淺談復(fù)合材料防撞設(shè)施后的船撞撞擊力

黃駿

摘 要：主要探討通揚運河特大橋橋墩船撞力，采取格構(gòu)腹板增強泡沫夾芯自浮式復(fù)合材料防撞箱設(shè)施形式。并對設(shè)置防撞設(shè)施后的引橋11#橋墩進行建模，模擬了一艘1000t級船舶以4.1m/s的速度撞擊橋墩的過程。通過復(fù)合材料防撞設(shè)施后橋墩的有限元模擬圖計算撞擊力。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;船舶;撞擊力;計算

中圖分類號：U654? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0090-03

1工程概況

無錫至南通過江通道公路北接線工程，長22.333km。采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)通揚運河特大橋全長1209m，造價約為8000萬元，其中主跨為60+100+50m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，掛籃懸臂澆筑施工。通揚運河為規(guī)劃三級航道，設(shè)計寬度為70m，通航凈空高度為7m。下部結(jié)構(gòu)薄壁墩墩高56m，采用維薩板爬模施工工藝，上部結(jié)構(gòu)采用5*50m預(yù)制裝配式T梁、45+75+75+45m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)、4*43.5+2*43.5+50鋼-混組合連續(xù)梁及高墩、大跨徑現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁（最高墩高28m、最大跨徑50m）結(jié)構(gòu)。橋梁施工工藝復(fù)雜、質(zhì)量、安全風(fēng)險高，施工難度大。

2復(fù)合材料防撞設(shè)施設(shè)計方案

通航孔橋墩為等截面橋墩結(jié)構(gòu)，在通航孔橋墩防撞保護系統(tǒng)中，船舶若正對橋墩撞擊，橡膠護舷首先與橋墩的棱邊相接觸發(fā)生彈性變形，吸收碰撞能量;本方案可隨著水位的變化自動升降，提出采納自浮式箱型復(fù)合材料防撞系統(tǒng)。另外當(dāng)船舶與防撞系統(tǒng)撞擊緊密接觸后，防撞系統(tǒng)箱型截面本身也能承受較大的撞擊力，箱型截面外殼為彈性復(fù)合材料，其內(nèi)部填充的耗能材料抗剪強度高，緩沖能力強。其中箱型復(fù)合材料防撞圈的內(nèi)側(cè)面設(shè)置拱形橡膠護舷，橡膠護舷的高是0.3m，橡膠護舷內(nèi)側(cè)與橋墩接觸處采用60mm厚的四氟滑板，所以箱型復(fù)合材料防撞設(shè)施的外伸寬度≧1.3m。復(fù)合材料防撞結(jié)構(gòu)直接承受船撞的纖維復(fù)合材料單位寬度（m）的抗彎剛度必須達到300000N.m2，平壓強度必須達到10MPa及以上。外殼材料的彈性模量需約為鋼材的1/10，保護鋼結(jié)構(gòu)船舶不受局部損傷。復(fù)合材料防撞箱內(nèi)填充的輕質(zhì)耗能芯材需采用復(fù)合材料加勁腹板增強，具有一定的抗剪強度，達到1MPa以上。由于復(fù)合材料防撞系統(tǒng)具有自浮性、可轉(zhuǎn)動性、緩沖性、彈性模量低等特點，因此可有效保護船舶不至于局部受損。

防撞系統(tǒng)與橋墩的側(cè)邊接觸實現(xiàn)上下浮動，且防撞圈的兩端為尖形，在與船舶成角度撞擊后，防撞系統(tǒng)可轉(zhuǎn)動一定的角度，從而撥離船舶行駛方向。

邊墩防撞設(shè)計的立面布置圖和平面布置圖參見圖1。

3鋼管樁與復(fù)合材料防撞設(shè)施防撞方案

采用“兩級消能”防護：第一級防護在墩柱兩側(cè)離承臺邊約3m的位置插打三根鋼管樁形成鋼管樁組，攔截正面向墩柱行駛的船只，船只撞上后減小船只的行進速度，鋼管樁組容許被船只撞壞;第二級防護為墩柱上安裝的箱型復(fù)合材料防撞系統(tǒng)，攔截經(jīng)上一級防護后未能攔住的船只。防撞設(shè)施的立面布置見圖2。

11#～14#墩的上下游距承臺邊3米處各設(shè)置三根Φ810mm一組鋼管柱，主要起到對通行船只的防撞及引導(dǎo)作用。10#墩現(xiàn)澆段上游有棧橋圍護，下游則再設(shè)置兩排間距4米Φ630mm鋼管樁，各鋼管樁間相互連接而成。

4 ANSYS/Ls-Dyna動力計算

4.1結(jié)構(gòu)建模

對設(shè)置防撞設(shè)施后的引橋11#橋墩進行建模，模擬了一艘1000t級船舶以4.1m/s的速度撞擊橋墩的過程，圖3（a）為1000t級船舶撞擊設(shè)置H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施后橋墩的有限元模擬圖;圖3（b）為1000t級船舶撞擊設(shè)置鋼管樁及H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施后橋墩的有限元模擬圖。鋼管樁計算長度取為11.04m，樁底固結(jié)。

4.2設(shè)置防撞設(shè)施后11#引橋橋墩的船撞力有限元模擬

4.2.1設(shè)置H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施后船撞橋有限元模擬

以設(shè)H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施后，最高通航水位下1000t船與11#引橋以4.1m/s速度滿載正撞工況為例進行帶防撞裝置的船橋碰撞計算。設(shè)防撞設(shè)施時，船撞有限元模型如圖4所示，橋墩受到的船撞力如圖5所示，撞擊過程中的能量變化如圖6所示。

從圖5中可以看出，設(shè)置H200型防撞設(shè)施后，橋墩受到的橫橋向撞擊力為7.22MN。與無防撞設(shè)施相比，橋墩受到的撞擊力下降34.7%。

4.2.2設(shè)置鋼管樁及H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施后船撞橋有限元模擬

以設(shè)鋼管樁及H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施后，最高通航水位下1000t船與11#引橋以4.1m/s速度滿載正撞工況為例進行帶防撞裝置的船橋碰撞計算。設(shè)防撞設(shè)施時，船撞有限元模型如圖7所示，橋墩受到的船撞力如圖8所示，撞擊過程中的能量變化如圖9所示。

從圖8中可以看出，設(shè)置鋼管樁及H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施后，橋墩受到的橫橋向撞擊力為6.03MN。與無防撞設(shè)施相比，橋墩受到的撞擊力下降45.4%。

4.3設(shè)復(fù)合材料防撞設(shè)施后的船撞有限元分析結(jié)果匯總

綜上，典型工況下，設(shè)置防撞設(shè)施后的有限元計算結(jié)果匯總于下，無防撞設(shè)施情況下船舶撞擊力11.05KN;H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施情況下船舶撞擊力7.22KN，撞擊力消減34.7%;鋼管樁+H200型復(fù)合材料防撞設(shè)施情況下船舶撞擊力6.03KN，撞擊力消減45.4%。

參考文獻：

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