銅陵長江公路大橋增設(shè)防船撞設(shè)施的效能分析

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽合肥230001)

隨著國內(nèi)交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，航道上橋梁數(shù)量及航道內(nèi)船舶數(shù)量不斷增加，且船型趨于大型化，船舶撞擊橋墩的事故屢有發(fā)生。為保障橋梁安全，減小船撞過程中的船舶損傷，橋梁應(yīng)配布防船撞設(shè)施已成為業(yè)內(nèi)共識。針對橋梁配布防船撞設(shè)施的研究，國內(nèi)外學(xué)者主要采用試驗(yàn)研究法[1-2]、簡化分析法[3]和有限元模擬法[4]等。其中采用有限元法模擬船—橋，船—防船撞設(shè)施的碰撞過程更為直觀和準(zhǔn)確，如劉建成等[5]對黃石長江大橋的箱型防撞裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較分析了防撞裝置各構(gòu)件的吸能情況，得出水平甲板吸能最多、橫縱艙壁其次、外板吸能最小等結(jié)論，但該模擬僅針對同一裝置、同一尺寸、不同工況的條件，未對裝置中構(gòu)件不同尺寸條件下的吸能情況進(jìn)行分析；潘晉等[6]對不同撞擊位置、防護(hù)裝置厚度及碰撞速度下，船舶—橋墩防護(hù)裝置碰撞進(jìn)行了有限元模擬，且考察了防撞裝置板厚對其性能的影響，一定程度上優(yōu)化了防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，但未明確最佳防撞裝置厚度與船舶構(gòu)造尺寸的關(guān)系；肖波等[7]對某鋼質(zhì)防船撞裝置碰撞過程的模擬分析表明，調(diào)整板厚和骨材布置可改善防船撞裝置的性能；張錫祥等[8]設(shè)計了一種高消能的防撞浮箱結(jié)構(gòu)，姜華等[9]對此浮箱結(jié)構(gòu)防撞性能的研究表明，該防撞裝置箱殼側(cè)板起主要耗能作用。為降低鋼結(jié)構(gòu)防撞設(shè)施的剛度、減小船舶損害，劉偉慶等[10]提出了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為外殼的防撞設(shè)施，冒一鋒等[11]通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了此防撞設(shè)施的消能、防護(hù)能力，但實(shí)際應(yīng)用中復(fù)合材料各節(jié)段之間連接的可靠性有待提高。鋼質(zhì)外殼防撞設(shè)施有利于保證自身穩(wěn)定性已成為業(yè)內(nèi)共識，如何降低鋼質(zhì)外殼強(qiáng)度、減小船舶損傷是研究的重點(diǎn)。

銅陵長江公路大橋原設(shè)計較為經(jīng)濟(jì)，但橋梁本體較為薄弱，大橋外觀剮蹭痕跡明顯，已經(jīng)多次加固，為進(jìn)一步加固保障橋梁安全、減小船舶損傷，橋梁管理單位擬對大橋主1～主5號墩及北引橋19#墩增設(shè)防船撞設(shè)施?；诖?，采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬1 000 t船舶與銅陵長江公路大橋北19#墩增設(shè)的防船撞設(shè)施發(fā)生碰撞的過程，分析不同規(guī)格防船撞設(shè)施的效能情況，以供業(yè)內(nèi)參考和借鑒。

1 有限元模型

依據(jù)銅陵長江公路大橋橋位處2016年3月1日至2017年2月28日時段內(nèi)船舶自動識別系統(tǒng)AIS（Association for Information Systems）數(shù)據(jù)[12]，分析該時段內(nèi)過境船舶的載重噸位、航行軌跡等數(shù)據(jù)，選 取5%概率對應(yīng)船舶載重噸為設(shè)防代表船型，據(jù)此確定北引橋19#墩設(shè)防船舶載重噸為1 000 t，對應(yīng)船速為3 m/s。

