橋梁防撞設(shè)計(jì)中船舶撞擊力計(jì)算方法分析

許富琳，陳立新

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430060）

橋梁防撞設(shè)計(jì)中船舶撞擊力計(jì)算方法分析

許富琳，陳立新

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430060）

介紹了理論公式計(jì)算、碰撞試驗(yàn)和有限元仿真分析3種目前常用的船舶-橋梁撞擊力計(jì)算分析方法；以北江航道擴(kuò)能升級(jí)工程中的白土大橋?yàn)槔瑢?duì)比分析了中國(guó)公路、鐵路規(guī)范和歐美規(guī)范中所推薦的撞擊力公式的計(jì)算結(jié)果，分析了理論計(jì)算公式的局限性，探討了有限元仿真分析應(yīng)用于撞擊力計(jì)算的優(yōu)越性，為橋梁防撞設(shè)計(jì)提供參考。

橋梁；防撞設(shè)計(jì)；船舶撞擊力；有限元仿真分析

隨著公路、水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的跨越航道的橋梁投入使用，船舶數(shù)量、噸位和航速不斷增加，船舶與橋梁相撞事故時(shí)常發(fā)生，造成巨大人員、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面的損失。JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》明確規(guī)定航道內(nèi)可能遭受大型船舶撞擊的橋墩應(yīng)進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。

船舶撞擊力的確定是防撞設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)，船舶撞擊力選取是否恰當(dāng)，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和防撞方案的經(jīng)濟(jì)性。由于船舶與橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞過(guò)程十分復(fù)雜，與碰撞時(shí)的環(huán)境（風(fēng)浪、氣候、水流等）、船舶特性（船舶類型、尺寸、行進(jìn)速度、裝載情況及船首、船殼的強(qiáng)度與剛度等）、橋梁結(jié)構(gòu)（構(gòu)件尺寸、形狀、材料、質(zhì)量和抗力特性等）及駕駛員的反應(yīng)時(shí)間等因素有關(guān)，要確定船舶對(duì)橋梁的撞擊力非常困難?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范涉及橋梁-船舶撞擊力的內(nèi)容不多，且國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)船舶撞擊有一定研究，但由于撞擊過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，采用不同的分析方法，計(jì)算結(jié)果相差較大，導(dǎo)致撞擊力的取值在工程設(shè)計(jì)中存在較大困難。

1 船舶-橋梁撞擊力計(jì)算方法

目前國(guó)內(nèi)外常用的船舶-橋梁撞擊力計(jì)算方法有理論公式、碰撞試驗(yàn)和有限元仿真分析。

1.1 理論公式

包括中國(guó)公路、鐵路規(guī)范在內(nèi)，世界上不同組織提出了數(shù)十種船舶撞擊力的經(jīng)驗(yàn)公式。這些公式計(jì)算快捷、簡(jiǎn)便，但它們是在特定的船型、速度和角度等撞擊情況下通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得來(lái)的，通常存在一定的局限性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際撞擊情況有較大差別，而且采用不同的公式，計(jì)算結(jié)果也不盡相同。

較常用的船舶撞擊力計(jì)算公式有4種：1）JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取消了1～3級(jí)航道撞擊作用的推薦設(shè)計(jì)值，參考漂流物的撞擊公式［見式（1）］計(jì)算船舶撞擊力；2）TB 10002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中的撞擊力計(jì)算公式［見式（2）］；3）AASHTO1994《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中的船舶撞擊力計(jì)算公式［見式（3）］；4）國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）采用的索爾-諾特-格林納計(jì)算公式［見式（4）］。

式中：W為船舶重量（k N）；v為撞擊速度（m／s）；T為撞擊時(shí)間（s）；γ為動(dòng)能折減系數(shù)；α為船只與橋梁撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角；C1、C2為船舶和墩臺(tái)的彈性變形系數(shù)（m／k N）；DWT為船舶噸位（t）；Dact為船撞擊時(shí)排水量（t）；Dmax為船滿載時(shí)排水量（t）。

上述計(jì)算公式中考慮的因素不盡相同（見表1），具有以下特點(diǎn)：1）都是從能量理論、試驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算三方面推導(dǎo)出的；2）都與船舶的航行速度和船舶重量有關(guān)；3）均認(rèn)為船舷與被撞結(jié)構(gòu)發(fā)生全接觸，未考慮被撞結(jié)構(gòu)尺度、形狀對(duì)于撞擊力的影響；4）在特定假設(shè)條件下推出，在使用上均有一定的局限性。

1.2 碰撞試驗(yàn)

從20世紀(jì)80年代初開始，世界各國(guó)開始進(jìn)行船舶碰撞試驗(yàn)，通過(guò)一系列碰撞模型試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)損傷變形、沖擊力歷程和能量交換過(guò)程，進(jìn)而驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的符合程度。結(jié)果表明：船舶撞擊力與結(jié)構(gòu)變形之間存在非常復(fù)雜的關(guān)系，具有很強(qiáng)的非線性特征。碰撞試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：由于船舶碰撞現(xiàn)象表現(xiàn)為強(qiáng)非線性，許多細(xì)節(jié)無(wú)法用理論模型來(lái)表達(dá)，通過(guò)模型試驗(yàn)可從中獲取可靠數(shù)據(jù)，認(rèn)識(shí)碰撞過(guò)程中的各種影響因素。缺點(diǎn)：由于模型試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，試驗(yàn)周期長(zhǎng)且普遍適用性差，在工程中對(duì)每座橋梁進(jìn)行模型試驗(yàn)顯然是不切實(shí)際的。

