夾層結(jié)構(gòu)曲面環(huán)形浮式橋墩防撞套箱碰撞分析

許薛軍 單成林

摘要：針對船舶撞擊橋梁的安全問題，提出一種鋼聚氨酯鋼夾層板制作的新型曲面環(huán)形浮式橋墩防撞套箱.采用顯式動力瞬態(tài)非線性有限元軟件ANSYS/LSDYNA建立了船舶撞擊橋墩的仿真模型，通過撞擊過程中船舶撞擊力和速度的變化，分析了船舶、防撞套箱、橡膠護(hù)舷、橋墩之間的能量轉(zhuǎn)換以及防撞套箱撞擊部位的受力和變形.研究表明：當(dāng)防撞套箱受最不利撞擊時，夾層板曲面環(huán)形橋墩防撞套箱能吸收70%的船舶撞擊能量，且具有節(jié)省箱內(nèi)加勁板及支架、構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕等特點.本文提出的橋墩防撞套箱具有良好的抗沖擊性能和彈塑性能，為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：橋梁工程；防撞設(shè)施；夾層結(jié)構(gòu)；曲面套箱；碰撞分析

中圖分類號：U443.26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著內(nèi)河航運的發(fā)展，船舶撞擊橋梁事件日益增多，橋梁的防撞研究引起了廣泛關(guān)注.目前，柱式橋墩的防撞裝置有多種，就浮式套箱橋墩防撞設(shè)施而言，大多采用鋼板制作的套箱、型鋼制作的桁架鋼圍套及多種材料制作的組合結(jié)構(gòu)套箱等＼[1-3＼].這些防撞設(shè)施具有鋼材用量大、構(gòu)造復(fù)雜、瞬時轉(zhuǎn)移撞擊能量差等不足.文獻(xiàn)表明，夾層聚氨酯鋼板易制作成弧形曲面，夾層板本身具有良好的抗沖擊性能，已廣泛應(yīng)用于船舶維修＼[4-6＼].采用鋼聚氨酯鋼夾層板制作的懸浮式曲面環(huán)形橋墩防撞套箱，能大幅提升橋墩的防撞能力，與鋼套箱相比，節(jié)省了很多箱內(nèi)加勁板及支架，構(gòu)造簡單，質(zhì)量輕＼[7＼].本文采用ANSYS/ LSDYNA及LSPREPOST 有限元分析軟件，考慮碰撞過程中材料非線性、幾何非線性、接觸非線性等因素，研究了鋼聚氨酯鋼夾層結(jié)構(gòu)浮式曲面環(huán)形橋墩防撞套箱的動力碰撞性能，并用于廣東省清遠(yuǎn)市陽山縣陽山橋橋墩防撞工程.

1曲面環(huán)形橋墩防撞套箱構(gòu)造

根據(jù)橋墩防撞特點、橋墩外形以及夾層聚氨酯鋼板的抗沖擊特點，本文設(shè)計的防撞套箱外形類似救生圈，如圖1所示.該防撞套箱套在橋墩柱上，懸浮在水面上，可自由轉(zhuǎn)動，有利于瞬時改變撞擊方向，有效轉(zhuǎn)移船舶的撞擊能，從而使橋墩免受正面撞擊.考慮到船頭高度及有利于消能，套箱的截面形式做成橢圓形，如圖2所示.按照陽山大橋橋墩尺寸和通航等級，經(jīng)試算，防撞套箱內(nèi)直徑1.7 m，外直徑4.7 m，套箱與直徑1.5 m混凝土墩柱間設(shè)置100 mm的間隙，以便在套箱內(nèi)側(cè)固定厚度小于間隙的橡膠護(hù)舷墊塊.套箱的橢圓截面長軸2.5 m，短軸1.5 m；鋼聚氨酯鋼夾層板的厚度組合為8 mm60 mm6 mm.

為施工方便，防撞套箱可分為4個對稱構(gòu)件（圖1未標(biāo)識接頭）加工制作，每個構(gòu)件由若干塊曲面板拼焊而成，構(gòu)件的鋼板內(nèi)表面經(jīng)噴砂粗糙及除銹處理后，灌注聚氨酯芯層，再運抵現(xiàn)場拼裝.

