白 凱 吳曾鵬 許明財 潘 晉

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司1) 武漢 430051) (華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院2) 武漢 430074)(武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司3) 武漢 430040) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院4) 武漢 430063)

0 引 言

根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的橋梁倒塌事故分析，跨航道橋梁倒塌主要是因為船舶的撞擊，且船舶撞擊橋梁還會帶來非常嚴重的后果[1-2].船橋碰撞問題的研究也逐漸受到了工程界及各國政府和學(xué)者的重視.

根據(jù)防撞形式的不同，將橋墩防撞設(shè)施分為主動防撞及被動防撞兩大類[3].王君杰等[4]將防船撞設(shè)施分為3大類，分別為：一體式、附著式，以及獨立式的防撞設(shè)施，并對各大類防撞設(shè)施進行了較為具體詳細的劃分.劉建成等[5-6]在已有研究成果的基礎(chǔ)上，進一步研究了若干典型的船橋碰撞問題的計算方法，并通過有限元數(shù)值模擬的方法，計算了船橋碰撞過程中橋墩的損傷情況及動態(tài)響應(yīng)特性，得出了能量轉(zhuǎn)換、船撞力，以及碰撞過程中橋墩的動態(tài)響應(yīng)的特點和一般規(guī)律.

目前，在實際工程中使用較多浮式套箱與群樁式防撞結(jié)構(gòu)為被動防撞中較為典型的兩種方式.浮式套箱主要通過結(jié)構(gòu)本身的壓壞變形來吸收撞擊能量，群樁式防護裝置主要通過樁彎曲變形來吸收撞擊能量.賈恩實[7]采用數(shù)值模擬對平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋的鋼套箱和V形防撞梁組合式防撞體系進行耐撞性研究.潘晉等[8-9]進行了橋墩蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料防撞結(jié)構(gòu)碰撞性能試驗和數(shù)值分析，表明蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有良好的耐撞性.

本文針對設(shè)防橋梁自身抗撞力較弱的情況，設(shè)計了樁式防撞結(jié)構(gòu)，避免船舶與橋墩之間的接觸以保護橋墩.此外，在群樁外部設(shè)置自浮式套箱，減小船舶撞擊對群樁的損傷，同時滿足水位落差較大的情況.許明財?shù)萚10-11]進行了X形、Y形夾層結(jié)構(gòu)的碰撞試驗，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)形式具有良好的耐撞性.為了提高防撞套箱的耐撞性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用X夾層.通過有限元法對撞擊過程進行分析，驗證防護裝置結(jié)構(gòu)形式的合理性及其吸能效果.

1 防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文計算采用的防撞設(shè)施由樁基和鋼結(jié)構(gòu)浮式套箱組成.其中樁基由八根鋼管混凝土樁，樁之間由鋼管連接，提高整體抗彎能力.單純?nèi)簶妒椒雷苍O(shè)施主要依靠樁彎曲變形來吸收船舶的撞擊能量，吸能效果有限，而且當發(fā)生船舶撞擊事故時，基本無法修復(fù).因此采用樁基-浮式防撞設(shè)施，見圖1，即能通過樁基部分的彎曲變形吸能，也能通過套箱部分吸收大部分能量，并起到緩沖作用，在保護橋墩的同時，也能對失控船舶起到很好的保護作用[12].套箱首部采用X形隔板結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)整體受力更均勻，減少撞擊過程中的局部破壞，提高了鋼結(jié)構(gòu)套箱的防撞吸能效果.

圖1 防撞設(shè)施布置圖和側(cè)視圖

樁基部分整體長度為54 m，埋入土層的樁基長度為28 m.所采用的浮式套箱高度為3.5 m，整體長度為24.270 m、寬度為21.133 m，套箱內(nèi)部采用鋼結(jié)構(gòu)夾層的設(shè)計方案，由外板及內(nèi)部的隔板組成，為封閉浮式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的隔板間距為0.75 ～0.8 m，X形夾層板開口寬度為1.7 m，套箱前部Y形夾層板的開口寬度為2.1 m，套箱外部的最大厚底為2.5 m，內(nèi)部的箱體寬度為2 m，見圖2.