1.1 船體模型的建立

1 000 t級船舶尺度為49.8 m×10.2 m×3.49 m（船長×船寬×型深），其船首結(jié)構(gòu)如圖1。船體滿載條件下整船的總質(zhì)量為1 580 t。

圖1 1 000 t級船舶船首結(jié)構(gòu)(單位：mm，L：角鋼，⊥：T型肋板)Fig.1 Bow structure of 1 000 t class ship(unit：mm，L：angle steel，⊥：T-shaped rib plate)

1 000 t級船體模型如圖2。船體部分均為鋼板件，材料為Q235鋼，采用殼單元建模，為兼顧船橋碰撞分析的精度和效率，整體船模型采用分段建模過渡網(wǎng)格的思路，船體殼單元網(wǎng)格大小由船首到船尾逐漸遞增；船首部分是船體碰撞變形區(qū)，該區(qū)域的網(wǎng)格尺寸和類型對船體剛度有較大影響，采用精細(xì)化建模，殼單元網(wǎng)格平均尺寸為50 mm，網(wǎng)格最大程度采用四邊形網(wǎng)格；船尾部分不涉及船體變形問題，主要是其質(zhì)量分配影響船體的動能和運(yùn)動狀態(tài)，采用粗略化建模，殼單元網(wǎng)格平均尺寸為1 000 mm；船首和船尾中間部分單元尺寸過渡增加。

1.2 橋墩模型的建立

19#墩墩身為直徑2 m的圓形雙柱墩，墩高21.939 m；兩墩柱間距為11.4 m，距離墩頂10 m位置墩柱之間布置高2 m、寬1 m的系梁；承臺為工字型承臺，高3 m，承臺底高程2.918 m，承臺頂高程5.918 m；樁徑均為2 m，按鉆孔摩擦樁設(shè)計。

橋墩有限元模型中混凝土模型采用LS-DYNA中MAT-RIGID單元模擬，鋼筋結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，鋼筋結(jié)構(gòu)和混凝土之間的相互作用在模型中采用共節(jié)點(diǎn)的方式連接，變形較大的橋墩部分采用精細(xì)化網(wǎng)格，變形較小的橋面部分采用粗略化網(wǎng)格?？紤]到承臺實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，相對橋墩變形較小，故建模中采用剛性化處理，樁基進(jìn)行完全約束。橋墩中的橫向和縱向鋼筋采用梁單元模擬，按照混凝土實(shí)體網(wǎng)格的大小建模，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體和梁單元共節(jié)點(diǎn)傳遞混凝土和鋼筋之間載荷。

1.3 防船撞設(shè)施模型的建立

19#墩采用自浮式剛?cè)峤Y(jié)合的(combination of rigid and flexible，CRF)防船撞設(shè)施，直徑2 m，構(gòu)造部分參考船舶結(jié)構(gòu)，主要由外筒體(外表面聚脲涂裝)、內(nèi)部加強(qiáng)肋、集束管、高分子阻尼元件、連接接頭、內(nèi)法蘭安裝人孔、注料孔及附件組成，接頭處采用內(nèi)法蘭+高強(qiáng)螺栓的連接方式，構(gòu)造及剖面如圖3，4。

圖3 防船撞設(shè)施構(gòu)造Fig.3 Structure of anti collision facility

圖4 防船撞設(shè)施剖面示意圖(單位：mm)Fig.4 Profile diagram of anti collision facility(Unit：mm)

肖波等[7]模擬結(jié)果表明，防撞裝置中板材是主要的吸能構(gòu)件，特別是外圍板、艙壁板和受撞區(qū)的縱橫加強(qiáng)筋，吸能占總吸能的86.9%。據(jù)此，自浮式CRF防船撞設(shè)施主要依托鋼外殼及內(nèi)部縱橫加強(qiáng)筋破潰吸能，集束管、高分子阻尼元件等構(gòu)件起作用較小。故建立防船撞設(shè)施模型過程中，簡化防船撞設(shè)施內(nèi)部構(gòu)造，僅保留起主要吸能效果的鋼外殼及內(nèi)部縱橫加強(qiáng)筋。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 船舶撞橋墩的結(jié)果分析

