浮碼頭系纜墩船撞事故有限元反演分析

王華坤，林寅森，張 攀，翟 秋，張稼昊，陳燦明

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014；3.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

近年來(lái)，隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展及港口吞吐量的提升，船舶靠泊頻率顯著增加，來(lái)往船只的密集度與復(fù)雜多變的通航條件導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外船舶撞擊碼頭事故頻發(fā)[1]。船撞事故發(fā)生后，客觀地還原事故過(guò)程、科學(xué)地評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷程度是急需開展的重點(diǎn)工作。

目前，針對(duì)船舶碰撞事故的調(diào)查主要通過(guò)詢問(wèn)船員取證、搜集航運(yùn)資料、提取船載記錄儀數(shù)據(jù)等手段，但這些傳統(tǒng)的調(diào)查方法存在一些缺點(diǎn)，如船員的主觀片面性、船載記錄儀數(shù)據(jù)缺失等，使得事故認(rèn)定存在困難。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)勘查可以掌握碼頭破壞的基本情況，但對(duì)結(jié)構(gòu)損傷細(xì)節(jié)難以進(jìn)行全面檢測(cè)評(píng)估。

船舶撞擊作用下碼頭的動(dòng)力響應(yīng)非常復(fù)雜，其中涉及幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法已經(jīng)成為船舶碰撞問(wèn)題的有力分析手段[2]。王翔等[3]模擬了船舶與浮碼頭之間的碰撞，認(rèn)為靠泊船的低速?zèng)_擊荷載會(huì)對(duì)淺水域浮式碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯動(dòng)力響應(yīng)效果。趙沖久[4]采用物理模型和有限元模型研究了船舶撞擊力在高樁碼頭排架中的分配情況。鄧?yán)罪w等[5]對(duì)船舶以較快速度撞上碼頭的過(guò)程進(jìn)行了模擬，根據(jù)碼頭受損部位的應(yīng)力指標(biāo)與位移變化提出了對(duì)事故碼頭高應(yīng)力區(qū)域的修復(fù)與加固方案。邱拓荒等[6]建立了船舶碰撞高樁碼頭橫向排架的簡(jiǎn)化模型，研究了船舶載重量、撞擊角度和橡膠護(hù)舷等因素對(duì)船撞力的影響。陸志慧等[7]對(duì)船舶碰撞鋼管板樁碼頭問(wèn)題進(jìn)行了仿真分析，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移變形方面評(píng)估了碼頭的防撞能力。劉紅彪等[8]忽略了材料非線性，通過(guò)理論與有限元相結(jié)合的方式研究了船舶撞擊作用下的高樁碼頭結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，修正了軟土地基上高樁碼頭受船舶撞擊時(shí)的動(dòng)力系數(shù)。閻佳安等[9]對(duì)拱式縱梁碼頭受到船舶撞擊后的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，提出了應(yīng)力集中部位的加固方案。徐競(jìng)等[10]將船舶撞擊力簡(jiǎn)化為集中力，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性材料，對(duì)一艘6萬(wàn)t級(jí)輪船碰撞系纜墩事故進(jìn)行了模擬，得到的樁身內(nèi)力為基樁完整性評(píng)判提供了參考依據(jù)。

可見，目前大多數(shù)研究著重于船舶撞擊后碼頭的受力情況和結(jié)構(gòu)修復(fù)工作，很少有學(xué)者將有限元技術(shù)運(yùn)用到船舶撞擊碼頭事故的調(diào)查分析。有限元模型的精細(xì)化程度、材料本構(gòu)和接觸算法直接決定了模擬結(jié)果的可靠性[11]。然而，現(xiàn)有研究中船艏結(jié)構(gòu)的過(guò)度簡(jiǎn)化往往會(huì)造成撞擊力的失真，而采用的鋼筋混凝土材料本構(gòu)也不能模擬出結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)，因此得到的結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反映真實(shí)情況。本文以南京某浮碼頭系纜墩船舶碰撞事故為例，采用有限元方法對(duì)事故進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值反演，從而為后續(xù)工作的開展提供依據(jù)。