圖2 套箱結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 碰撞過程數(shù)值模擬

2.1 單元及材料

船體模型采用shell163和beam161單元模擬，套箱模型的X形結(jié)構(gòu)及所有板材均用shell163單元模擬.橡膠護舷和樁基部分則采用solid164單元模擬.

樁采用的材料為C50混凝土，材料模型為各向同性材料(*MAT_ELASTIC)，C50混凝土的材料參數(shù)[13]分別為：密度ρ=2 420 kg/m3，彈性模量E=3.45 MPa，泊松比μ=0.2.橡膠材料的密度ρ=2 100 kg/m3，剪切模量G=1.07×107MPa，泊松比μ=0.463，采用*MAT_BLATZ-KO_RUBBER模型.

鋼結(jié)構(gòu)均采用低碳鋼Q235，所使用的材料模型為各向同性材料(*MAT_ PLASTIC_KINEMATIC)，可考慮失效，且該材料模型與應(yīng)變率相關(guān)，為隨動硬化和各向同性的混合模型[14-16].本文中所使用的低碳鋼Q235材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服應(yīng)力σ0=235 MPa，切線模量為500 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?.3，應(yīng)變率參數(shù)c=40，p=5.

2.2 有限元模型

船舶的基本尺寸見圖3，船舶型寬為15.5 m，船首最大高度為9 m，船長為88 m，型深為5.6 m.其中側(cè)撞為船舶以20°偏角撞擊防撞裝置側(cè)面.船體模型按實際結(jié)構(gòu)尺寸建模，由于船首為直接撞擊部位，船體中后部遠離碰撞區(qū)域，為了減少計算量，船體中后部設(shè)為剛體，船首部分采用精細化網(wǎng)格，網(wǎng)格最大尺寸為0.3 m，船體中后部最大網(wǎng)格尺寸為2 m.有限元模型包括船體和防撞裝置兩部分，分為正撞以及側(cè)撞兩種情況，見圖4.

圖3 船舶基本尺寸

圖4 側(cè)撞和正撞模型圖

套箱與土層上部的樁基部分(樁基上部)均為撞擊過程的直接參與部分，因此也采用精細網(wǎng)格.套箱與樁基上部的網(wǎng)格最大尺寸為0.15 m，埋入土層的樁基部分，遠離撞擊區(qū)域，網(wǎng)格最大尺寸為0.4 m.

2.3 邊界條件及計算工況

對船體結(jié)構(gòu)沒有約束自由度，施加給定的初速度.防撞設(shè)施與樁、船體首都結(jié)構(gòu)采用接觸算法，模擬他們之間力的傳遞.樁基底部約束轉(zhuǎn)動和位移自由度.撞擊船舶和計算工況見表1.

表1 計算工況

3 計算結(jié)果分析

3.1 樁基變形分析

圖5為不同工況下樁頂?shù)奈灰茣r程曲線.不論是橫橋向還是順橋向，工況1中樁基部分位移均為最大.且工況1中樁基橫橋向與順橋向最大位移值為0.67，0.18 m；工況2中樁基橫橋向與順橋向最大位移值為0.028，0.108 m，工況1樁基橫橋向與順橋向最大位移均高于工況2，可見船舶正撞對橋墩及防撞設(shè)施來說最為危險，在船舶撞擊能量相同的情況下，正撞使得樁基部分產(chǎn)生更大的變形.

圖5 樁基頂部最大位移時序曲線

四種工況中，樁頂橫橋向最大位移為0.67 m，順橋向最大位移為0.18 m，均小于防撞設(shè)施在橫橋向與順橋向方向上到橋墩的距離，滿足碰撞過程中防撞裝置不碰到承臺的要求.整個樁基長度為54 m，樁頂橫橋向與順橋向最大偏移量僅為樁長的1.2%，0.3%，樁的最大偏移量也在結(jié)構(gòu)可承受的形變范圍內(nèi).船舶撞擊過程中，樁不會接觸到橋墩，確保橋梁的安全.

