船-橋碰撞力影響因素與防船撞套箱耐撞性分析

張文哲 曲 雪 薛憲政 許明財(cái) 潘 晉*

(武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (中國(guó)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院2) 上海 200011) (中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司3) 北京 102600) (華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院4) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司5) 武漢 430070)

0 引 言

現(xiàn)階段我國(guó)水上交通發(fā)達(dá)，橋梁數(shù)目不斷增多，造成的船-橋碰撞事故也屢見(jiàn)不鮮，船-橋碰撞事故會(huì)造成橋梁損傷和垮塌、航道受阻、生命及財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染等.由于撞擊船的動(dòng)能很大，會(huì)導(dǎo)致橋梁的損傷，因此需要對(duì)橋墩設(shè)置防船撞裝置.

由于船-橋碰撞問(wèn)題和防船撞套箱的碰撞問(wèn)題屬于復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行理論研究較困難，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究耗時(shí)耗力，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)有限元方法對(duì)其進(jìn)行碰撞計(jì)算和分析.杜兆輝[1]利用ABAQUS對(duì)七種不同工況下的船橋碰撞進(jìn)行有限元模擬，得到相應(yīng)的時(shí)程曲線，分析撞擊速度、船舶噸位、碰撞角度對(duì)船橋碰撞中動(dòng)力響應(yīng)的影響.洪家柱[2]利用有限元軟件建立了整橋和整船模型，對(duì)船舶碰撞整橋模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并與幾種常見(jiàn)的船撞力簡(jiǎn)化方法進(jìn)行比較，為簡(jiǎn)化的試驗(yàn)及數(shù)值仿真在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供相關(guān)參考.劉建成等[3]對(duì)油船撞擊鋼質(zhì)套箱的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，將船撞擊鋼質(zhì)套箱大致成三個(gè)階段，闡述了防撞套箱的防護(hù)機(jī)理.Deer等[4]對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)形式的夾層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量沖擊試驗(yàn)研究，分析了不同碰撞工況下的吸能特性、變形模式等.Pan等[5]通過(guò)數(shù)值仿真方法研究了郵輪撞擊鋼質(zhì)套箱的過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化方式，并討論了撞擊位置、撞擊角度和流體作用等參數(shù)對(duì)撞擊力的影響.Xu等[6-7]利用LS-DYNA分析了船舶、防撞箱、橡膠護(hù)舷和墩身之間的能量轉(zhuǎn)換以及沖擊過(guò)程中船舶沖擊力和船速的變化，比較了不同厚度夾層板與整體曲面防撞箱的力學(xué)性能.Pan等[8]利用空氣爆破實(shí)驗(yàn)研究了對(duì)接距離、面板厚度、腹板厚度、芯高和波紋角對(duì)梯形瓦楞芯夾層板變形/破壞機(jī)理和永久撓度的影響.張景峰等[9]通過(guò)LS-DYNA對(duì)碰撞相互作用過(guò)程、撞擊荷載、船舶及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，研究了鋼套箱-群樁組合防撞結(jié)構(gòu)的工作原理.單成林等[10]為減輕撞擊和滿足柔性耗能防撞設(shè)計(jì),采用鋼-聚氨酯夾層板制造了圓端形橋墩曲面防撞浮式套箱，利用ABAQUS建立計(jì)算模型，對(duì)不同角度撞擊時(shí)該浮箱以及橋墩的受力影響、能量轉(zhuǎn)換、撥動(dòng)船頭程度進(jìn)行了分析.廖志剛[11]則重點(diǎn)考慮了樁土互相作用后的船橋碰撞問(wèn)題，利用有限元軟件模擬駁船以不同速度撞擊非線性損傷混凝土承臺(tái)，得到了碰撞力與橋墩水平位移的關(guān)系.王亮[12]從AIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析角度，從撞擊位置,撞擊速度,結(jié)構(gòu)尺度等方面評(píng)估了蜂窩結(jié)構(gòu)防撞設(shè)施的耐撞性能.

文中采用非線性有限元模擬了船舶撞擊橋墩的動(dòng)態(tài)過(guò)程，探討了船速、噸位，以及撞擊位置對(duì)船橋碰撞力的影響.同時(shí)根據(jù)橋梁抗撞力要求，設(shè)計(jì)了自浮式夾層防撞結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值方法模擬了船-防撞結(jié)構(gòu)-橋墩的碰撞過(guò)程，驗(yàn)證防撞結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能.