1 船舶-系纜墩碰撞事故

1.1 事故概況

某浮碼頭位于長(zhǎng)江下游南京段，碼頭泊位長(zhǎng)度131.0 m，由1座鋼質(zhì)浮躉船、2榀鋼聯(lián)橋及2座系纜墩組成，鋼躉船通過(guò)鋼引橋與岸連接。系纜墩為高樁墩式結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)為空箱式，長(zhǎng)6.0 m、寬6.0 m、高5.0 m，頂板厚1.2 m，底板厚1.0 m；系纜墩基樁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心方樁，截面尺寸600 mm×600 mm，空心直徑300 mm、樁長(zhǎng)40.0 m，江側(cè)和岸側(cè)各布設(shè)3根，斜度均為5∶1。碼頭平面布置圖及系纜墩樁位分布情況見圖1和圖2。

圖1 碼頭平面布置圖(單位：m) 圖2 系纜墩樁位分布圖(單位：mm)

本次事故中，某船務(wù)公司1 000 t級(jí)船舶重載?？吭摳〈a頭時(shí)，因右主機(jī)突然熄火，舵機(jī)失靈，導(dǎo)致右舷碰擦該碼頭上游系纜墩的1#鋼筋混凝土樁。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)勘查

事故發(fā)生后，專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)碼頭上游系纜墩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并對(duì)輪船體破損情況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果如下：

船舶與系纜墩鋼筋混凝土樁碰擦，船艏右側(cè)部位有上、中、下三處擦痕，船體表面油漆脫落，但無(wú)明顯破損和變形。

上游系纜墩墩臺(tái)完好，未發(fā)現(xiàn)明顯破損；除1#樁有明顯破損外，其余2#～6#樁未發(fā)現(xiàn)樁身有裂縫及混凝土剝落情況；1#樁頂部與墩臺(tái)連接處出現(xiàn)開裂，樁頂四個(gè)方向均出現(xiàn)不同程度的裂縫，撞擊點(diǎn)處上游側(cè)和江側(cè)裂縫較嚴(yán)重，最大裂縫寬度約2 mm。

1#樁距離樁頂1.56～3.06 m處，船舶撞擊樁體區(qū)域各方向出現(xiàn)不同程度的破損，局部嚴(yán)重破損、斷裂，具體為：上部距樁頂1.56～1.86 m范圍樁體有輕微擦痕，樁體基本無(wú)破損；下部距樁頂2.06～3.06 m范圍受船舶撞擊普遍破損，局部嚴(yán)重破損，破損處最大寬度為：江側(cè)0.31 m、下游側(cè)0.40 m，破損處有1根主筋、1根箍筋外露，主筋外露長(zhǎng)度約為0.30 m，箍筋外露長(zhǎng)度約0.10 m。

撞擊部位處江側(cè)有5條明顯的水平向裂縫，其中2條最嚴(yán)重，最大裂縫寬度3～5 mm，裂縫長(zhǎng)0.10～0.30 m；下游側(cè)有2條主要裂縫，裂縫長(zhǎng)度約0.20 m，最大裂縫寬度為0.5 mm；上游側(cè)分布有4條主要裂縫，最大裂縫長(zhǎng)度0.60 m，最大裂縫寬度為4～6 mm；岸側(cè)分布有3條主要裂縫，裂縫長(zhǎng)度0.60 m，最大裂縫寬度為3～5 mm。距離樁頂3.0 m處有一條斜向裂縫，裂縫與水平向夾角為40°～45°，最大裂縫寬度約1.2 mm；距離樁頂2.2 m處有一條斜向裂縫，裂縫與水平向夾角為45°～60°，最大裂縫寬度約0.6 mm。

