船橋碰撞中各因素對船撞力影響的研究

宗莉娜,劉偉慶,方 海,莊 勇

(1.江蘇開放大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210036；2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430034)

船橋碰撞中各因素對船撞力影響的研究

宗莉娜1,劉偉慶2,方 海2,莊 勇3

(1.江蘇開放大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210036；2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430034)

對國內(nèi)外常用的橋梁船撞力簡化計算公式進(jìn)行了討論和分析，剖析了國內(nèi)現(xiàn)有的規(guī)范公式所存在的問題。通過大量的船舶撞擊剛性墻的數(shù)值模擬，研究船舶速度、噸位、接觸面積對船撞力大小的影響。

船橋碰撞;有限元仿真;船撞力

0 引言

船舶撞擊橋墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撞擊力與多種因素相關(guān)，如船頭形式、船舶噸位、碰撞方向、運行速度、水的作用、橋墩剛度以及橋墩截面形狀和尺寸等。即使是撞擊相同的橋，不同的撞擊條件下所得到的船撞力大小也各有不同。此外，船艏的結(jié)構(gòu)形式和尺寸也將會影響撞擊作用時接觸面的大小和形狀。由相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)：同一噸位級別但不同類型的船舶，由于船艏結(jié)構(gòu)形式與尺寸大小不同，導(dǎo)致的碰撞作用也有所差異。本文主要研究船舶噸位、船舶運行速度、船艏的結(jié)構(gòu)形式以及船橋碰撞的接觸面積等因素對船撞力大小的影響，從而分析得到船撞力與各影響因素之間的內(nèi)在規(guī)律。

1 船橋撞擊力經(jīng)驗公式及其比較

1.1 橋梁船撞力的實用計算方法

由于船撞問題的復(fù)雜性，各國學(xué)者也都進(jìn)行研究，所以用于計算船撞力的經(jīng)驗公式也較多，主要有以下幾種。

1.1.1 美國公路橋涵設(shè)計規(guī)范公式

1991年，美國各州運輸官員協(xié)會(AASHTO)頒布了《公路橋梁防撞設(shè)計指南》，提出船撞力的經(jīng)驗公式為：

P=0.98(DWT)1/2(v/8)

(1)

1994年將公式修改為：

(2)

式中：P為等效靜態(tài)撞擊力，N；v為撞擊速度，m/s；DWT為船舶載重噸位，t。

1.1.2 歐洲規(guī)范公式

1999年，歐洲規(guī)范Eurocodel提出船舶的撞擊力可以按照式(3)計算。

(3)

式中：K為船舶的剛度，其中，內(nèi)陸航道K=5MN/m、v=3m/s，海洋航道K=15MN/m、v=3m/s；M代表船舶質(zhì)量，kg。

1.1.3Woisin公式及其修正

Woisin教授對散裝貨船與剛性墻的碰撞進(jìn)行了縮尺模型試驗，從而歸納得到了散裝貨船撞擊橋墩的平均撞擊力的簡化公式：

(4)

1.1.4 我國公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范公式

通航河道中的橋梁結(jié)構(gòu)所受到的船舶撞擊力大小，可以近似按漂流物撞擊進(jìn)行計算：

P=Gv1/(gt)

(5)

式中：P為漂流物撞擊力，N；G為漂流物重力，kN；v1為水流速度，m/s；t為撞擊時間，一般取1s；g為重力加速度，m/s2。

1.1.5 我國鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范公式

我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[1]中將船舶與橋梁結(jié)構(gòu)的撞擊力等效為一偶然載荷，也是采用的“靜力法”進(jìn)行計算，即假定船舶的初始動能全部轉(zhuǎn)化為船撞力所完成的總功。假設(shè)船舶的質(zhì)量為m，運行速度為v2，撞擊角度為α，根據(jù)碰撞前后的功能互等原理得到撞擊力：

(6)

1.1.6 其他經(jīng)驗公式

挪威路橋局規(guī)定了船舶撞擊橋梁的碰撞力大小公式為： P=3.5(DWT)1/3。北歐道路局對渡輪撞擊橋梁的碰撞力取為： P=0.5(DWT)1/2。國內(nèi)，錢鏵[2]基于對船橋碰撞的研究，提出了船撞力公式：