1 有限元模型

代表船型為2 000 t級(jí)散貨船，主尺度為：船長(zhǎng)83 m，船寬13.8 m，型深3.7 m，吃水2.4 m.對(duì)于撞擊船來(lái)說(shuō)，主要研究船首結(jié)構(gòu)的變形，因此船首將按照實(shí)船結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行精細(xì)化建模，船首結(jié)構(gòu)主要采用殼單元shell163和梁?jiǎn)卧猙eam181模擬，其中包括外板、各層甲板、橫向艙壁、肋板等；船中和船尾分別按船體外殼簡(jiǎn)化建模，分別計(jì)算船舶上貨物及尾樓的重量、重心等參數(shù)，并將其以附加密度的方式賦予在船中、船尾相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)上，撞擊船材料選用的是Q235鋼，密度7 850 kg/m3，彈性模量210 GPa，屈服強(qiáng)度235 MPa，切線模量1.18 GPa，泊松比0.3.船首單元尺寸為0.25 m，船中和船尾部分最大單元尺寸為0.5 m，網(wǎng)格尺寸控制確定之后，采用自動(dòng)劃分的方法劃分網(wǎng)格.防撞夾層套箱的最外層夾層結(jié)構(gòu)面板和夾芯，夾層結(jié)構(gòu)板材、套箱的甲板、底板、橫隔板、內(nèi)外壁板都采用的是殼單元shell163單元來(lái)模擬；套箱內(nèi)的肋板和加筋以彎曲變形為主，因此選用梁?jiǎn)卧猙eam161單元；夾層板中填充的PVC泡沫，防撞套箱內(nèi)側(cè)與橋墩接觸的橡膠阻尼選用solid164單元模擬.船舶和防撞結(jié)構(gòu)的有限元模型見(jiàn)圖1.

圖1 船舶與防撞結(jié)構(gòu)有限元模型

防撞夾層套箱主體用鋼與撞擊船所用Q235鋼一致，夾層結(jié)構(gòu)中填充PVC泡沫.材料密度1.15×103kg·m-3，切線模量1.04 GPa，考慮到網(wǎng)格質(zhì)量及收斂性對(duì)取得準(zhǔn)確分析結(jié)果的重要性，網(wǎng)格尺寸取為局部碰撞區(qū)域0.15 m，其他區(qū)域0.3 m.夾層結(jié)構(gòu)中的填充的是Divinycell H100型號(hào)的PVC泡沫，該泡沫材料密度100 kg·m-3，泊松比0.3，彈性模量100 MPa，在LS-PREOST中選用的材料模型是Crushable Foam可壓損泡沫模型.

由于橋墩的剛度遠(yuǎn)大于船舶，因此假設(shè)為剛性.船-橋墩碰撞的模型中，船舶與橋墩之間采用了雙向面-面接觸方式，船首定義為主面，橋墩定義為從面.船舶自身設(shè)置自接觸考慮船首的折疊效應(yīng).在船-套箱及套箱-橋墩之間都設(shè)置面面接觸，而套箱和撞擊船設(shè)置自接觸.接觸算法采用對(duì)稱(chēng)罰函數(shù)算法，此算法具有對(duì)稱(chēng)性，可以避免沙漏效應(yīng).

2 船-橋碰撞響應(yīng)分析

2.1 撞擊速度的影響

圖2a)為船舶與橋墩正撞時(shí)，不同速度工況下的碰撞力時(shí)程曲線，撞擊船質(zhì)量為2 000 t，碰撞位置為初始高度0 m.圖2b)為船-橋正撞時(shí)不同速度下的船首變形曲線.由圖2a)可知，在本研究范圍的速度內(nèi)，碰撞歷程都在1 s內(nèi)完成.在船-橋碰撞的初始階段(t<0.2 s)，碰撞力的大小與撞擊船的初速度關(guān)系較小，碰撞力有一個(gè)小幅的上升，達(dá)到5 MN左右，但是在此后，經(jīng)歷過(guò)一小段波動(dòng)，不同速度下的碰撞力變化趨勢(shì)開(kāi)始分化.速度較大(5.5 m/s)時(shí)，碰撞力在0.1 s內(nèi)快速的到達(dá)峰值，為27.1 MN，大于橋梁自身抗撞力21.04 MN，因此有必要設(shè)計(jì)防撞結(jié)構(gòu)來(lái)保護(hù)橋梁.