2 船舶-系纜墩碰撞有限元模型

基于LS-DYNA顯式動(dòng)力有限元程序建立船舶碰撞系纜墩的精細(xì)化數(shù)值模型。

2.1 船舶模型

事故船舶長(zhǎng)55.4 m、寬9.5 m、型深3.3 m，滿載排水量1 276.75 t，實(shí)際載貨量998 t。船體材料為CCSB級(jí)鋼。在撞擊作用下船體鋼材會(huì)產(chǎn)生快速變形，屈服強(qiáng)度明顯提高，該效應(yīng)可用Cowper-Symonds應(yīng)變率模型來(lái)描述。本文選取考慮應(yīng)變率硬化效應(yīng)的隨動(dòng)塑性本構(gòu)，材料屈服應(yīng)力表達(dá)式為

(1)

船舶模型根據(jù)實(shí)船構(gòu)造建模并采用殼單元和梁?jiǎn)卧M(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計(jì)算效率，適當(dāng)忽略上層建筑及船舶上機(jī)電等設(shè)備。由于船艏是抵抗變形和吸收能量的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)船艏進(jìn)行精細(xì)化建模并加密網(wǎng)格。船舶中部和艉部距離碰撞位置較遠(yuǎn)，僅在質(zhì)量方面產(chǎn)生影響，可適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸。

2.2 系纜墩模型

系纜墩墩臺(tái)及樁身混凝土材料為C50，采用SOLID單元模擬。為了更真實(shí)地反映船舶碰撞系纜墩過(guò)程中1#樁混凝土的損傷情況，混凝土本構(gòu)采用連續(xù)面蓋帽模型。該模型可較好地反映混凝土在低圍壓和拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變軟化、剛度退化、體脹、剪縮和應(yīng)變率強(qiáng)化等重要特性，在模擬混凝土材料受到低速?zèng)_擊產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損傷方面效果較好。系纜墩的材料參數(shù)為：密度2 400 kg/m3，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度40 MPa，最大骨料粒徑0.02 m，泊松比0.2。

系纜墩樁基中的鋼筋型號(hào)為HRB400，采用BEAM單元模擬，本構(gòu)模型與船舶相同。鋼筋彈性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服應(yīng)力400 MPa，切線模量1 200 MPa。為了反映鋼筋與混凝土共同工作的性能，采用*CONSTRAINED_LAGRANGEIN_IN_SOLID關(guān)鍵字來(lái)約束兩者之間的耦合效應(yīng)。

根據(jù)系纜墩所在地質(zhì)情況，采用假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算得到模型樁長(zhǎng)為19.25 m。

2.3 碰撞接觸算法

船墩碰撞模型如圖3所示。采用面-面侵蝕接觸(Contact_Eroding_Surface_To_Surface)算法，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)均取0.3。船舶碰撞過(guò)程中周圍流體作用影響不大，附連水質(zhì)量系數(shù)根據(jù)已有研究取0.02。計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為2.8 s，時(shí)間步長(zhǎng)由程序自動(dòng)確定。

圖3 船舶-系纜墩碰撞模型

3 碰撞事故反演工況

根據(jù)已了解到的現(xiàn)場(chǎng)情況，船舶是由下游向上游行駛，在靠泊時(shí)右舷擦碰到上游系纜墩。船舶斜向靠泊角度可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果初步判定：事故發(fā)生時(shí)，船舶未與鋼躉船碰撞接觸，斜向靠泊角度應(yīng)不小于25°；根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)1#樁身與船艏碰擦部位勘查結(jié)果，可大致確定碰撞期間事故船舶縱軸線與碼頭岸線間的夾角不超過(guò)45°。因此船舶斜向靠泊時(shí)船舶縱軸線與碼頭岸線方向夾角α應(yīng)在25°～45°，本文在反演計(jì)算時(shí)重點(diǎn)考慮30°、37°和45°的靠泊角度。