式中：Ca為反映P和M、v的相關(guān)參數(shù)；Cb為橋墩的剛度變化時船撞擊力變化的參數(shù)。

此外，同濟(jì)大學(xué)王君杰[3-5]、上海交通大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院劉建成等[6-7]也進(jìn)行了很多研究。

1.2 國內(nèi)外規(guī)范經(jīng)驗公式對比分析

根據(jù)以上經(jīng)驗公式取2 000～30 000t船舶進(jìn)行計算。由于歐洲規(guī)范規(guī)定內(nèi)河航道速度取3m/s，所以對于各公式中的水流速度、撞擊速度、運行速度都取v=3m/s。根據(jù)各公式計算的結(jié)果見圖1。

圖1 各規(guī)范船撞力與船舶噸位的變化

從圖1的計算結(jié)果可以看出，我國鐵路橋規(guī)公式(γ=0.3)計算得到的船撞力結(jié)果始終最小，且是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他公式的計算結(jié)果。公路橋規(guī)公式曲線斜率較陡，在船舶噸位較小時其計算結(jié)果較小，但隨著船舶噸位變大的過程中計算值變化太大。

2 船橋碰撞力的影響因素分析

本文采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值計算，研究各因素對船撞力的影響。

2.1 船舶參數(shù)及有限元模型

2.1.1 船舶質(zhì)量及尺寸

本文采用的船舶噸位級別主要有1 000、3 000、5 000 t這3種。各噸位船舶的具體參數(shù)見表1，表中，船高代表船舶型深。

表1 不同噸位船舶的各類參數(shù)表

2.1.2 船舶的有限元模型

船橋接觸碰撞過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的非線性變化，如船舷結(jié)構(gòu)會發(fā)生屈曲、壓潰等破壞現(xiàn)象，因此要確保整個撞擊過程的真實性，必須準(zhǔn)確地模擬船舷的形狀和構(gòu)造。圖2為各種噸位船舶的有限元模型[8]?；谛屎途葍煞矫娴目紤]，將計算模型的船頭處的網(wǎng)格劃得很密，向后逐漸變疏；認(rèn)為船身部分并不發(fā)生變形，而假設(shè)為剛性體，以便可以精細(xì)地模擬船頭處的壓潰變形及破壞。

圖2 船舶有限元模型

2.2 船舶運行速度

船舶的噸位和運行速度直接決定了發(fā)生船橋碰撞時的總能量大小。國內(nèi)的公路和鐵路規(guī)范、美國規(guī)范以及歐洲規(guī)范均將船舶運行速度對碰撞力的影響作用直接表示為：船撞力與速度大小完全成正比關(guān)系，由此說明，運行速度對船舶撞擊作用的影響是很顯著的。

本文以1 000 t級船舶為模型，分別取船舶碰撞速度為1、4、6 m/s。3種工況下的船撞力時程曲線如圖3所示。

圖3 不同速度下的船撞力時程曲線圖

從圖中看出，船撞力的最大值隨著速度的增加而增大。當(dāng)速度分別為1、4、6 m/s時，所相應(yīng)的船撞力最大值分別為3.16、13.04、18.79 MN，船撞力達(dá)到最大峰值的時間分別為0.81、0.77、0.74 s，其比值為：1：4.13：5.96，與速度的比值1：4：6非常接近，因而可以近似認(rèn)為最大船撞力與運行速度和之間呈線性增長。

為了更好地反應(yīng)最大船撞力與速度之間的關(guān)系，進(jìn)一步模擬了3 000、5 000 t船舶在不同速度下的撞擊情況，并且增加了2、8 m/s這2種速度。具體的計算結(jié)果見表2。

表2 各噸位船舶在不同速度下的船撞力計算結(jié)果

將表中的計算結(jié)果繪于圖4。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，船撞力的最大值與船舶速度之間的關(guān)系基本上是呈線性增長的趨勢。

圖4 船舶撞擊力與速度的關(guān)系

2.3 船舶噸位

由表2結(jié)果得到的不同速度下船舶撞擊力與噸位的關(guān)系曲線圖如圖5所示。圖中，最大撞擊力與船舶質(zhì)量或噸位成非線性關(guān)系，而且其增長趨勢比較符合冪函數(shù)規(guī)律，因此可采用冪函數(shù)的形式對其進(jìn)行擬合。選用冪函數(shù)y=axb的形式，可以擬合出各船舶速度下的船撞力與噸位的關(guān)系曲線。

