高樁碼頭在船舶撞擊下的動力響應及損傷分析

劉利琴, 陳建峰, 羅超, 胡文韜

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室, 天津 300072; 2.海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461)

高樁碼頭結構在港口工程領域應用較為廣泛,在經歷了大規模的港口建設期之后,我國現階段存在大量使用了幾十年的老舊高樁碼頭[1]。這些使用年限已久的碼頭在使用期間由于船舶撞擊、風浪荷載、混凝土材料劣化及自然環境侵蝕,基樁普遍受到了一定的損傷。高樁碼頭的特性導致碼頭的修復工作需要花費的金錢和時間都要遠遠超出其他結構形式的碼頭,而船舶撞擊作為高樁碼頭的主要荷載來源,對高樁碼頭的使用耐久性影響較大,因此有必要針對高樁碼頭的船舶撞擊損傷進行研究和預測,為實際碰撞事故提供更多的理論依據。Minorsky[2]提出了基于24次實際碰撞事故的半解析求解方法,分析了碰撞過程中船舶的損傷程度,標志著船舶碰撞研究的開始;AbuBakar等[3]研究了撞擊角和撞擊速度對碰撞的影響,以數值模擬結果為基礎,提出了船艏結構碰撞損傷響應的簡化計算方法;Petersen[4]利用船舶水平運動的瞬態方程推導了仿真程序,采用條分法計算了船舶碰撞過程中作用于船體的水動力問題,用近似方法計算截面附加質量和阻尼,從而計算截面單元響應函數。Amdahl等[5]開發了動力分析軟件USFOS,建立了船-橋碰撞系統的數值模型,對船撞橋梁的3個碰撞位置,即中跨、1/4跨和橋端跨進行了數值分析,計算了包括位移、軸力、剪力和彎矩在內的橋梁響應。鄧雷飛等[6]應用有限元方法對船舶撞擊碼頭的過程進行了數值模擬,根據碼頭結構產生的最大拉、壓應力和混凝土強度破壞準則判斷碼頭的損傷情況,由此確定碼頭升級改造的可行性;馮森[7]采用非線性軟件ANSYS/LS-DYNA建立了散貨船和高樁碼頭實際尺寸模型,研究了船舶不同初始速度、船艏不同構件增厚以及碼頭有無橡膠護舷等不同工況對碰撞過程的影響。趙天輝[8]使用ABAQUS/Explicit對船舶與碼頭碰撞過程進行了動力學模擬,分別就船舶撞擊速度、船舶排水量、撞擊角度、碼頭結構剛度及有無橡膠護舷等影響因素進行對比分析,提取了樁身頂部單元三向應力進行損傷判斷和計算,并分別得出它們對高樁碼頭樁基損傷的影響。王璟[9]基于人工神經網絡方法,對不同參數組合下的群樁結構損傷位置進行了預測,進行可行性評估。王承強[10]依托連云港老港區的高樁碼頭,對不同類型船舶靠泊荷載進行了現場試驗,并根據行業規范對結構承載力進行了復核計算。

以上研究中對于高樁碼頭在船舶撞擊下的動力響應及損傷特性研究較少,因此本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件,考慮撞擊速度、撞擊角度等參數,分析了高樁碼頭在船舶撞擊下的動力響應以及樁的損傷特性。

1 碰撞模型建立

1.1 模型簡化

本文主要研究對象為高樁碼頭,因此對船舶的內部結構進行合理簡化,所建船舶模型主要包括船艏和船身,保持船舶模型的一些基本參數如船長、船寬、型深、重心、質量等和實船相同即可。建模時采用附加水質量法[11-12]。將船舶周圍的水對船舶的作用通過附加質量的方式體現出來,其中,附加水質量為船舶總質量的0.05倍。增大船身鋼板密度以使船模和實船質量相等。由于實船內部結構復雜以及通常會運輸大量貨物,船舶總質量比空船質量大得多,因此,本文通過增大船身鋼板密度使得貨物等的質量轉化到船身上,從而確保船模質量和實船質量相等。

1.2 建立幾何模型

高樁碼頭的幾何模型是參照圖1所示天津港液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)碼頭的實際結構尺寸建立的,高樁碼頭幾何模型如圖2所示。該高樁碼頭的工作平臺平面尺寸為55 m×35 m,主要由混凝土面板、橫梁、縱梁、混凝土基樁等結構組成。工作平臺混凝土基樁一共有36根,分為6排6列,樁徑均為1.2 m。其中,第1、6排為直樁,直樁長51.5 m;第2、4排為前斜樁,第3、5排為后斜樁,斜樁長52.5 m。各列樁距10 m,各排樁距5～7 m。各基樁的樁位如圖3所示,船舶撞擊點位于#3基樁的橫梁處。