采用ANSYS/LS-DYNA模擬載重1 000 t的船舶正面撞擊北引橋19#橋墩的過程，其計算模型及碰撞力F等值線如圖5，船舶正撞時的變形如圖6。由圖6可見，船舶正撞北引橋19#橋墩時，主要變形集中在船首，且船首變形輪廓與橋墩構(gòu)造吻合。

圖7為船舶正撞北引橋19#橋墩時的撞擊能量時程曲線。圖7表明，在沒有防撞設(shè)施的情況下，船舶的動能絕大部分被船首塑性變形吸收，滿足計算要求。圖8為船舶正撞北引橋19#橋墩時的撞擊力時程曲線。由圖8可知：船與橋墩接觸后，撞擊力近似線性上升，t=1 000 ms時，撞擊力達(dá)到峰值，F(xiàn)max=7 402.8 kN；至t=1 125 ms間，撞擊力近乎不變，此后至t=1 270 ms，撞擊力急速減小。考慮到船舶與橋墩間為接觸傳力，只傳遞壓力不傳遞拉力，船墩從t=0 s時開始接觸，橋墩剛度大于船舶，船墩接觸主要為船舶以彈塑性變形貼合橋墩，故船舶變形在最大撞擊力末期達(dá)到最大，此時船速衰減為0，此后船舶開始進(jìn)行彈性變形的恢復(fù)直至脫離橋墩，在t=0～1 270 ms的全程，船舶始終受橋墩撞擊反力的作用而減速；在t=1 270 ms時船舶反彈脫離橋墩，船速為負(fù)值，即改變方向，但船速較小，船舶保留塑性變形。

圖5 船與橋墩正撞計算模型Fig.5 Calculation model of collision between ship and pier

圖6 船舶正撞時的變形Fig.6 Deformation of ship collision

圖7 撞擊能量時程曲線Fig.7 Time-history curves of collision energy

圖8 撞擊力時程曲線Fig.8 Time-history curve of collision force

2.2 船舶撞防船撞設(shè)施的結(jié)果分析

載重1 000 t船舶船體外板厚7 mm，艙內(nèi)筋板壁厚為6～8 mm，文中對防船撞設(shè)施設(shè)計5種壁厚規(guī)格，具體見表1。

表1 防船撞設(shè)施壁厚規(guī)格Tab.1 Specifications of wall thickness of anticollision facility

圖9為船舶與防船撞設(shè)施正撞剖面圖。由圖9可知，船舶先碰觸防船撞設(shè)施，后兩者一起撞擊橋墩，船舶與防船撞設(shè)施均有變形。圖10，11分別為船舶與防船撞設(shè)施正撞時，船首與防船撞設(shè)施變形的模擬結(jié)果。由圖10可知，船舶先撞防船撞設(shè)施，兩者變形至一定程度，繼續(xù)撞擊橋墩，其船首變形與圖6不同。由圖11可見，防船撞設(shè)施并未完全失效，尚能保持自浮功能。