圖5 船舶撞擊力與噸位的關(guān)系

具體擬合過程中得到的各參數(shù)取值見表3。

表3 船撞力與墩身寬度關(guān)系曲線的擬合結(jié)果

由表3的擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：冪次方b均是介于0.5～1.0之間，因此，船舶撞擊力既不是國內(nèi)鐵路橋規(guī)中與船舶噸位成正比的關(guān)系，也不是美國規(guī)范和修正的Woisin公式中的與船舶噸位開方成正比的關(guān)系，而應(yīng)該是介于兩者之間。

2.4 船橋碰撞接觸面積

在船橋碰撞事故中，由于不同的水位以及不同橋墩類型等因素都會影響船舶與橋墩碰撞時的接觸面積的大小，而接觸面積的大小可能會對船橋碰撞力產(chǎn)生影響，因此，有必要研究不同撞擊接觸面積對船撞力的影響。

本文模擬了3 000 t船舶與剛性墻的3種不同相對位置的碰撞工況，即整個船艏與剛性墻完全接觸、僅讓船的整個球鼻部分與剛性墻發(fā)生碰撞以及僅讓船球鼻的下部分與剛性墻發(fā)生碰撞。3種工況的船橋碰撞模型和計算結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同接觸面積下船與剛性墻碰撞模型

圖7 船艏不同接觸面積下的船撞力比較

從圖7可以看出，3種碰撞情況下船撞力峰值分別為：27.20 MN(整個船頭撞擊)，17.36 MN(整個球鼻撞擊)，15.82 MN(部分球鼻撞擊)。這一結(jié)果說明當(dāng)接觸面積越大時船撞力的峰值也越大。

此外，當(dāng)整個船頭與剛性墻接觸時碰撞過程持續(xù)了約1.41 s；當(dāng)整個球鼻與剛性墻接觸時，碰撞過程持續(xù)了1.79 s；當(dāng)僅有部分球鼻與剛性墻接觸時，碰撞過程則持續(xù)了1.85 s。從上述現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接觸面積增大時撞擊過程的總時間會減少。之所以會產(chǎn)生以上的現(xiàn)象，很可能是因為：在相同條件下，當(dāng)接觸面積大時，2個相撞的物體之間產(chǎn)生相互作用力也增大了。從整個系統(tǒng)的動量轉(zhuǎn)化來看，首先是船舶的動量不斷地減少直至為零，然后受到橋墩的反作用而獲得少量的反向動量。

船撞力對時間的積分結(jié)果見表4。從表4中的各積分結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3條船撞力時程曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積即沖量相當(dāng)接近。因此，盡管接觸面積有所不同，但可以認(rèn)為在碰撞過程中∫f(t)dt的取值是近似相同的，即雖然船橋碰撞的部位不同，碰撞過程中總的沖量是接近的[9]。

表4 船撞力對時間的積分結(jié)果

因此，在總沖量相同時，接觸面積越大，2個相撞物體船、橋之間產(chǎn)生相互作用力的峰值越大，碰撞所持續(xù)的時間也就越少。

3 結(jié)論

本文主要研究船橋碰撞中各因素對撞擊力的影響，研究得出如下結(jié)論。

(1)通過研究船舶正碰剛性墻，得出了最大船撞力與速度近似成正比的關(guān)系，與目前經(jīng)驗公式中船撞力與運行速度大小成正比的規(guī)定是一致的。

(2)船舶噸位對船撞力的影響既不是我國公路橋規(guī)所表示的與噸位成線性關(guān)系，也不是 AASHTO和修正的Woisin中與噸位開方成正比關(guān)系，而是介于兩者之間。

(3)當(dāng)船橋碰撞接觸面積越大，船撞力峰值也相應(yīng)增大，而碰撞過程的持續(xù)時間相應(yīng)減少。

[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范：TBl0002D1—2005[S]. 北京：中國鐵路出版社，2005.

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2016-07-20

國家自然科學(xué)基金重點項目(51238003)；國家自然科學(xué)青年基金(51008157)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(12KJA580002)

宗莉娜(1989—)，女，助教，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。

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