t1)，反力系數為：

a0=-KFx0

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：KF為碰撞剛度；x0為物體變形量。

4 基于運動學方法的著底撞擊力計算

著底沖擊力(碰撞力)與魚礁的重量、沖擊速度、著底地基的反力系數及沖突面的形狀等因素有關。設沖突面的地基反力為R，著底時的附加質量系數為CMA,則著底時的運動方程為：

(17)

設基底反力系數為KR，著底地基的變位為ε，則有：

R=KR·εn

(18)

(19)

由于式(19)是一個非線性微分方程，對于變量t的積分求解比較困難，實際運用時，可采用牛頓漸近解法，求其近似解。式(19)經簡化整理為：

(20)

式中：ε0為變位值；W0為海水單位體積重量(W0=ρg)；σG為落體材料的單位體積重量(σG=δg)；U0為落體開始著底時的速度。

(21)

把式(5)代入式(4)得：

設εr為ε0的第r次近似解，取n=2，則：

(22)

根據式(6)，計算地基變位的收斂值ε0。

(23)

當n=2時，KR可取以下值：砂礫質底KR=160～500 kg/cm2；堅硬密實的黏土底質KR=210～630 kg/cm2。

5 結 論

本文分別根據能量法、計算結構動力學方法、運動學方法，對混凝土框架型人工魚礁著底撞擊力計算方法進行研究,結論如下：

1) 對于能量法而言，著底撞擊力的大小與波浪、海流造成的水平方向速度 、海底底質摩擦阻尼 、撞擊物體重量、撞擊速度、海底底質的力學特性有關。

2) 對于計算動力學方法而言，著底撞擊力的大小與不同結構形式的人工魚礁結構、碰撞持續時間Ct、碰撞反力R(t)、碰撞剛度KF、碰撞前的速度V有關。

3) 對于運動學方法，著底撞擊力的大小與魚礁的重量、沖擊速度、著底地基的反力系數及沖突面的形狀等因素有關。