碰撞力在一個(gè)較高水平出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，直至碰撞結(jié)束迅速降為0；而速度較小時(shí)，碰撞力則是在一個(gè)較低水平出現(xiàn)小幅振動(dòng)，較晚到達(dá)峰值.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是船的初速度較大時(shí)，整個(gè)船首被壓潰，因此碰撞力達(dá)到峰值的時(shí)間較短，而較大幅度波動(dòng)則是由于船首內(nèi)部的艙壁、隔板及肋板等加強(qiáng)材料引起的，當(dāng)這些材料發(fā)生擠壓變形時(shí)會(huì)導(dǎo)致碰撞力短暫增加；而初速度較小時(shí)，船首的船舷及球鼻首小幅變形就已經(jīng)可以抵消船舶的動(dòng)能，未涉及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，因此碰撞力波動(dòng)較小，且碰撞速度較小，結(jié)構(gòu)變形較慢，因此峰值出現(xiàn)較晚.另外，隨著撞擊船初速度的增加，船-橋碰撞力也增加，但是本工況下增加幅度較小.

圖2 正撞時(shí)不同速度下碰撞結(jié)果

圖3為正撞時(shí)不同速度下最大變形時(shí)刻船首應(yīng)力圖.由圖3可知：隨著速度的增加，船首的應(yīng)力越來(lái)越大，變形也有較大的增加.在速度較小時(shí)，船首的應(yīng)力和變形集中在最外側(cè)船舷及球鼻首附近，碰撞應(yīng)力約為580 MPa，大大超過(guò)了船用鋼的屈服應(yīng)力，船首鋼板開(kāi)始被壓潰，船首的最終塑性變形約為1.5 m.而在速度較大時(shí)，整個(gè)船首出現(xiàn)了大面積的凹陷，碰撞應(yīng)力分布在整個(gè)船首，且應(yīng)力數(shù)值進(jìn)一步增加，碰撞結(jié)束后船首塑性變形達(dá)到了2.5 m，比最小速度時(shí)增加了66.6%.

圖3 船首應(yīng)力圖

2.2 船舶噸位的影響

圖4a)為撞擊速度為4.5 m/s時(shí)，不同船舶質(zhì)量下的船首變形曲線.由圖4a)可知，與不同速度的工況相比，在碰撞初始階段(0.4 s內(nèi))不同噸位的船首變形基本一樣，不過(guò)隨后變形開(kāi)始出現(xiàn)較大差異，隨著船舶噸位的增加，船首變形從1.5 m增加到2.7 m.

圖4b)為不同噸位下船首的應(yīng)力云圖.由圖4b)可知：隨著噸位的增加，船首的變形越來(lái)越大，在撞擊船質(zhì)量為500 t時(shí)，變形基本集中在船舷，這是因?yàn)榘l(fā)生碰撞時(shí)船舷先接觸到橋墩，球鼻首所受撞擊力很小，基本不變形.在撞擊船噸位增加后，球鼻首也開(kāi)始發(fā)生較大變形；當(dāng)噸位增加至3 000 t時(shí)，船首的船舷及球鼻首基本被壓平，此時(shí)應(yīng)力也傳遞至整個(gè)船首.

圖4 正撞時(shí)不同噸位下碰撞結(jié)果

3 防撞套箱性能分析

3.1 碰撞力

圖5為速度4.5 m/s、船舶質(zhì)量2 000 t時(shí)，船舶直接與橋墩碰撞及與設(shè)置防撞套箱的橋墩碰撞時(shí)的碰撞力時(shí)程曲線.由圖5可知：在增加防撞裝置后，橋墩所受碰撞力明顯大幅度減少，其中碰撞力峰值由28 MN降低到13 MN，降幅達(dá)到53.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于AASHTO公式，只比我國(guó)的鐵路規(guī)范及公路規(guī)范稍大.但是增加防撞裝置后有限元計(jì)算出的橋墩碰撞力平均值已經(jīng)跌至7.5 MN，低于各種規(guī)范所允許的碰撞力值，說(shuō)明防撞套箱具有良好的吸能效果，能夠滿足保護(hù)橋墩的要求.另外，在橋墩上安裝防撞套箱后，碰撞力增加的也更加平緩，力的波動(dòng)變小，說(shuō)明套箱能起到有效的緩沖作用，保護(hù)橋墩的同時(shí)也減少撞擊船的變形.

