桥梁防撞设计中船舶撞击力计算方法分析

许富琳，陈立新

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）

桥梁防撞设计中船舶撞击力计算方法分析

许富琳，陈立新

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）

介绍了理论公式计算、碰撞试验和有限元仿真分析3种目前常用的船舶-桥梁撞击力计算分析方法；以北江航道扩能升级工程中的白土大桥为例，对比分析了中国公路、铁路规范和欧美规范中所推荐的撞击力公式的计算结果，分析了理论计算公式的局限性，探讨了有限元仿真分析应用于撞击力计算的优越性，为桥梁防撞设计提供参考。

桥梁；防撞设计；船舶撞击力；有限元仿真分析

随着公路、水运事业的发展，越来越多的跨越航道的桥梁投入使用，船舶数量、吨位和航速不断增加，船舶与桥梁相撞事故时常发生，造成巨大人员、经济、社会、环境等方面的损失。JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》明确规定航道内可能遭受大型船舶撞击的桥墩应进行防撞设计。

船舶撞击力的确定是防撞设计的首要环节和基础，船舶撞击力选取是否恰当，直接影响桥梁结构的安全性和防撞方案的经济性。由于船舶与桥梁结构的碰撞过程十分复杂，与碰撞时的环境（风浪、气候、水流等）、船舶特性（船舶类型、尺寸、行进速度、装载情况及船首、船壳的强度与刚度等）、桥梁结构（构件尺寸、形状、材料、质量和抗力特性等）及驾驶员的反应时间等因素有关，要确定船舶对桥梁的撞击力非常困难。现有设计规范涉及桥梁-船舶撞击力的内容不多，且国内外虽然对船舶撞击有一定研究，但由于撞击过程是一个复杂的力学问题，采用不同的分析方法，计算结果相差较大，导致撞击力的取值在工程设计中存在较大困难。

1 船舶-桥梁撞击力计算方法

目前国内外常用的船舶-桥梁撞击力计算方法有理论公式、碰撞试验和有限元仿真分析。

1.1 理论公式

包括中国公路、铁路规范在内，世界上不同组织提出了数十种船舶撞击力的经验公式。这些公式计算快捷、简便，但它们是在特定的船型、速度和角度等撞击情况下通过统计数据得来的，通常存在一定的局限性，导致计算结果与实际撞击情况有较大差别，而且采用不同的公式，计算结果也不尽相同。

较常用的船舶撞击力计算公式有4种：1）JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》取消了1～3级航道撞击作用的推荐设计值，参考漂流物的撞击公式［见式（1）］计算船舶撞击力；2）TB 10002.1-2005《铁路桥涵设计基本规范》中的撞击力计算公式［见式（2）］；3）AASHTO1994《美国公路桥梁设计规范》中的船舶撞击力计算公式［见式（3）］；4）国际桥梁和结构工程协会（IABSE）采用的索尔-诺特-格林纳计算公式［见式（4）］。

式中：W为船舶重量（k N）；v为撞击速度（m／s）；T为撞击时间（s）；γ为动能折减系数；α为船只与桥梁撞击点处切线所成的夹角；C1、C2为船舶和墩台的弹性变形系数（m／k N）；DWT为船舶吨位（t）；Dact为船撞击时排水量（t）；Dmax为船满载时排水量（t）。

上述计算公式中考虑的因素不尽相同（见表1），具有以下特点：1）都是从能量理论、试验研究、数值计算三方面推导出的；2）都与船舶的航行速度和船舶重量有关；3）均认为船舷与被撞结构发生全接触，未考虑被撞结构尺度、形状对于撞击力的影响；4）在特定假设条件下推出，在使用上均有一定的局限性。

1.2 碰撞试验

从20世纪80年代初开始，世界各国开始进行船舶碰撞试验，通过一系列碰撞模型试验得到结构损伤变形、冲击力历程和能量交换过程，进而验证理论计算结果与试验结果的符合程度。结果表明：船舶撞击力与结构变形之间存在非常复杂的关系，具有很强的非线性特征。碰撞试验的优点：由于船舶碰撞现象表现为强非线性，许多细节无法用理论模型来表达，通过模型试验可从中获取可靠数据，认识碰撞过程中的各种影响因素。缺点：由于模型试验费用昂贵，试验周期长且普遍适用性差，在工程中对每座桥梁进行模型试验显然是不切实际的。

表1 各规范船舶撞击力计算中考虑的因素

1.3 有限元仿真分析

随着计算机在运算速度、内存容量和图形功能等方面的发展，软件技术不断推陈出新，目前已成功开发了许多非线性有限元仿真软件，如ANSYS／LS -DYNA、ABAQUS、MSC／DYTRAN和MARC等，运用这些仿真软件可完成船舶-桥梁碰撞的计算。在模拟准确的情况下，通过有限元仿真计算结果与碰撞试验结果的对比，仿真分析结果准确、可靠。因此，有限元仿真分析越来越受到青睐。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

