基于非線性數(shù)值模擬的橋梁船撞力主要影響因素研究

王紅梅

【摘 要】船舶的碰撞載荷是橋梁設(shè)計(jì)的重要控制數(shù)據(jù)之一。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)船舶與帶FRP防撞浮箱的橋墩碰撞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析船舶在各種工況下的撞擊力時(shí)間歷程，討論船舶撞擊速度、船舶質(zhì)量、船舶撞擊角度等主要因素對(duì)橋梁船撞力的影響，得到船撞力與各影響因素之間的內(nèi)在規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】船橋碰撞；數(shù)值模擬；船撞力

中圖分類號(hào)： U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）31-0155-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.075

【Abstract】The collision load of ship is one of the important control data of bridge design. In this paper， ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software is used to simulate the collision process between ship and pier with FRP anti-collision floating box. This paper analyzes the time history of ship collision force under various working conditions， discusses the influence of ship collision speed， ship mass and ship collision angle on bridge ship collision force， and obtains the internal law between ship collision force and various influencing factors.

【Key words】Ship-bridge collision； Numerical simulation； Ship collision force

0 引言

船橋碰撞理論涉及諸多因素，比如船舶類型、航行速度、撞擊角度、航道水深、流速以及潮汐變化、橋墩外形、墩基穩(wěn)定性等。而船舶的撞擊力主要跟船舶質(zhì)量、船舶撞擊速度、船舶撞擊角度、船舶撞擊位置、承臺(tái)形狀等因素有關(guān)，由于船舶的碰撞載荷是橋梁設(shè)計(jì)的重要控制數(shù)據(jù)之一，目前雖然有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)公式可以來(lái)估算一定噸位船舶對(duì)橋墩的撞擊力，但是其參數(shù)簡(jiǎn)單，不能描述船首結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。而利用非線性有限元軟件，通過(guò)對(duì)碰撞過(guò)程的數(shù)值模擬，是目前獲得船舶撞擊力的最佳和最準(zhǔn)確的方法。

FRP防撞浮箱是應(yīng)用于重慶市嘉陵江黃花園大橋的橋墩防船撞裝置。為研究影響橋梁船撞力的主要因素，本文特選取船舶撞擊速度、船舶質(zhì)量、船舶撞擊角度三個(gè)因素，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)船舶與帶FRP防撞浮箱的橋墩碰撞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)分析船舶在各種工況下的撞擊力時(shí)間歷程，來(lái)分析這三個(gè)因素對(duì)橋梁船撞力大小的影響，從而得到船撞力與各影響因素之間的內(nèi)在規(guī)律[1]。

1 有限元模型

重慶交通科研設(shè)計(jì)院作出的《嘉陵江黃花園大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析咨詢報(bào)告》[2]中指出，嘉陵江黃花園大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于1號(hào)和2號(hào)橋墩，其中2號(hào)橋墩船撞風(fēng)險(xiǎn)較大。黃花園大橋船舶上下水航速均為正態(tài)分布，船舶逆流航速集中在1～5m/s之間，船舶順流航速集中在5～8m/s之間。黃花園大橋船舶偏航角同樣服從正態(tài)分布，船舶的偏航角集中在8°～22°之間。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，建立一艘2000t散貨船、2號(hào)橋墩、FRP防撞浮箱的有限元模型，見(jiàn)圖1。

2 橋梁船撞力主要影響因素分析

2.1 船舶撞擊速度的影響

考慮船舶與FRP防撞浮箱正撞的情況，選用一艘2000t的散貨船為計(jì)算對(duì)象，流體對(duì)船體的作用以附加質(zhì)量來(lái)表示，縱向附連水質(zhì)量取5%的船體質(zhì)量，通過(guò)調(diào)整船舶的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。船舶的初始速度分別為3m/s、5m/s、8m/s，數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖2～4。

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，船舶撞擊力的峰值隨著船舶撞擊速度的增加而增大，當(dāng)速度分別為3m/s、5m/s、8m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值分別為10.1MN、16MN、27.5MN。速度的比值為1：1.67：2.67，對(duì)應(yīng)的船舶最大撞擊力的比值為1：1.58：2.72，兩者比較接近，則可以近似地認(rèn)為船舶撞擊速度與船舶撞擊力峰值之間具有線性關(guān)系。圖5給出了船舶撞擊力峰值與船舶撞擊速度之間的關(guān)系，可以觀察到撞擊力峰值與船舶撞擊速度基本呈現(xiàn)線性關(guān)系[3]。

根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，可以認(rèn)為船撞力的峰值和船舶撞擊速度之間呈現(xiàn)線性關(guān)系[3]。但在進(jìn)行橋梁船撞設(shè)計(jì)時(shí)，選用的設(shè)計(jì)船撞力往往不是這個(gè)峰值，通常是在某個(gè)時(shí)域內(nèi)的平均力[4]，而這個(gè)力和速度之間是否呈現(xiàn)線性關(guān)系，還需要進(jìn)一步研究[3]。

2.2 船舶質(zhì)量的影響

考慮船舶正撞FRP防撞浮箱的情況，按比例調(diào)整船體的所有材料的密度，使船舶的質(zhì)量改變?yōu)?000t、2000t、3000t，附連水質(zhì)量均取5%的船體質(zhì)量來(lái)表示流體的影響，船舶的撞擊速度取3m/s，其他參數(shù)均保持不變。數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖6～8。

