夹层结构曲面环形浮式桥墩防撞套箱碰撞分析

许薛军 单成林

摘要：针对船舶撞击桥梁的安全问题，提出一种钢聚氨酯钢夹层板制作的新型曲面环形浮式桥墩防撞套箱.采用显式动力瞬态非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA建立了船舶撞击桥墩的仿真模型，通过撞击过程中船舶撞击力和速度的变化，分析了船舶、防撞套箱、橡胶护舷、桥墩之间的能量转换以及防撞套箱撞击部位的受力和变形.研究表明：当防撞套箱受最不利撞击时，夹层板曲面环形桥墩防撞套箱能吸收70%的船舶撞击能量，且具有节省箱内加劲板及支架、构造简单、质量轻等特点.本文提出的桥墩防撞套箱具有良好的抗冲击性能和弹塑性能，为工程应用提供了理论依据.

关键词：桥梁工程；防撞设施；夹层结构；曲面套箱；碰撞分析

中图分类号：U443.26 文献标识码：A

随着内河航运的发展，船舶撞击桥梁事件日益增多，桥梁的防撞研究引起了广泛关注.目前，柱式桥墩的防撞装置有多种，就浮式套箱桥墩防撞设施而言，大多采用钢板制作的套箱、型钢制作的桁架钢围套及多种材料制作的组合结构套箱等＼[1-3＼].这些防撞设施具有钢材用量大、构造复杂、瞬时转移撞击能量差等不足.文献表明，夹层聚氨酯钢板易制作成弧形曲面，夹层板本身具有良好的抗冲击性能，已广泛应用于船舶维修＼[4-6＼].采用钢聚氨酯钢夹层板制作的悬浮式曲面环形桥墩防撞套箱，能大幅提升桥墩的防撞能力，与钢套箱相比，节省了很多箱内加劲板及支架，构造简单，质量轻＼[7＼].本文采用ANSYS/ LSDYNA及LSPREPOST 有限元分析软件，考虑碰撞过程中材料非线性、几何非线性、接触非线性等因素，研究了钢聚氨酯钢夹层结构浮式曲面环形桥墩防撞套箱的动力碰撞性能，并用于广东省清远市阳山县阳山桥桥墩防撞工程.

1曲面环形桥墩防撞套箱构造

根据桥墩防撞特点、桥墩外形以及夹层聚氨酯钢板的抗冲击特点，本文设计的防撞套箱外形类似救生圈，如图1所示.该防撞套箱套在桥墩柱上，悬浮在水面上，可自由转动，有利于瞬时改变撞击方向，有效转移船舶的撞击能，从而使桥墩免受正面撞击.考虑到船头高度及有利于消能，套箱的截面形式做成椭圆形，如图2所示.按照阳山大桥桥墩尺寸和通航等级，经试算，防撞套箱内直径1.7 m，外直径4.7 m，套箱与直径1.5 m混凝土墩柱间设置100 mm的间隙，以便在套箱内侧固定厚度小于间隙的橡胶护舷垫块.套箱的椭圆截面长轴2.5 m，短轴1.5 m；钢聚氨酯钢夹层板的厚度组合为8 mm60 mm6 mm.

为施工方便，防撞套箱可分为4个对称构件（图1未标识接头）加工制作，每个构件由若干块曲面板拼焊而成，构件的钢板内表面经喷砂粗糙及除锈处理后，灌注聚氨酯芯层，再运抵现场拼装.

2建立撞击仿真模型

船舶撞击桥墩是一个瞬态的冲击过程， 防撞套箱上的碰撞区域在很短的时间内发生弹塑变形，如屈曲、凹陷、褶皱和撕裂＼[8＼].本文采用有限元仿真分析方法模拟船舶撞击桥墩，用ANSYS/LSDYNA有限元计算软件模拟计算悬浮防撞套箱、桥墩、船舶三者的受力和变形＼[9-11＼]，并考虑了几何非线性、材料非线性和接触非线性.本文提出的防撞套箱是一种新的夹层材料防撞结构，研究的主要目的是探讨其具有共性的基本防撞性能，为实际工程应用提供理论支撑.具体的桥墩防撞应用，需结合船体和桥墩的实际情况进行定量分析.基于此，建立有限元计算模型时做了以下简化：

1）本文重点研究夹层板曲面环形桥墩防撞套箱的防撞性能，不考虑船体变形破坏吸收的能量，用质量块刚体撞击模拟船舶撞击；

2）船舶撞击防撞套箱时，不考虑桥梁上部结构的动力响应对能量的转移吸收；

3）在撞击过程中，水介质吸收的能量等效为一定的附加水质量 ＼[12＼].

2.1模型材料参数

根据相关文献，聚氨酯、钢板、桥墩混凝土的参数见表1.

此外，聚氨酯的冲击强度为24 kJ/m2，非线性剪切应力参数为0.

2.2有限元模型及计算

计算模型采用控制单元边长的方法来建立有限元单位网格，但进一步细分了墩柱与套箱接触部位的单元网格，模型中单元网格的最小特征长度约为120 mm.

采用ANSYS/ LSDYNA中提供的3维显式单元划分算法，桥墩及防撞结构共划分为37 909个单元，其中曲面套箱夹层板采用BelgtschkoTsag单点积分的壳单元算法和薄壳空间SHELL163单元，共12 709个，墩柱混凝土及橡胶护舷采用单节点积分算法和SOLID164单元，共25 200个.套箱与墩柱之间设置橡胶护舷，护舷与墩柱单元划分一致，采用共用节点固接.由于套箱接触面为曲面，以致护舷与套箱的连接节点不完全重合，本文采用ANSYS软件中CPTINF命令，将护舷与套箱接触面上节点转化为耦合连接.由于主要研究对象为套箱，设墩柱顶自由，墩柱底固结.计算模型如图3所示.

该计算模型不考虑船体在碰撞过程中的能量消耗，假设船体为刚性体单元，几何尺寸为1.5 m×1.5 m×2.0 m.碰撞体的质量和刚度一定时，撞击力的大小主要取决于碰撞速度＼[13＼].按照《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）》， 100 t级船舶的运行速度在8～11 km/h之间，本文取碰撞体的初速度为2.6 m/s.

接触模拟是碰撞计算分析的关键，直接影响计算结果.本仿真模型计算采用面面接触式碰撞，船舶的撞击面为主面，其上的节点为主节点，防撞套箱上的节点为从节点，接触算法采用对称罚函数.碰撞过程中，船舶刚体与钢套箱表面、套箱内侧与橡胶护舷、橡胶护舷与墩柱壁之间均存在摩擦.摩擦因数随着润滑条件的不同变化很大，且在变形的弹性阶段，随着压力增大而增大，在变形的塑性阶段，变化非常复杂，一般在0.03～0.45之间.考虑到摩擦能量的损失并不大，本计算假设静动摩擦因数均等于0.15，不考虑碰撞过程中压力变化影响.本文计算采用船体质量5%的附加水质量，作为流水介质对动力的影响.有限元模型计算中，重点分析夹层结构的曲面环形套箱的撞击性能，桥墩柱底固结，不考虑船体和桥梁上部结构转移吸收的能量.