以北江（韶关—乌石）航道扩能升级工程中的白土大桥为例，对船舶-桥梁撞击力理论公式计算结果与有限元数值分析结果进行对比分析。

白土大桥是一座空腹式梁拱组合结构桥梁，采用实体式桥墩。航道整治后，北江航道等级由五级提升为三级，通航船舶吨位从300 t提升为1 000 t，船型尺寸、船舶吨位提升显著，且船舶通航流量大幅增加，导致桥梁被船舶撞击的风险加大。而白土大桥建成时间较早，设计标准较低，不能满足1 000 t船舶的撞击，需增设防撞设施。在确定防撞设施方案、尺寸之前，需确定船舶与桥梁的撞击力。

根据航道现状和总体规划，北江航道的设计代表船型为1 000 t级内河干货船和1 000 t级多用途集装箱船，船型尺寸见表2。

表2 北江航道设计代表船型的尺寸m

选取代表船型中尺寸大的1 000 t级内河干货船作为设计计算船型，该船型的三维视景见图1。

图11 000 t级干货船的三维视景

2.2 船舶-桥梁撞击力计算

2.2.1 理论公式计算

假设1 000 t级内河干货船在3 m／s的航行速度下以90°正面撞击桥梁，运用上述4种规范中的撞击力公式进行计算，结果见表3。

表31 000 t船舶撞击力计算结果 MN

由表3可看出：采用AASHTO1994规范和欧洲IABSE规范中的公式计算的船舶撞击力相近，与中国两规范公式的计算结果相比偏大。由于各种规范采用的是根据各自研究成果形成的经验公式，而实际情况下航行的船舶类型、主尺度离散性很大，桥墩形式也有很大差别，运用经验公式进行计算所得的结果常与实际有较大差距。

2.2.2 有限元仿真分析

采用通用非线性有限元软件ANSYS／LS-DYNA建立包括船体和桥墩两部分的有限元模型，船舶分别采用梁单元、杆单元及壳单元模拟，桥墩采用实体单元模拟。船首部位采用Plastic Kinematic材料模型，桥墩采用ELASTIC材料模型，其余部位采用ELASTIC材料模型。计算模型见图2。通过计算分析，得到船舶撞击过程中的时间-碰撞力曲线（见图3）。

图2 船舶-桥梁撞击有限元模型

图3 船舶撞击过程中的时间-碰撞力曲线

由图3可看出：撞击过程中，船舶瞬时撞击力峰值为7.41 MN，比采用中国规范公式计算的数值偏大，介于中国规范与欧美规范理论计算值之间。有限元仿真分析考虑了船舶与桥梁的材料、尺寸及碰撞时的结构变形等因素，其精度比理论公式更高。

3 结语

下的一种复杂非线性动态响应过程，涉及多门学科，很难建立一个精确的数学模型使之完全解析，而实体碰撞试验研究耗资巨大难以付诸实施。随着数值计算方法的改进和计算机硬件设备的提高，采用有限元仿真模型进行船舶-桥梁虚拟碰撞试验成为可能。通过理论公式、模型试验、有限元分析结果对比，在模拟准确的情况下，有限元分析结果与模型试验结果基本接近，计算精度能满足工程设计需要，而理论公式计算结果与模型试验结果差距较大。因此，有限元数值仿真分析必将成为计算船舶-桥梁撞击力的首选方法，并在工程实践中得到越来越广泛的应用。

［1］ JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］ 国际桥梁和结构工程协会（IABSE）.交通船只与桥梁结构的相互影响（综述与指南）［R］.国际桥梁和结构工程协会，1991.

［3］ AASHTO1994，美国公路桥梁设计规范［S］.

［4］ 李雅宁.船桥碰撞的非线性有限元仿真研究［D］.上海：上海交通大学，2000.

［5］ 陈国虞.关于船对桥墩的正撞力［A］.第15届全国桥梁学术会议论文集［C］.上海：同济大学出版社，2002.

［6］ 姜河蓉.船和桥墩防撞装置碰撞仿真模拟研究［D］.武汉：武汉理工大学，2004.

［7］ 涂红轩.桥墩撞击力计算方法及应用［J］.公路交通科技：应用技术版，2008（2）.

［8］ 段敏，王银辉，袁伟东.船舶撞击桥梁分析方法探讨［J］.公路与汽运，2015（6）.

［9］ 张峰.跨海大桥桥墩防撞技术［D］.上海：同济大学，2007.

由于船舶与桥梁的碰撞是在瞬间巨大荷载作用

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2016-05-25