表1 各規(guī)范船舶撞擊力計(jì)算中考慮的因素

1.3 有限元仿真分析

隨著計(jì)算機(jī)在運(yùn)算速度、內(nèi)存容量和圖形功能等方面的發(fā)展，軟件技術(shù)不斷推陳出新，目前已成功開發(fā)了許多非線性有限元仿真軟件，如ANSYS／LS -DYNA、ABAQUS、MSC／DYTRAN和MARC等，運(yùn)用這些仿真軟件可完成船舶-橋梁碰撞的計(jì)算。在模擬準(zhǔn)確的情況下，通過(guò)有限元仿真計(jì)算結(jié)果與碰撞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。因此，有限元仿真分析越來(lái)越受到青睞。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

以北江（韶關(guān)—烏石）航道擴(kuò)能升級(jí)工程中的白土大橋?yàn)槔瑢?duì)船舶-橋梁撞擊力理論公式計(jì)算結(jié)果與有限元數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

白土大橋是一座空腹式梁拱組合結(jié)構(gòu)橋梁，采用實(shí)體式橋墩。航道整治后，北江航道等級(jí)由五級(jí)提升為三級(jí)，通航船舶噸位從300 t提升為1 000 t，船型尺寸、船舶噸位提升顯著，且船舶通航流量大幅增加，導(dǎo)致橋梁被船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)加大。而白土大橋建成時(shí)間較早，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，不能滿足1 000 t船舶的撞擊，需增設(shè)防撞設(shè)施。在確定防撞設(shè)施方案、尺寸之前，需確定船舶與橋梁的撞擊力。

根據(jù)航道現(xiàn)狀和總體規(guī)劃，北江航道的設(shè)計(jì)代表船型為1 000 t級(jí)內(nèi)河干貨船和1 000 t級(jí)多用途集裝箱船，船型尺寸見表2。

表2 北江航道設(shè)計(jì)代表船型的尺寸m

選取代表船型中尺寸大的1 000 t級(jí)內(nèi)河干貨船作為設(shè)計(jì)計(jì)算船型，該船型的三維視景見圖1。

圖11 000 t級(jí)干貨船的三維視景

2.2 船舶-橋梁撞擊力計(jì)算

2.2.1 理論公式計(jì)算

假設(shè)1 000 t級(jí)內(nèi)河干貨船在3 m／s的航行速度下以90°正面撞擊橋梁，運(yùn)用上述4種規(guī)范中的撞擊力公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表31 000 t船舶撞擊力計(jì)算結(jié)果 MN

由表3可看出：采用AASHTO1994規(guī)范和歐洲IABSE規(guī)范中的公式計(jì)算的船舶撞擊力相近，與中國(guó)兩規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果相比偏大。由于各種規(guī)范采用的是根據(jù)各自研究成果形成的經(jīng)驗(yàn)公式，而實(shí)際情況下航行的船舶類型、主尺度離散性很大，橋墩形式也有很大差別，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算所得的結(jié)果常與實(shí)際有較大差距。

2.2.2 有限元仿真分析

采用通用非線性有限元軟件ANSYS／LS-DYNA建立包括船體和橋墩兩部分的有限元模型，船舶分別采用梁?jiǎn)卧?、桿單元及殼單元模擬，橋墩采用實(shí)體單元模擬。船首部位采用Plastic Kinematic材料模型，橋墩采用ELASTIC材料模型，其余部位采用ELASTIC材料模型。計(jì)算模型見圖2。通過(guò)計(jì)算分析，得到船舶撞擊過(guò)程中的時(shí)間-碰撞力曲線（見圖3）。

圖2 船舶-橋梁撞擊有限元模型

圖3 船舶撞擊過(guò)程中的時(shí)間-碰撞力曲線

由圖3可看出：撞擊過(guò)程中，船舶瞬時(shí)撞擊力峰值為7.41 MN，比采用中國(guó)規(guī)范公式計(jì)算的數(shù)值偏大，介于中國(guó)規(guī)范與歐美規(guī)范理論計(jì)算值之間。有限元仿真分析考慮了船舶與橋梁的材料、尺寸及碰撞時(shí)的結(jié)構(gòu)變形等因素，其精度比理論公式更高。

3 結(jié)語(yǔ)

下的一種復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，涉及多門學(xué)科，很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型使之完全解析，而實(shí)體碰撞試驗(yàn)研究耗資巨大難以付諸實(shí)施。隨著數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)和計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的提高，采用有限元仿真模型進(jìn)行船舶-橋梁虛擬碰撞試驗(yàn)成為可能。通過(guò)理論公式、模型試驗(yàn)、有限元分析結(jié)果對(duì)比，在模擬準(zhǔn)確的情況下，有限元分析結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果基本接近，計(jì)算精度能滿足工程設(shè)計(jì)需要，而理論公式計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果差距較大。因此，有限元數(shù)值仿真分析必將成為計(jì)算船舶-橋梁撞擊力的首選方法，并在工程實(shí)踐中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

［1］ JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［2］ 國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（IABSE）.交通船只與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響（綜述與指南）［R］.國(guó)際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)，1991.

［3］ AASHTO1994，美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 李雅寧.船橋碰撞的非線性有限元仿真研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2000.

［5］ 陳國(guó)虞.關(guān)于船對(duì)橋墩的正撞力［A］.第15屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［6］ 姜河蓉.船和橋墩防撞裝置碰撞仿真模擬研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

［7］ 涂紅軒.橋墩撞擊力計(jì)算方法及應(yīng)用［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2008（2）.

［8］ 段敏，王銀輝，袁偉東.船舶撞擊橋梁分析方法探討［J］.公路與汽運(yùn)，2015（6）.

［9］ 張峰.跨海大橋橋墩防撞技術(shù)［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

由于船舶與橋梁的碰撞是在瞬間巨大荷載作用

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