2建立撞擊仿真模型

船舶撞擊橋墩是一個瞬態(tài)的沖擊過程， 防撞套箱上的碰撞區(qū)域在很短的時間內(nèi)發(fā)生彈塑變形，如屈曲、凹陷、褶皺和撕裂＼[8＼].本文采用有限元仿真分析方法模擬船舶撞擊橋墩，用ANSYS/LSDYNA有限元計算軟件模擬計算懸浮防撞套箱、橋墩、船舶三者的受力和變形＼[9-11＼]，并考慮了幾何非線性、材料非線性和接觸非線性.本文提出的防撞套箱是一種新的夾層材料防撞結(jié)構(gòu)，研究的主要目的是探討其具有共性的基本防撞性能，為實際工程應(yīng)用提供理論支撐.具體的橋墩防撞應(yīng)用，需結(jié)合船體和橋墩的實際情況進(jìn)行定量分析.基于此，建立有限元計算模型時做了以下簡化：

1）本文重點研究夾層板曲面環(huán)形橋墩防撞套箱的防撞性能，不考慮船體變形破壞吸收的能量，用質(zhì)量塊剛體撞擊模擬船舶撞擊；

2）船舶撞擊防撞套箱時，不考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)對能量的轉(zhuǎn)移吸收；

3）在撞擊過程中，水介質(zhì)吸收的能量等效為一定的附加水質(zhì)量 ＼[12＼].

2.1模型材料參數(shù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，聚氨酯、鋼板、橋墩混凝土的參數(shù)見表1.

此外，聚氨酯的沖擊強度為24 kJ/m2，非線性剪切應(yīng)力參數(shù)為0.

2.2有限元模型及計算

計算模型采用控制單元邊長的方法來建立有限元單位網(wǎng)格，但進(jìn)一步細(xì)分了墩柱與套箱接觸部位的單元網(wǎng)格，模型中單元網(wǎng)格的最小特征長度約為120 mm.

采用ANSYS/ LSDYNA中提供的3維顯式單元劃分算法，橋墩及防撞結(jié)構(gòu)共劃分為37 909個單元，其中曲面套箱夾層板采用BelgtschkoTsag單點積分的殼單元算法和薄殼空間SHELL163單元，共12 709個，墩柱混凝土及橡膠護(hù)舷采用單節(jié)點積分算法和SOLID164單元，共25 200個.套箱與墩柱之間設(shè)置橡膠護(hù)舷，護(hù)舷與墩柱單元劃分一致，采用共用節(jié)點固接.由于套箱接觸面為曲面，以致護(hù)舷與套箱的連接節(jié)點不完全重合，本文采用ANSYS軟件中CPTINF命令，將護(hù)舷與套箱接觸面上節(jié)點轉(zhuǎn)化為耦合連接.由于主要研究對象為套箱，設(shè)墩柱頂自由，墩柱底固結(jié).計算模型如圖3所示.

該計算模型不考慮船體在碰撞過程中的能量消耗，假設(shè)船體為剛性體單元，幾何尺寸為1.5 m×1.5 m×2.0 m.碰撞體的質(zhì)量和剛度一定時，撞擊力的大小主要取決于碰撞速度＼[13＼].按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D60-2004）》， 100 t級船舶的運行速度在8～11 km/h之間，本文取碰撞體的初速度為2.6 m/s.

接觸模擬是碰撞計算分析的關(guān)鍵，直接影響計算結(jié)果.本仿真模型計算采用面面接觸式碰撞，船舶的撞擊面為主面，其上的節(jié)點為主節(jié)點，防撞套箱上的節(jié)點為從節(jié)點，接觸算法采用對稱罰函數(shù).碰撞過程中，船舶剛體與鋼套箱表面、套箱內(nèi)側(cè)與橡膠護(hù)舷、橡膠護(hù)舷與墩柱壁之間均存在摩擦.摩擦因數(shù)隨著潤滑條件的不同變化很大，且在變形的彈性階段，隨著壓力增大而增大，在變形的塑性階段，變化非常復(fù)雜，一般在0.03～0.45之間.考慮到摩擦能量的損失并不大，本計算假設(shè)靜動摩擦因數(shù)均等于0.15，不考慮碰撞過程中壓力變化影響.本文計算采用船體質(zhì)量5%的附加水質(zhì)量，作為流水介質(zhì)對動力的影響.有限元模型計算中，重點分析夾層結(jié)構(gòu)的曲面環(huán)形套箱的撞擊性能，橋墩柱底固結(jié)，不考慮船體和橋梁上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移吸收的能量.