在這里，歐洲規(guī)范公式規(guī)定了船舶的撞擊力與船舶質(zhì)量的平方根成正比，因此本次的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2.3 船舶撞擊角度的影響

船撞橋機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，撞擊位置或撞擊角的輕微變化就可能導(dǎo)致撞擊后果發(fā)生顯著的變化。因此，目前國(guó)內(nèi)外在計(jì)算船撞橋撞擊力時(shí)，都考慮了撞擊角度的影響。偏航角是指船舶軸線與航道方向之間的夾角，本文是指船舶在橋梁附近因偏航撞擊橋梁下部結(jié)構(gòu)時(shí)的偏航角度，而撞擊角是指發(fā)生撞擊時(shí)船舶軸線方向與結(jié)構(gòu)物撞擊面所成的角度。當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)幾何形狀和相對(duì)航道位置確定之后，撞擊角大小取決于船舶偏航角度。因此，研究撞擊角度的分布，本質(zhì)上應(yīng)研究偏航角度的分布。

本文研究的船舶撞擊角度是指船舶航行的方向與橋墩的法線之間的夾角，依據(jù)重慶交通科研設(shè)計(jì)院所作出的《嘉陵江黃花園大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析咨詢報(bào)告》，正撞時(shí)，船舶的航行方向與橋墩的法線之間的夾角為0°。為方便研究，將FRP防撞浮箱模型旋轉(zhuǎn)了8°角和22°角，則可認(rèn)為船舶的航行方向就與橋墩法線分別成8°角和22°角，船舶質(zhì)量取2000t，船舶撞擊速度取3m/s，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10～12。

從上圖可以看出，當(dāng)船舶正撞、8°夾角、22°夾角撞擊FRP防撞浮箱時(shí)，其對(duì)應(yīng)的船舶最大撞擊力分別為10.1MN、15MN、14.9MN。隨著船舶撞擊角度的增加，碰撞的持續(xù)時(shí)間在減小，但船舶撞擊力的峰值并沒(méi)有呈現(xiàn)一定的規(guī)律。正撞的時(shí)候碰撞時(shí)間最長(zhǎng)，22°時(shí)碰撞的持續(xù)時(shí)間最短。這是因?yàn)榻嵌仍酱?，船舶沿橋墩法線方向的速度分量就越小。當(dāng)船舶斜向撞擊FRP防撞浮箱時(shí)，沿橋墩法線方向的速度變?yōu)榱慊蛘咦優(yōu)榉捶较驎r(shí)，船舶就會(huì)與FRP防撞浮箱脫離，所以沿橋墩法線方向的速度越小，船舶脫離FRP防撞浮箱所用的時(shí)間就會(huì)越少，那么碰撞持續(xù)的時(shí)間也就越短。但由于碰撞問(wèn)題的復(fù)雜性，涉及的方面比較多，單從以上的算例并不能得出一定的規(guī)律，還需要更多的算例，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繼而進(jìn)行更深一步的研究?，F(xiàn)有的規(guī)范中對(duì)于船舶撞擊角度對(duì)船撞力的影響的規(guī)定并不多，我國(guó)的鐵路橋規(guī)[5]將船舶撞擊角度的影響定義為取其夾角正弦值作為因子，計(jì)入船舶撞擊力中。

3 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬分析來(lái)研究船舶撞擊速度、船舶質(zhì)量、船舶撞擊角度這三個(gè)主要因素與橋梁船撞力的關(guān)系，通過(guò)一系列的數(shù)值模擬算例得到以下結(jié)論：

船舶撞擊力的峰值與船舶撞擊速度之間具有線性關(guān)系，但是如何選擇設(shè)計(jì)船撞力及設(shè)計(jì)船撞力是否和船舶撞擊速度成線性關(guān)系還需要進(jìn)一步研究[3]；

船舶撞擊力的峰值隨著船舶質(zhì)量的增加而增加，與船舶質(zhì)量的平方根具有線性關(guān)系[3]；

船舶撞擊力的峰值與船舶撞擊角度的關(guān)系比較復(fù)雜，還需要作大量的算例，統(tǒng)計(jì)分析，作更深入的研究[3]；

【參考文獻(xiàn)】

[1]宗莉娜，劉偉慶，方海，莊勇.船橋碰撞中各因素對(duì)船撞力影響的研究[J].江蘇船舶，2016（6）：9-12.

[2]汪宏，耿波.嘉陵江黃花園大橋船撞風(fēng)險(xiǎn)分析咨詢報(bào)告[R].重慶：重慶交通科研設(shè)計(jì)院，2008.45-50.

[3]顏海泉.影響橋梁船撞力的主要因素的數(shù)值模擬研究[A].王福敏，王君杰.橋梁船撞研究與工程應(yīng)用-2011年全國(guó)橋梁船撞學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].重慶：人民交通出版社，2011.327-334.

[4]AASHTO. Guide Specifications and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges. American Association of State Highway and Transportation Official ，Washington D.C，1991.

[5]王勝斌，朱宇.內(nèi)河橋梁船撞力計(jì)算方法比較分析[J].工程與建設(shè)，2009，23（1）：9-11.