圖1 天津港LNG碼頭結構Fig.1 Structure of LNG terminal of Tianjin Port

圖2 高樁碼頭模型Fig.2 Model of high piled wharf

圖3 高樁碼頭樁位圖Fig.3 Pile location of high piled wharf

本文中船舶的結構尺寸參數為:船長164 m,船寬26 m,型深13.4 m,船舶噸位20 000 t。劃分網格后的船舶撞擊高樁碼頭模型如圖4所示。

圖4 船舶撞擊高樁碼頭模型Fig.4 Model of ship impacting high piled wharf

1.3 材料參數設置

本文中船舶的船艏及船身結構采用Thin Shell 163單元,高樁碼頭及土體結構采用3D Solid 164實體單元。其中,船身鋼板的密度是通過使船舶噸位達到20 000 t計算得到的,各結構的材料參數設置如表1所示。

表1 船舶結構材料參數Table 1 material parameters of ship structure

根據以上結構的材料參數對船舶和高樁碼頭模型進行網格劃分,網格劃分過密會大大增加計算時間,網格劃分過疏則會使計算精度降低,本文綜合考慮了計算時間和計算精度,最終劃分的網格總數為290萬。

1.4 計算參數設置

在網格劃分結束后,還要對模型進行一系列的計算參數設置,才能進行進一步的求解,計算參數設置主要包括以下幾個方面:

1)撞擊船的速度。撞擊船的速度主要包括速度的大小和速度的方向,本文中速度的大小選取了0.2 m/s和0.5 m/s,而速度的方向(撞擊船的中縱剖面方向與碼頭前沿右側之間的夾角)選取了30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°這7個具有代表性的角度,故共計14個計算工況;

2)計算時間。為了保證在計算時間內船舶和高樁碼頭完成碰撞并保證能量充分傳遞,各個工況的計算時間均為2.2 s;

3)時間步長。最小時間步長與單元大小密切相關,本文計算時間步長為1.1×10-5s,完成整個計算需要2×105步;

4)接觸和約束。為實現碰撞過程中船舶與高樁碼頭之間的能量傳遞,在船舶與高樁碼頭之間設置單面自動接觸,動摩擦因數和靜摩擦因數的取值為0.3;在樁與土體之間設置面面自動接觸,動摩擦因數和靜摩擦因數的取值為0.6;約束土體底面所有自由度。

2 碰撞結果分析

在ANSYS/LS-DYNA中完成計算以后,可在后處理軟件LS-Prepost中查看碰撞過程中各結構的撞擊能量、位移、撞擊力及有效應力等參數隨時間的變化規律,進而對碰撞結果進行分析。

2.1 撞擊能量分析

在船舶撞擊高樁碼頭時碰撞系統的總能量包括動能和內能,碰撞過程中動能向內能轉換,總能量以熱能等形式發生耗散。2萬噸級船舶以0.2 m/s的速度正向撞擊高樁碼頭時碰撞系統的能量變化如圖5所示。

圖5 碰撞系統的能量變化Fig.5 Energy change of impact system

從碰撞系統的能量變化曲線可以看出,在碰撞過程中,系統的最大內能達到了296 kJ,而內能的增加是由碰撞系統各結構發生形變引起的,因此碰撞系統的最大內能即為船舶的有效撞擊能量。根據港口工程荷載規范[13]中的相關規定,船舶靠岸時的有效撞擊能量為:

(1)

式中:E0為船舶靠岸時的有效撞擊能量,kJ;ρ為有效動能系數,取0.7～0.8;m為船舶質量,t;Vn為船舶靠岸的法向速度,m/s。

由式(1)計算可得2萬噸級船舶以0.2 m/s的速度正向撞擊高樁碼頭時的有效撞擊能量為280～320 kJ,而在有限元軟件中計算得到的有效撞擊能量為296 kJ,介于經驗公式計算得到的結果范圍之間,進一步驗證了有限元軟件計算結果的準確性。

2.2 樁頂有效應力分析

樁是高樁碼頭結構中易受損傷的一個部分,樁的損傷形式因不同的受力特性分為3種:拉應力過大導致樁頂斷裂、壓應力過大導致樁頂壓碎、位移過大導致樁傾斜變位。當船舶撞擊高樁碼頭時,樁的頂端彎矩最大,樁頂受到的有效應力也是最大的,因此在研究中主要關注樁頂受力。