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)關(guān)于法向靠泊速度的規(guī)定，船舶正常靠泊速度區(qū)間為0.2～0.3 m/s，本文取0.1～0.4 m/s作為法向靠泊速度計(jì)算范圍。考慮到內(nèi)河波浪較小，由波浪作用產(chǎn)生的船舶垂蕩速度相比水平行駛速度或水流速度很小，因此本文的船舶撞擊問(wèn)題限于船舶行駛的水平面內(nèi)。

不同靠泊角度和靠泊速度的組合計(jì)算工況如表1所示。其中，Vx為法向靠泊速度，Vy為切向靠泊速度，θ為靠泊角度。

表1 反演計(jì)算工況組合表

4 反演結(jié)果與分析

4.1 系纜墩和基樁損傷

將數(shù)值模擬得到的結(jié)構(gòu)破損情況與現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)碰撞角度為37°和45°時(shí)，各工況樁身被撞擊部位均位于樁身江側(cè)，并且樁身岸側(cè)混凝土剝落較為嚴(yán)重，這與實(shí)際有明顯偏差；相比而言，30°靠泊角度下船舶撞擊點(diǎn)與實(shí)際位置相同，其中工況5(Vx=0.15 m/s，Vy=0.20 m/s)得到的結(jié)構(gòu)破損情況與現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果最為吻合，詳細(xì)說(shuō)明如下。

上游系纜墩1#樁樁頂與墩臺(tái)連接處數(shù)值模擬結(jié)果見圖4-a～4-c，可以看出連接部位四個(gè)方向均出現(xiàn)裂縫，其中位于撞擊點(diǎn)處的下游側(cè)和江側(cè)較為明顯，這與現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果(圖4-d～4-f)幾乎一致。

4-a 計(jì)算結(jié)果上游側(cè) 4-b 計(jì)算結(jié)果江側(cè) 4-c 計(jì)算結(jié)果下游側(cè)及岸側(cè)

1#樁樁身碰擦部位樁周四個(gè)方向的損傷數(shù)值模擬結(jié)果如圖5-a～5-d所示，現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果見圖5-e～5-h。計(jì)算結(jié)果顯示江側(cè)樁身撞擊部位出現(xiàn)較為連續(xù)的破損現(xiàn)象，并有一段長(zhǎng)達(dá)0.69 m連續(xù)主筋外露，主筋外露長(zhǎng)度雖比現(xiàn)場(chǎng)勘查的外露長(zhǎng)度(0.30 m)偏長(zhǎng)，但與現(xiàn)場(chǎng)主筋外露長(zhǎng)度和其上部脫落混凝土區(qū)域長(zhǎng)度總和基本一致；計(jì)算得到的岸側(cè)樁身裂縫長(zhǎng)度為0.60 m，上游側(cè)樁身裂縫長(zhǎng)度為0.60 m，兩條主裂縫間距0.10 m，與現(xiàn)場(chǎng)裂縫開展情況完全吻合；下游側(cè)撞擊部位裂縫計(jì)算長(zhǎng)度為0.39 m，比現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果略大。從有限元結(jié)果總體上來(lái)看，被撞的1#樁樁身結(jié)構(gòu)基本完整，未發(fā)生斷裂(表2)。

表2 1#樁受撞部位結(jié)構(gòu)破損情況對(duì)比

5-a 計(jì)算結(jié)果江側(cè) 5-b 計(jì)算結(jié)果下游側(cè) 5-c 計(jì)算結(jié)果上游側(cè) 5-d 計(jì)算結(jié)果岸側(cè)