圖5 船與橋墩的碰撞力時(shí)程曲線

3.2 船舶損傷變形

圖6a)為增加防撞套箱前后船首的變形圖，圖6b)為增加防撞套箱前后船首最大變形曲線.由圖6可知：無(wú)論是正撞還是側(cè)撞，船首的變形及應(yīng)力都大幅減小.正撞時(shí)，船首變形由船舷和球鼻首的壓潰大變形變?yōu)榍虮鞘撞糠中∽冃危畲笞冃螠p少88.9%.側(cè)撞時(shí)，船首變形由船舷凹陷大變形變?yōu)榍虮鞘准跋蟼?cè)附近的局部小變形，縱向和橫向的船首最大變形從1.89 m/0.47 m減小到0.19 m/0.05 m，減幅到達(dá)90.0%和89.4%.因此，從以上分析可以看出，增加防撞套箱可以明顯減小撞擊船所受破壞，同時(shí)保護(hù)船員安全并減少事故造成的經(jīng)濟(jì)損失.

圖6 有無(wú)防撞套箱碰撞結(jié)果對(duì)比

圖 7為碰撞過(guò)程中防撞套箱的變形及應(yīng)力分布圖.由圖7可知：船舶正撞工況下，碰撞剛剛發(fā)生時(shí)，船舶球鼻首撞擊到防撞套箱上，碰撞區(qū)域出現(xiàn)較高應(yīng)力，緊接著，夾層結(jié)構(gòu)外板開(kāi)始出現(xiàn)失效，應(yīng)力也逐漸開(kāi)始分散.最后，撞擊船速度降為0時(shí)，套箱達(dá)到最大變形，夾層結(jié)構(gòu)幾乎完全失效，套箱內(nèi)部橫隔板及肋板出現(xiàn)較大應(yīng)力，整個(gè)套箱三角區(qū)域都分布大小不同的應(yīng)力，離碰撞區(qū)域越遠(yuǎn)應(yīng)力越小.碰撞結(jié)束后，撞深變形為1.0～1.5 m，外部夾層板及橫隔板局部凹陷，結(jié)構(gòu)主體變形較小，未發(fā)生整體結(jié)構(gòu)斷裂，自身的耐撞性足夠.

圖7 碰撞過(guò)程中防撞套箱的變形及應(yīng)力分布圖

3.3 防撞套箱的能量吸收

圖 8為正撞工況下船舶與防撞裝置-橋墩系統(tǒng)碰撞時(shí)，防撞套箱的各部分能量吸收曲線.由圖8可知：隨著碰撞時(shí)間的增加，能量吸收在1 s完成.在防撞套箱的各部分結(jié)構(gòu)中，套箱內(nèi)部蜂窩型夾層結(jié)構(gòu)提供了較好的受力出傳播路徑，吸收了大部分的船舶動(dòng)能，達(dá)到了5.3 MJ，這是因?yàn)樽矒舸膭?dòng)能較大，套箱外部的夾層結(jié)構(gòu)已經(jīng)不足以抵抗船的沖擊力，球鼻首撞穿夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)入套箱內(nèi)艙與橫隔板接觸，因此大量撞擊船的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橫隔板及肋板的變形能.在外部的夾層結(jié)構(gòu)中，波紋夾芯板的吸能最多，大約為3.4 MJ，夾層結(jié)構(gòu)面板次之，為2.4 MJ左右，填充的PVC泡沫吸能最少，約為0.9 MJ.另外，防撞套箱底板的吸能也較多，達(dá)到了套箱面板吸收能量的2倍左右，這是由于撞擊船的球鼻首撞擊點(diǎn)靠近套箱的下部，因此套箱底板變形較大.由以上分析可知，增加防撞套箱后，可以大幅減少橋墩所受的碰撞力，降低碰撞對(duì)撞擊船船首的破壞，吸收撞擊船的動(dòng)能，能很好地保護(hù)橋墩及撞擊船.

圖8 船舶與橋墩正撞防撞套箱的各部分能量吸收曲線

4 結(jié) 論

1) 在安裝自浮式夾層防撞套箱后，橋墩所受碰撞力大幅度減少，其中碰撞力峰值降幅達(dá)到53.6%，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)形式具有良好的吸能效果.船撞力小于橋墩自身抗撞力，滿足保護(hù)橋墩的要求.

2) 從不同部位結(jié)構(gòu)的吸能曲線可以看出，內(nèi)部蜂窩型夾層結(jié)構(gòu)提供了較好的受力傳播路徑，吸收了大部分的船舶動(dòng)能，從而提高整體的耐撞性能.

3) 內(nèi)部泡沫吸收的能量較少，從經(jīng)濟(jì)性和吸能角度考慮可以不填充該材料.但內(nèi)部填充的泡沫在自浮式防撞結(jié)構(gòu)被船舶撞擊破艙后，能提供浮力避免防撞結(jié)構(gòu)的沉沒(méi)，減少后期事故的處理難度.