由于應力集中,樁頂截面外部單元的應力較大,樁頂截面內部的單元應力較小。再從樁頂截面有效應力云圖中可以看出有效應力較大的區域主要集中在樁頂前側和樁頂后側,其中樁頂前側受到了較大的壓應力,而樁頂后側受到了較大的拉應力。以撞擊速度0.2 m/s、撞擊角度90°(即船艏正碰)為例,樁頂前、后側單元的有效應力如圖6、7所示。

圖6 樁頂前側單元有效應力Fig.6 Effective stress of front side unit of pile top

圖6和圖7中的6個數據圖分別代表第1～6列樁頂單元的有效應力。由于樁頂前側單元主要受到壓應力,從圖6中的數據對比可以看出,后斜樁受到的壓應力大于直樁,直樁受到的壓應力大于前斜樁,即不同類型的樁受到的壓應力σc大小的關系為:σc3>σc1>σc2(其中,1、2、3分別對應直樁、前斜樁、后斜樁,下同)。而樁頂后側單元主要受到拉應力,從圖7中的數據對比可以看出,前斜樁受到的拉應力大于直樁,直樁受到的拉應力大于后斜樁,即不同類型的樁受到的拉應力σt大小的關系為:σt2>σt1>σt3。各樁頂所受拉壓應力極值大小如圖8和圖9所示。另外,由于船舶撞擊點在#3號樁的橫梁處,位于碼頭中部的左側,因此各列樁所受到的有效應力呈現出從左到右遞減的趨勢,其中,第1、2列樁受到的有效應力較大。因此,對于以上撞擊工況,壓應力較大的樁集中在第1、2列樁中的后斜樁中,在碼頭維護的過程中應重點檢測這些樁是否發生樁頂壓碎損傷;而拉應力較大的樁集中在第1、2列樁中的前斜樁中,在碼頭維護的過程中應重點檢測這些樁是否發生樁頂斷裂損傷。

圖7 樁頂后側單元有效應力Fig.7 Effective stress of unit at the back of pile top

圖8 樁頂壓應力極值Fig.8 Extreme value of pile top compressive stress

圖9 樁頂拉應力極值Fig.9 Extreme value of tensile stress at pile top

圖10所示樁的位移云圖可以看出,在該撞擊工況下,各列樁的位移也呈現出從左到右遞減的趨勢,第1、2列樁的位移較大,因此在碼頭維護的過程中應重點檢測這些樁是否發生傾斜變位。

圖10 撞擊速度0.2 m/s、撞擊角度90°時樁的位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of pile when the impact velocity is 0.2 m/s and the impact angle is 90°

3 不同影響因素下碰撞結果對比

3.1 撞擊速度

以撞擊角度90°(即船艏正碰)為例,分別讓船舶以0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s的撞擊速度撞擊高樁碼頭,撞擊結果對比如表2所示。

表2 撞擊角度90°時不同撞擊速度結果對比Table 2 Comparison of results at different impact velocities when the impact angle is 90°

由表2數據對比可以看出,在船艏正碰的情況下,撞擊速度越大,碼頭受到的撞擊力和有效應力以及樁頂最大位移也越大;當撞擊速度大于0.2 m/s時,碼頭有效應力大于20 MPa,碼頭開始出現局部損傷;當撞擊速度達到0.5 m/s時,碼頭有效應力大于混凝土材料的抗壓強度,被撞區域發生壓碎損壞。

3.2 撞擊角度

以撞擊速度0.2 m/s和0.5 m/s為例,分別讓船舶以30°、45°、60°、90°的撞擊角度撞擊高樁碼頭,撞擊結果對比如表3所示。再將撞擊速度0.2 m/s時,各對稱方向撞擊角度(即30°和150°、45°和135°、60°和120°)下的撞擊響應進行對比,結果如表4所示。

表3 撞擊速度0.2 m/s和0.5 m/s時不同撞擊角度結果對比Table 3 Comparison of results of different impact angles at impact velocity of 0.2 m/s and 0.5 m/s

表4 撞擊速度0.2 m/s時各對稱方向撞擊角度下的撞擊響應對比Table 4 Comparison of impact response under impact angle in each symmetrical direction at impact velocity of 0.2 m/s