4.2 基樁主筋應(yīng)力分析

為全面了解系纜墩結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷情況，對(duì)此次碰撞事故中1#樁內(nèi)4根主筋(即縱筋)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，縱筋分布見圖6。提取1#樁樁頂與承臺(tái)連接部位、受撞部位4根縱筋的應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)，如圖7和圖8所示。結(jié)果顯示，離撞擊點(diǎn)最近的縱筋1出現(xiàn)的應(yīng)力值最大，樁頂及樁身撞擊部位處的4根縱筋在撞擊過(guò)程中均表現(xiàn)出屈服狀態(tài)，因此樁頂與承臺(tái)連接部位、樁身受撞部位需要進(jìn)行加固修復(fù)。由于船舶與1#樁擦碰后在樁內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波的傳播、反射與振蕩，樁身吸收的這部分撞擊能量并不會(huì)立即消散，因此1#樁主筋應(yīng)力在峰值過(guò)后一段時(shí)間內(nèi)仍然維持在較高水平。

圖6 1#樁縱筋分布圖 圖7 1#樁樁頂與承臺(tái)連接部位縱筋應(yīng)力 圖8 1#樁受撞部位縱筋應(yīng)力

4.3 船舶撞擊力分析

船舶撞擊力時(shí)程曲線見圖9。由圖可知，從船舶接觸到樁身后撞擊力迅速增大，在0.4 s左右達(dá)到峰值63.6 kN，其中法向靠泊力峰值62.3 kN遠(yuǎn)大于沿江切向撞擊力峰值12.5 kN。

圖9 船舶撞擊力時(shí)程曲線

船舶與系纜墩碰撞過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程，在碰撞的不同時(shí)段曲線出現(xiàn)了多次波動(dòng)或卸載現(xiàn)象，每次卸載都代表了船艏的彈塑性變形及基樁混凝土的失效或破壞過(guò)程。整個(gè)碰撞過(guò)程持續(xù)約0.85 s，船舶在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大撞擊力，造成撞擊點(diǎn)附近混凝土出現(xiàn)局部開裂和剝落現(xiàn)象。參考《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-02—2020)[12]中關(guān)于鋼筋混凝土柱式構(gòu)件抗剪承載力計(jì)算方法，系纜墩基樁抗剪承載力約為280 kN，明顯大于本次事故中的船舶撞擊力，這說(shuō)明基樁整體并未發(fā)生沖剪破壞。

5 結(jié)論

本文以南京某浮碼頭系纜墩船舶碰撞事故為例，基于LS-DYNA顯式動(dòng)力分析程序建立了船舶碰撞系纜墩的精細(xì)化有限元模型，通過(guò)對(duì)事故進(jìn)行數(shù)值反演，明確了船舶的碰撞角度、速度以及系纜墩的損傷程度。主要結(jié)論如下：

(1)模擬結(jié)果表明，船舶碰撞角度約為30°、法向靠泊速度約為0.15 m/s時(shí)，系纜墩樁身破損情況與現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果最為吻合。

(2)1#樁頂部與墩臺(tái)連接處結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，樁周四個(gè)方向均出現(xiàn)不同程度裂縫；撞擊點(diǎn)處樁身混凝土剝落和鋼筋外露；撞擊點(diǎn)處下游側(cè)和上游側(cè)樁面出現(xiàn)明顯裂縫；樁身結(jié)構(gòu)基本保持完整，未發(fā)生斷裂。

(3)1#樁頂部和撞擊點(diǎn)部位4根主筋的應(yīng)力值在撞擊過(guò)程中均呈現(xiàn)出屈服狀態(tài)，船舶撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波使各主筋應(yīng)力在峰值過(guò)后一段時(shí)間內(nèi)仍然維持在較高水平；基樁抗剪承載力相比船舶撞擊力峰值有明顯富裕，樁身整體并未發(fā)生沖剪破壞。

鑒于本次事故中系纜墩1#樁局部出現(xiàn)開裂等損傷，存在安全隱患，因此應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)方案可考慮對(duì)撞擊部位樁周進(jìn)行鋼筋混凝土澆筑加固，以及對(duì)樁頂與墩臺(tái)連接處進(jìn)行外粘鋼板補(bǔ)強(qiáng)等。