各工況樁頂部分最大位移見表2.船舶正撞的情況比側(cè)撞更危險，因此，在防撞設(shè)施設(shè)計的過程中，可對正對船舶撞擊方向上的套箱部分進行結(jié)構(gòu)加強，使防撞設(shè)施在最危險的正撞工況中能夠盡可能的吸收撞擊能量.

表2 樁頂最大位移 m

3.2 撞擊力分析

圖6為碰撞過程中船舶與套箱之間的撞擊力時序曲線.工況1的撞擊力峰值為7.61 MN；工況2的撞擊力峰值為2.88 MN，工況3的撞擊力峰值為3.04 MN；工況4撞擊力峰值為2.67 MN.在同等船舶噸級和撞擊速度的情況下，船舶正撞產(chǎn)生的撞擊力遠大于側(cè)撞產(chǎn)生的撞擊力.相對于正撞工況，船舶以20°偏角側(cè)撞防撞設(shè)施時，船首方向更容易受到防撞設(shè)施的影響，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而減少船首與防撞設(shè)施之間的能量交換，降低撞擊力峰值，因此工況2中船撞力峰值更小，從碰撞開始到撞擊力逐漸衰減的時間也更短.圖7為在撞擊力峰值出現(xiàn)的時刻，各工況下套箱的等效應(yīng)力云圖.

圖6 船舶與套箱撞擊力時程曲線

圖7 撞擊力峰值時套箱等效應(yīng)力云圖

在船舶正撞防撞設(shè)施的情況下，工況1,3,4中套箱在撞擊部位均產(chǎn)生較大變形，工況2中套箱未產(chǎn)生明顯的塑性變形，也沒有出現(xiàn)單元失效的情況.在發(fā)生碰撞事故時，可以通過更換套箱撞擊部位艙段的方式來對防撞設(shè)施進行維護，不需要整體更換套箱.

3.3 能量耗散分析

表3為各工況防撞設(shè)施各部分的吸能情況.船舶撞擊防撞設(shè)施的過程中，船舶的動能主要轉(zhuǎn)化為套箱、樁的塑性及彈性變形能.圖8為能量吸收時程曲線.由圖8可知，在碰撞前期，套箱和樁基的吸能曲線均隨時間增加，套箱部分吸收的能量遠大于樁部分.根據(jù)表3可知，工況1中套箱吸收的能量占防撞設(shè)施總吸能的89.2%，工況2中套箱吸能占總吸能的97.2%，同理工況3為98.6%，工況4為98.5%.說明在碰撞過程中，套箱為主要吸能構(gòu)件，吸能效果遠好于樁基部分，樁基的主要作用是為整個防撞設(shè)施提供一定的剛性支撐效果，起到固定套箱的作用.在樁基-浮式套箱防撞設(shè)施的設(shè)計過程中，對套箱部分則重點考慮其緩沖吸能的作用，通過合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計充分發(fā)揮各部分的作用.

表3 防撞設(shè)施能量吸收 MJ

圖8 能量吸收時程曲線

4 結(jié) 束 語

針對抗撞力較弱的橋梁，本文提出了樁和浮式套箱結(jié)合的新型防撞結(jié)構(gòu).通過數(shù)值方法模擬了船舶與防撞設(shè)施之間的碰撞過程.相對于群樁形式，浮式套箱吸收了大部分的動能，減小了船舶傳遞到樁上的力.此外，撞擊過程中，樁的最大變形也遠小于樁與橋墩之間的距離，從而很好的保護橋墩.在樁基-浮式防撞設(shè)施在設(shè)計中，浮式套箱主要考慮吸能效果，而樁基主要提供支撐力.數(shù)值分析結(jié)果表明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)符合最初的設(shè)計構(gòu)想.樁基-浮式防撞設(shè)施避免船舶接觸橋墩的情況下，以滿足橋梁防撞和水位落差較大的情況，在出現(xiàn)船撞事故時可以更換浮式防撞設(shè)施，易于維護.