由表3可以看出,在撞擊速度一定時,撞擊角度(銳角)越大,碼頭受到的撞擊力及有效應力也越大。這是因為當船舶與碼頭撞擊角度為銳角時,船舶的撞擊速度可以分解為垂直于碼頭前沿的垂向速度和平行于碼頭前沿的切向速度,垂向速度提供撞擊過程中的撞擊動能,而切向速度使船舶在撞擊過程中沿碼頭前沿滑移。當撞擊角度越大時,船舶的垂向速度越大,因此碼頭受到的撞擊力及有效應力也越大,碰撞響應越接近正碰。

然而,由表4中的對比結果可以發現,當船舶的撞擊角度為對稱方向時,撞擊角度為鈍角的情況相比于撞擊角度為銳角的情況下碼頭受到的撞擊力和有效應力更大,而樁頂的最大位移更小。這是因為在本研究的碰撞情況中,船舶撞擊點位于#3號樁的橫梁處,樁頂位移呈現出從左側到右側逐漸遞減的趨勢,即碼頭在碰撞過程中呈現出順時針旋轉的趨勢。當船舶的撞擊角度為銳角時,由于船舶沿著碼頭前沿向左側滑移,而碼頭前沿的位移向左側逐漸增大,因此,在滑移的過程中船艏與碼頭有一個分離的趨勢;當船舶的撞擊角度為鈍角時,由于船舶沿著碼頭前沿向右側滑移,而碼頭前沿的位移向右側逐漸減小,因此,在滑移的過程中船艏與碼頭有一個靠近的趨勢,這就導致了撞擊角度為鈍角的情況相比于撞擊角度為銳角的情況下碼頭受到的撞擊力和有效應力更大的現象。另外,由于撞擊角度為鈍角時,船舶向碼頭中部滑移,因此由船舶撞擊力導致碼頭旋轉的旋轉力矩有所減小,這也就導致樁頂最大位移相比于撞擊角度為銳角時的更小。

3.3 船舶噸位

分別建立20 000、80 000、130 000、280 000 t船舶撞擊高樁碼頭的碰撞模型,以撞擊速度0.2 m/s船艏正碰為例,碼頭局部皆有損傷,撞擊結果對比如表5所示。

表5 撞擊速度0.2 m/s時不同船舶噸位結果對比Table 5 Comparison of results of different ship tonnage at impact velocity of 0.2 m/s

對比不同船舶噸位下的撞擊結果可以看出,隨著船舶噸位的增加,船舶撞擊力、碼頭有效應力和樁頂最大位移均顯著增加。當船舶噸位為80 000 t時,撞擊點處的有效應力達到了46.36 MPa,遠超過高樁碼頭混凝土面板及橫梁的平均抗壓強度,即此時碼頭撞擊點處已經發生損壞。

4 結論

1)在船舶撞擊作用下,高樁碼頭不同類型的樁受到的拉壓應力大小不同。其中,后斜樁受到的壓應力較大,在碼頭維護的過程中應重點檢測后斜樁是否發生樁頂壓碎損傷;前斜樁受到的拉應力較大,在碼頭維護的過程中應重點檢測前斜樁是否發生樁頂斷裂損傷。

2)對于本文中的撞擊工況(撞擊點在#3號樁的橫梁處),高樁碼頭各列樁所受到的有效應力呈現出從左到右遞減的趨勢,各列樁的位移也呈現出從左到右遞減的趨勢,在碼頭維護的過程中應重點檢測第1、2列樁是否發生損傷。

3)在船艏正碰的情況下,撞擊速度或船舶噸位越大,碼頭受到的撞擊力和有效應力以及樁頂最大位移也越大。撞擊速度或船舶噸位過大可能直接導致碼頭損壞。

4)在撞擊速度一定時,撞擊角度(銳角)越大,碼頭受到的撞擊力及有效應力也越大;對于本文中的撞擊工況(撞擊點在#3號樁的橫梁處),當船舶的撞擊角度為對稱方向時,撞擊角度為鈍角的情況相比于撞擊角度為銳角的情況下碼頭受到的撞擊力和有效應力更大,而樁頂的最大位移更小,這取決于船舶滑移的過程中船艏與碼頭的相對運動趨勢。

由于研究水平及時間有限,本文對于高樁碼頭的船舶撞擊研究還存在一些不足。例如,基樁拉壓應力的一般規律主要針對斜樁,若碼頭基樁均為直樁,在船舶撞擊下碼頭基樁拉壓應力的變化規律還有待研究,可在今后的研究工作中進一步完善。