圖12為增設(shè)不同防船撞設(shè)施條件下船舶撞擊力時程曲線。由圖12可知，增設(shè)防船撞設(shè)施后，撞擊力仍呈明顯非線性。防船撞設(shè)施正常漂浮時，船舶與橋墩間存有間隙，船舶以某一速度撞擊防船撞設(shè)施，兩者發(fā)生接觸變形，后隨著船舶減速，防船撞設(shè)施加速至兩者無相對變形以同一速度前進(jìn)，在此過程中撞擊力呈現(xiàn)一個短時增長、衰減的過程；其后船舶與防船撞設(shè)施整體前移至與橋墩接觸這段時間內(nèi)，船舶與防船撞設(shè)施的變形不再增長，撞擊力為0；隨后，船舶與防船撞設(shè)施貼合形成整體開始與橋墩接觸，撞擊力曲線與未設(shè)防船撞設(shè)施時的撞擊力曲線形態(tài)相似，但時間有所延長，峰值有所降低。以規(guī)格2的撞擊力時程為例，t=250 ms之前，撞擊力呈短波增長、衰減；此后至t=480 ms防船撞設(shè)施內(nèi)側(cè)與橋墩接觸期間，撞擊力為0；t=1 980 ms時，對應(yīng)撞擊力最大，F(xiàn)max=5 326.47 kN；之后，撞擊力迅速衰減，t=2 250 ms后，船墩脫離。

圖9 船舶與防船撞設(shè)施正撞剖面圖Fig.9 Profile diagram of collision between ship and anti collision facility

為便于對比，未設(shè)防船撞設(shè)施作為工況1，規(guī)格1～5的防船撞設(shè)施依次作為工況2～6，各工況條件下的計算結(jié)果如表2。分析表2可知，增設(shè)防船撞設(shè)施后，船舶撞擊歷時明顯延長，削減船舶撞擊力最高的為規(guī)格5，吸能比最高的為規(guī)格3。

圖10 增設(shè)防船撞設(shè)施后船首變形Fig.10 Deformation of ship head after installation of anti collision facilities

圖11 防船撞設(shè)施變形Fig.11 Deformation of anti collision facilities

圖12 增設(shè)防船撞設(shè)施后撞擊力時程曲線Fig.12 Time-history curves of impact force after installation of anti collision facilities

表2 各工況條件下的撞擊力與吸能結(jié)果Tab.2 Results of of impact force and energy absorption under each working condition

防船撞設(shè)施的效能主要體現(xiàn)在船舶撞擊力消減和吸收船撞能量，船舶撞擊力消減能提高橋墩的抗船撞能力，吸收船撞能量能減小船舶的撞損。根據(jù)防船撞設(shè)施規(guī)格1～5的計算結(jié)果，作不同防船撞設(shè)施船撞力消減和吸能曲線，結(jié)果分別如圖13，14。圖13，14表明，船舶撞擊力消減和吸收撞擊能量的效果均呈隨防船撞設(shè)施的剛度增強(qiáng)呈先上升再下降的凸型趨勢?？紤]到銅陵長江公路大橋19#墩本體已具備1 000 t船舶的抗撞能力，規(guī)格2防船撞設(shè)施吸收船撞能量的效果較佳且用鋼量較少，故本墩防船撞設(shè)施最終選擇規(guī)格2，即壁厚5 mm，加勁板5 mm。

圖13 不同防船撞設(shè)施船撞力消減曲線Fig.13 Curve of ship impact force reduction by different anti collision facilities

圖14 不同防船撞設(shè)施吸能曲線Fig.14 Curve of energy absorption by different anti collision facilities

3 結(jié) 論

增設(shè)防船撞設(shè)施事關(guān)橋梁和船舶安全，采用有限元軟件模擬載重1 000 t船舶正面撞擊銅陵長江公路大橋北19#橋墩增設(shè)防船撞設(shè)施的過程，計算不同壁厚防船撞設(shè)施鋼外殼及內(nèi)部縱橫加強(qiáng)筋的效能情況，結(jié)果表明：

1)防船撞設(shè)施的吸能比隨鋼外殼及內(nèi)部縱橫加強(qiáng)筋壁厚的增大呈先上升后下降的凸型曲線關(guān)系；

2)對本體抗撞能力滿足要求的橋墩，選用防船撞設(shè)施外殼、縱橫加筋板壁厚略小于設(shè)防船舶外殼、內(nèi)部縱橫板材壁厚時，吸能效果較好，能有效減小船舶損傷。